《第10章 模拟接口讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第10章 模拟接口讲义（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模拟量与数字量,模拟量连续变化的物理量,数字量时间和数值上都离散的量,8.1 从物理信号到电信号的转换,传感器 将各种现场的物理量测量出来 并转换成电信号（模拟电压或电流）,放大器 把传感器输出的信号放大到ADC所需 的量程范围,低通滤波器 用于降低噪声、滤去高频干扰， 以增加信噪比,多路开关 把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,采样保持器 周期性地采样连续信号， 并在A/D转换期间保持不变,8.2 D/A转换器,模拟量,数字量,8.2.1 D/A转换的基本原理,数字量 按权相加 模拟量,一、解码原理,D/A转换的基本原理涉及到代数基本定律，即任意一个非负整数A，总可以用一个t进制数表示为
2、：,A= antn+an-1tn-1+a1t1+a0t0,因此可用线性元件组成的网络来实现解码,1基本公式,为所有电阻均接地时的并联等效电阻，称为t进制加权网络的特征电阻。显然，这是一个等比级数和的倒数，即：,其中：,一、解码原理（续）,当n时有,式中,2推导过程,在电子系统中，一般t2，即二进制加权网络，如图所示。在n时该网络的特征电阻为：,于是，当有一个电阻2iR接VR时，VO可表示为,2推导过程（续）,显然，当有一个以上电阻分别在i、j、k、s、p等位上接VR时，VO的值可用叠加定理求得,如果用ai (i0，1，2，n-1)为“0”表示i位电阻接地。ai为“l”表示i位电阻接VR，则有,
3、这就实现了由代数基本定律到D/A转换的基本原理及过程,将上式代入可得：,二、D/A转换器的基本结构,1权电阻网络D/A转换器,解码网络 由电阻网、受数字控制的模拟开关、基准源VR三部分构成。,解码网的特点 每位一个电阻，称为位电阻，n位需n个电阻；取值上（电阻），按二进制整数代码权的规律取值：20.R、21.R 、 、2n-1.R ，例如n=8，R=15K，则位电阻依次为： 20.15K 、21.15K 、 27.15K ； 模拟开关 每位一个开关，分别由各自数字量控制其切换，“1”接，“0”接地，是电压型开关，各路切换的电流不同，IOI最大（电阻为R）， ION最小（电阻为2n-1.R ）；
4、 基准源VR,2.运算放大器的工作特点和原理,运算放大器的特点 开环放大倍数非常高，因此运算放大器所需要的输入电压非常小。 输入阻抗非常大，这样输入电流也极小。 输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大,Vi,Vo,虚地的概念,同相端,反相端,在输入端，由于输入电压Vi十分小，既输入点的电位和地的电位差不多，所以，可以认为输入端和地之间近似短路； 另一方面，输入电流也非常小，这说明又不是真的和地短路。 把这种输入电压近似为0、输入电流也近似为0的特殊情况称为虚地。,R1,运算放大器的原理,Ii,+,-,V1,RO,VO,R2,R3,R4,V2,V3,V4,I1,I2,I3,I4,在图A中，由于G
5、点为虚地，所以输入电流 Ii= Ui/ Ri，又由于输入阻抗极大，可以认为输入电流Ii全部流过Ro，则 UO=- Ro. Ii = - Ro . Ui/ Ri 可得运算放大器的放大倍数为： UO / Ui = - Ro / Ri 图B所示，对于输入端具有4个支路的运算放大器，输出电压为 UO =- （ I1 + I2 + I3 + I4） Ro,图A,图B,3.由T型电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器,+,-,VREF,VO,R,2R,4R,8R,D3,D2,D1,D0,VREF 是一个有足够精度的标准电源,4个支路的断开和闭合，表示4位00001111的变化，就可在输出端得到一个阶梯波电
6、压。,4. D/A的性能参数和术语,分辨率（Resolution） 单位数字量所对应模拟量增量。分辨率=1/（2n-1)，其中n为二进制数位的数目。 精度（Accuracy） 分绝对精度（Absolute Accuracy）和相对精度（Relative Accuracy） 绝对精度（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理想输出值之差。它是由D/A的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合引起的。 绝对精度和标准电源的精度、权电阻的精度有关 相对精度指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出与它的理论值之差。,线性误差和微分线性误差
7、 分线性误差和微分线性误差，由于种种原因，D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。 一个理想的D/A，其任意两个相邻的数字码所对应的模拟输出值之差应恰好是一个LSB所对应的模拟值。如果大于或小于1个LSB就是出现了微分线性误差，其差值就是微分线性误差值。,4. D/A的性能参数和术语（续）,数据转换器的温度系数 分温度系数和增益温度系数 建立时间（Settling Time） 这是D/A的一个重要性能参数，通常定义为：在数字输入端发生满量程码的变化以后，D/A的模拟输出稳定到最终值1/2LSB
8、时，所需要的时间。 电源敏感度（Power Supply Senstivity） 输出电压一致性（顺从性）（Output Voltage Compliance）,4. D/A的性能参数和术语（续）,5. T型权电阻网络,在集成电路，采用T型电阻网络来代替单一的权电阻支路，整个网络只需要R和2R两种电阻，各个电阻的特性可以做得很相近，误差问题也可以得到解决,D/A转换器的原理图（1）,Iout2,Iout1,Rfb,Rfb,Vout,+,_,I0,S0,D0,d,2R,2R,R,I3,S3,D3,a,2R,VREF,D/A转换器的原理图（2）,D/A转换器的原理图（3）,VaVREF VbVRE
9、F/2 VcVREF/4 VdVREF/8,I0Vd/2RVREF/（82R） I1Vd/2RVREF/（42R） I2Vd/2RVREF/（22R） I3Vd/2RVREF/（12R）,D/A转换器的原理图（4）,Iout1I0I1I2I3 VREF/2R（1/81/41/21） RfbR VoutIout1Rfb VREF（20212223）/24,Vout（D/2n）VREF,8.2.2 D/A芯片及其与CPU接口,D/A转换芯片可以分为两类，一类芯片内部没有数据输入寄存器，如AD7520，AD7521，DAC0808等，这些芯片不能直接和总线相连。另一类芯片内部有数据输入寄存器，如DA
10、C0832、AD7524等，下面以DAC0832为例着重介绍。,DAC0832芯片,DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片,DAC0832的内部结构,1. DAC0832的数字接口,8位数据输入端 DI0DI7（DI0为最低位） 输入寄存器（第1级锁存）的控制端 ILE 数据允许锁存信号，高电平有效 CS 输入寄存器选择信号，低电平有效，它和ILE信号一起来决定WR1是否起作用 WR1 输入寄存器的写选通信号， WR1必须和CS 、ILE同时有效,DAC寄存器（第2级锁存）的控制端 XFER 传送控制信号，用来控制 WR2 WR2 DAC寄存器的写选通信号， WR2必须和 XFER
11、同时有效,直通锁存器的工作方式,两级缓冲寄存器都是直通锁存器 LE1，直通（输出等于输入） LE0，锁存（输出保持不变）,DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21 输入的数字数据直接进入D/A转换器,DAC0832的工作方式：单缓冲方式,LE11，或者LE21 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）,DAC0832的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处于受控（缓冲）状态 能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据,2. DAC0832的模拟输出,Iout1、Iout2模拟电流输出端 D/A转换器输出电流端之一。DAC锁存的数据位为“1”的位电流均
12、流出此端；当DAC锁存器各位全1时，输出电流最大，全0时输出为0； Iout1和Iout2是一个互补的关系，既Iout1+Iout2=常数 RFB内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相接，芯片内部已提供一个反馈电阻，约15k；,VREF参考电压输入端，此端可以接正电压，也可接负电压，供解码网用；范围为： 10V10V AGND模拟信号地，即模拟电路接地端 VCC电源电压输入端，范围5V15V ，最佳工作状态为 15V DGND数字信号地,单极性电压输出,VoutIout1Rfb （D/28）VREF,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,A,DI,VREF,译 码 器,C
13、S,D7D0,单极性电压输出：例子,设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255/256）5V4.98V D00H时，最小输出电压： Vmin（0/256）5V0V D01H时，一个最低有效位（LSB）电压： VLSB（1/256）5V0.02V,Vout（D/2n）VREF,双极性电压输出：电路,双极性电压输出：公式,取 R2R32R1 得 Vout2（2Vout1VREF） 因 Vout1（D/28）VREF 故 Vout2（D27）/27）VREF,双极性电压输出：例子,设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255128）/1285V4.9
14、6V D00H时，最小输出电压： Vmin（0128）/1285V5V D81H129时，一个最低有效位电压： VLSB（129128/1285V0.04V,Vout（D27）/27）VREF,3. 输出精度的调整,4. 地线的连接,8.2.3 DAC芯片与主机的连接,DAC芯片相当于一个“输出设备”，至少需要一级锁存器作为接口电路 考虑到有些DAC芯片的数据位数大于主机数据总线宽度，所以分成两种情况： 1. 主机位数等于或大于DAC芯片位数 2. 主机位数小于DAC芯片位数,1. 主机位数大于或等于DAC芯片的连接,mov al,buf mov dx,portd out dx,al,DAC0
15、832单缓冲方式,2. 主机位数小于DAC芯片的连接,数字数据需要多次输出 接口电路也需要多个（级）锁存器保存多次输出的数据 并需要同时将完整的数字量提供给DAC转换器,两级锁存电路,简化的两级锁存电路,mov dx,port1 mov al,bl out dx,al mov dx,port2 mov al,bh out dx,al,8.2.4 DAC芯片的应用,mov dx,portd mov al,0 repeat: out dx,al inc al jmp repeat,输出正向锯齿波,1D/A转换器在微机应用中起何作用? 2D/A转换器的分辨率和精度? 3DAC0832有何特点? 4D/A转换器和微处理器接口中的关键问题是什么?如何解决? 5试设计一个CPU和两片DAC0832的接口电路，并编制程序使之能在示波器上显示出正六边形的6个顶点。 6编写用DAC0832转换器芯片产生三角波的程序，其变化范围在010v之间变化。若要在-5+5v之间变化要采用什么措施实现。,习题与思考：,8.3 模/数转换芯片（ADC
