第八章ad和 da转换器

《第八章ad和 da转换器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章ad和 da转换器（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、微机原理及其应用,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,作者 丁新民,2007年5月,第八章 A/D和D/A转换器,学习目标,1、识记多路模拟开关、采样、量化和编码、采样保持等基本概念。 2、识记ADC0809、AD574转换器的结构和工作原理。 3、识记DAC0832、AD567转换器的结构和工作原理。 4、理解A/D和D/A转换器的编程及其应用。,第八章A/D和D/A转换器,8.1 A/D转换器 8.2 实现A/D技术的几种方法 8.3 D/A转换器,一、A/D转换器,1. 概述 2. 模拟信号的采样、量化和编码 3. 主要性能指标 4. A/D转换原理 5. A/D转换器的应用,第一节

2、概述,1. 概述,一个以计算机为核心的过程控制系统中，其模拟信号的输入和控制系统，如图8-1-1所示。其中，A/D和D/A转换器分别是模拟量输入和模拟量输出的核心部件，并由此构成一个闭环的实时控制系统。,1. 概述, 传感器 实际应用中，外界输入的各种物理信号，都要经过传感器转换成模拟电流或电压信号，才能被进一步处理。传感器种类很多，有温度、压力、位移、流量、液面、生理、辐射、光学、色谱、霍而等。 放大器 传感器送出的信号往往很微弱，并混有干扰信号，须去除干扰，将微弱信号放大。选用的放大器应具有高精度、高开环增益或高共模抑制比。,1. 概述, 多路模拟开关MUX 处于某种应用的需求，多个被控对

3、象的信号源共用一个取样保持器、一个A/D转换器，这就需要用多路模拟开关MUX来切换。 取样保持器（S/H） 由于A/D转换需要一定的时间，因此对高速的模拟信号取样时，会发生A/D转换还没有结束取样信号就已变化的现象。,1. 概述, A/D转换器和D/A转换器 对取样后的信号进行量化，将模拟信号转换成数字信号称A/D转换。反之，将数字信号变成模拟量输出，即为D/A转换。 微处理机 控制系统中微处理机作为信息采集、加工处理的核心。它可以是单片机也可以是微机或微处理器。,第二节 模拟信号的采样、量化和编码,2. 模拟信号的采样、量化和编码,（1）取样和保持 图8-1-1的计算控制过程中，每隔一定的时

4、间进行一次控制循环。每次的循环过程，需要输入模拟量信息，即对模拟信号取样。取样的信号送往A/D转换成数字信号输入到计算机中，经数据处理得到控制信息，最后经D/A变换输送给被控对象。计算机不断重复上述的循环。计算机每隔一定的时间间隔T逐点取样模拟信号的瞬时值。这个取样的时间间隔T称为取样周期。,2. 模拟信号的采样、量化和编码,（1）取样和保持 如图8-1-2所示，被取样的信号是一个连续的时间函数，设为f（t）；周期性地取f（t）的瞬时值得到的离散信号f（nT）。这个把时间连续信号变成一系列不连续的脉冲过程，称为取样过程或离散化过程。,2. 模拟信号的采样、量化和编码,（2）取样定理 取样周期T

5、是指第n次取样时间t（n）和第n+1次取样时间t（n+1）的时间间隔，即T= t（n+1）- t（n），取样频率是：f = 1/T。 根据香农定理，设随时间变化的模拟信号的最高频率为fmax，只要使取样频率f2fmax，得到的取样信号就不会发生重叠现象。,2. 模拟信号的采样、量化和编码,（3）量化 取样后的信号仍是数字上连续的、时间上是离散的模拟量，若用数字上和时间上都是离散的量化数字量来表示。就是用基本的量化电平q的个数来表示取样的模拟信号。 （4）编码 编码就是对量化后的模拟信号（它一定是量化单位的整数倍）用二进制的不同数字量编码来表示。如使用BCD码、补码、偏移二进制码（移码）等。,第

6、三节 主要性能指标,3. 主要性能指标,（1）精度 精度是指A/D转换器实际输出电压与理论输出电压之间的误差。精度有绝对精度和相对精度之分。通常，精度用最小有效位的分数值来表示。绝对精度指理想条件，一般用A/D转换的数字位数表示，如1/2LSB。若满量程为10V，那么10位A/D转换的绝对精度为1/2LSB=1/2（10103）/1010=4.88mV。相对精度，通常用百分数表示，如10位的A/D转换器，其相对精度是1/10100.1%。,3. 主要性能指标,（2）分辨率 分辨率是指A/D转换器可以转换成数字量的最小模拟电压值，即A/D转换最低有效位所具有的数值。如8位的A/D转换器，分辨率为

7、1/28=1/256。若满量程值为5V，对8位A/D转换器来说，分辨率为5V/28=20mV，如模拟输入低于此值，转换器是不能识别的。实际应用中，常用位数来表示分辨率，如8位、10位或12位A/D转换器，其分辨率也为8位、10位或12位。,3. 主要性能指标,（3）转换时间 转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即启动转换命令时刻到转换结束信号（或输出数据就绪信号）时刻的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。 例如，15位的逐次逼近式A/D转换器，初始建立时间20s、每位的转换时间为2s，芯片总的转换时间是50s，转换率为20KHz。转换时间也被用来作为A/D的执行速度。,3. 主要性能指

8、标,（4）电源变化灵敏度 电源变化灵敏度是A/D芯片的电源电压发生变化时，相对模拟输入量产生的转换误差。一般要求电源电压3%的变化所造成的转换误差，不应超过1/2LSB。 （5）温度系数 温度系数用来表示A/D转换受环境的影响，用每摄氏度温度变化所产生的相对误差来表示，单位为ppm/0C。,第四节 A/D转换原理,4. A/D转换原理,（1）计数器（或伺服）式 计数器式是A/D转换最简单、最廉价的方法。它由一个计数器来控制转换，计数器从零开始计数时，D/A转换器就输出一个逐步上升的梯形电压。这时，输入的模拟电压和D/A转换生成的电压都被送到比较器进行比较，当两者一致或基本一致（在允许的量化误差

9、范围内）时，比较器输出一个指示信号，立即停止计数器计数。此时D/A转换器的输出值是取样信号的模拟近似值，其相应的数字值由计数器给出。,4. A/D转换原理,（2）逐次逼近式 逐次逼近式A/D转换器由一个比较器、D/A转换器和一些控制逻辑构成，如图8-1-3所示。其思想是，将模拟输入信号与 “推测”信号进行比较，调节“推测”信号的增减，逐步使“推测”信号向输入信号逼近。当“推测”信号“等于”输入信号时，即得到A/D转换的输入信号。,4. A/D转换原理,（3）双积分（或双斜）式 双积分式A/D转换器的特点是转换精度高、抗工频干扰能力强，但转换速度较慢。它由比较器、积分器和控制逻辑等电路构成，如图

10、8-1-4（a）所示。双积分式对输入的模拟电压Vx和参考电压作两次积分，转换成与输入电压Vx成比例的时间值来间接测量。由此有称为T-V（时间-电压）型A/D转换器。 将模拟输入电压Vx取样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分。时间到后，电子开关自动切换将Vx极性相反的参,4. A/D转换原理,（3）双积分（或双斜）式 考输入到积分器进行反相积分，到输出为止。从图8-1-4（b）可看出，反相积分时的斜率是固定的，Vx越大、积分器的输出电压也越大、反相积分回到起始值的时间也越长。,4. A/D转换原理,三种常用的A/D转换方式，其各自的特点如表8-1-1所示。,第五节 A/D转换器的

11、应用,5. A/D转换器的应用,（1）ADC 0809转换器简介 ADC 0809采用逐次比较型A/D转换方式，是一个8位八通道的A/D转换器。它的引脚定义如图8-1-5所示，共计28个引脚 。,5. A/D转换器的应用,（2）0809与8031单片机的连接 直接连接法 要给0809一个外部RAM单元地址。可以用地址译码信号来选通控制，产生START信号和OE信号，前者用来启动A/D转换，后者用来把转换结果读入0831。如图8-1-6所示，WR和RD为0831控制信号。,5. A/D转换器的应用,（2）0809与8031单片机的连接 接口连接法 将0809通过并行接口芯片（如8055等）与80

12、31相连接。,5. A/D转换器的应用,（2）0809与8031单片机的连接 例如，图8-1-7所示0809与8031采用中断方式的数据采集。,5. A/D转换器的应用,（2）0809与8031单片机的连接 工作过程如下： 主程序完成初始化后，用MOVX R0, A指令启动A/D，其中R0为0809地址，寄存器A则保留所选模拟通道地址。然后等待A/D转换结束。0809发出EOC信号送到8031外中断INT1。中断服务程序执行MOVX A，R0指令，把转换结果读入8031 。RD信号经或非门产生有效的OE信号，打开0809的输出三态门，把转换结果从P0口读入8031。,5. A/D转换器的应用,

13、（2）0809与8031单片机的连接 设数据区的首地址为30H，0809的地址为0F0H，地址线ADDAADDC接到P0.0P0.2，若模拟地址为00H07H变化。八路模拟输入经A/D转换后，分别存入存储器，程序如下： ORG 0013H ；外中断入口地址 AJMP BINT1 ；转至中断服务程序 主程序： MOV R0，#30H ；数据区首地址 MOV P4，#8 ；8路模拟信号 MOV R2，#0 ；模拟通道IN0,5. A/D转换器的应用,（2）0809与8031单片机的连接 SETB EA ；中断开放 SETB EX1 ；允许外中断 SETB IT1 ；外中断边沿触发 MOV R1，#

14、0F0H ；送0809地址 MOV A，R2 MOVX R0，A ；启动A/D转换 SJMP $ ；等待中断 中断服务子程序： BINT1： MOV R0，#0F0H ；0809地址 MOVX A，R0 ；输入转换结果 MOV R0，A ；存入内存,5. A/D转换器的应用,（2）0809与8031单片机的连接 INC R0 ；数据区指针加“1” INC R2 ；修改模拟通道地址 MOV A，R2 ；下一个模拟通道 MOV R0，A ；启动转换 DJNZ R4，LOOP ；8路未采集完，循环 CLR EX1 ；关中断 LOOP RETI ；中断返回,5. A/D转换器的应用,（3）A/D转换器

15、使用时应注意的问题 使用A/D转换器时，应注意两个问题。 A/D正常转换 模拟输入电压的范围和极性。 取样保持电路的输出连接。 参考电压VREF的设定。 若要求时钟输入，时钟频率如何选取。 启动转换有脉冲和电平两种控制方式。 取样频率与取样保持电路时序配合。,5. A/D转换器的应用,（3）A/D转换器使用时应注意的问题 A/D转换器与CPU的连接 转换器有无数据缓冲器、三态输出能力。 8位以上A/D转换器与数据总线的连接。 分时读取8位以上的数据、判断转换结束。 读取转换数据的方式，如采用查询方式还是中断方式。,二、实现A/D技术的几种方法,1. 采用现有A/D器件开发 2. 选用模拟接口插件卡,第一节 采用现有A/D器件开发,1. 采用现有A/D器件开发,（1）A/D转换器的选择 根据整个控制系统的控制范围和精度选择分辨率。 根据对被控对象的取样要求选择转换速度。 根据A/D转换速度和模拟信号的速度选择取样保持器 。,1. 采用现有A/D器件开发,（1）A/D转换器的选择,表8-2-1展示了常用的部分A/D转换器性能、价格和特点，供选择参考。,1. 采用现有A/D器件开发,（2）A/D转换器的引脚处理 A/D器件的不同电压 工作电压是确保A/D正常工作的电压源。 基