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1、1,第十一章ADDA,模拟/数字与数字/模拟转换技术,2,计算机控制系统组成,3,模数、数模变换,计算机控制系统面对的是现实世界的各种对象。连续物理量：电压、电流、电阻、电功率（电类）。压力、流量、温度、物（液）位，角度、位移量、速度、转矩，成分、颜色、气味、物质结构（非电类 ）。模拟量。不连续的物理量：通、断，满、空，亮、灭，有、无，转、停 两种状态。一个周期出现的次数。开关量，脉冲量。非电类物理量转换成电类物理量，电类物理量转换成数字量。模数变换：连续信号采样序列数字信号。数模变换：数字信号跟踪保持器连续信号。,4,两次近似,过程：连续时间量变成间断的时间序列，连续变化量变成间断变化量（整
2、数，有限个数）连续变成不连续，无限变成有限。过程：时间序列变成连续时间量；但有限的数值变化，不再是连续的变化量。,5,A/D、D/A 的应用,6,A/D转换,传感器：一次仪表，信号检测；二次仪表，非电量转换成电量信号。放大器：将电量信号转换成标准电量信号（模拟信号）。A/D变换器：将模拟信号转换成数字信号。（采样， 转换，保持）I/O接口：并行或串行接口，将数字量输入CPU。,7,D/A转换,I/O接口：并行或串行接口，将数字量从CPU输出。D/A变换器：数字量转换成模拟量，并具有保持功能。在一下次CPU输出前保持不变 。当CPU输出新数字量后，立即变为新值，并保持新值不变。通常D/A变换器具
3、有0阶保持器特性。变换：将D/A变换器输出的标准电信号转换成相应的物理量。(电信号，气信号，液压信号等)，以及进行功率放大。执行机构：对生产过程控制的实施者。,8,运算电路（加法）,If=Ia+Ib+IcVo=-Rf(Va/Ra+ Vb/Rb+Vc/Rc)Ka=Rf/Ra Kb=Rf/Rb Kc=Rf/RcVo=-(KaVa+KbVb +KcVc),9,加权电流法原理,令Va=Vb=Vc=Vref, Ra = R， Rb=2R，Rc=4R， (=)得: Vo=-(VrefRf/R)(1+1/2+1/4+),10,加权电流法原理,当bi = 1，接电源，当bi = 0，接地。这种方法输出模拟量的
4、精度，完全由电阻的精度确定，图中的电阻称权电阻。所有权电阻组成权电阻网络。加权电流法要求权电阻网络中的电阻值要精确成比例。要求采用精密电阻。电阻种类多，阻值变化范围大。一般不容易做到很高精度，较少采用。,11,梯形网络法,改变权电阻网络的结构，减少电阻的种类从权电阻网络任一节点看，其阻抗均为R:R，因此，从左到右，每一个节点的电位均是它前一节点的1/2。这种方法的变换精度可以很高，因为所用电阻只有两种阻值(R和2R)。DAC和ADC中最常用。,12,梯形网络法,13,D/A转换器的性能指标,分辨率：常用DAC的位数表示 。分辨率通常用二进制位数表示，如分辨率为8位的DAC能给出满量程电压的1/
5、256的分辨能力。 精度：实际输出值与理想输出值之间存在的偏差 。失调误差：指输入数字量全部是0时，模拟量的实际输出值与理想输出值之间的偏差 增益误差：指输入数字量全部是1时，模拟量的实际输出值与理想输出值之间的偏差 可通过外电路调整补偿,14,D/A转换器的性能指标（2）,线性误差：指D/A转换器的实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差 线性误差 = （|实际值 理想值|）/分辨率。建立时间：指从D/A变换器输入端数字量发生变化，到模拟量输出端达到稳定值所需要的时间。反映了D/A变换器的速度。温度系数：温度系数是指在规定的温度范围内，温度每变化1时，失调、增益、线性度等参数的变化量
6、,15,DAC0832特性,1）电流输出型D/A变换器；2）数字量输入具有双重缓冲功能，且可有双缓冲、单缓冲或直通三种工作方式；3）微处理器直接接口；4）输入数据的逻辑电平满足TTL电平规范；5）分辩率为8位，满量程误差为1LSB，转换时间(建立时间)1S，参考电压10V。单电源+5V +15V工作，功耗20mW。,16,DAC0832结构及引脚信号,17,DAC0832结构及引脚信号,ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效，与CS联合，允许WR1WR1：8位输入寄存器写选通信号，输入，低电平有效。 WR2：DAC寄存器写选通信号,与XFER联合,将数据从输入寄存器写入DAC寄存器。XFE
7、R：数据传送信号 ，为WR2的使能信号,18,其它引脚信号,DI7 DI0：数据输入（数据总线）。IOUT1、IOUT2：电流输出端，IOUT1+IOUT2=常数。并且IOUT1端输出电流与DAC寄存器中数据成正比，当数据为全0， IOUT1=0；当数据为全1， IOUT1电流达最大。RFB：反馈信号输入端。 片内有电阻，与外接运算放大器电压输出直联，不需外加电阻。VREF：基准电源输入端。 外部提供的精密稳压电源。为内部R-2R梯型网络提供电源。 VREF范围在-10V+10V可选。,19,DAC0832电源与地线,VCC：电源，+5V +15V，+15V性能更好。引脚3为模拟地端AGND
8、，引脚10为数字地DGND。引脚3上的电位应与输出电流（IOUT1、IOUT2）相同，它会影响输出线性性。,20,DAC0832结构,DA转换器：R-2R梯形电阻网络组成。其中开关由DAC寄存器输出组成。DAC寄存器为0，相应开关处于“0”位置。,21,DAC0832结构,双缓冲结构：输入寄存器、DAC寄存器。都为8位并行输入，并行输出寄存器。输入寄存器输出与DAC寄存器相联，数据输入受内部LE2控制。输入寄存器输入与系统数据总线相联，数据输入受内部LE1控制。通过外部控制信号不同组合，有不同的工作方式。双缓冲、单缓冲、（直通）。,22,DAC0832结构及引脚信号,23,DAC0832与CP
9、U连接,DAC0832没有地址线，只有片选信号CS，只要CS为低即选中。DI7DI0接数据总线DAC0832写控制逻辑相对复杂，有两个写信号， 其中WR2与XREF控制写DAC寄存器。 WR1、ILE和CS控制写输入寄存器。CS为片选，接译码器，ILE有两种接法： 1 接电源（+5V），这时， 2 接地址线A0，当CS为低，且ILE（A0）=1。可与DAC1230（12位DA兼容）。,24,25,DAC0832的工作方式,双缓冲工作方式 双缓冲工作方式是指两个寄存器分别受到控制，当ILE、CS和WR1信号均有效时，8位数字量写入输入寄存器，而未写入DAC寄存器。当XFER和WR2信号均有效时，
10、才将输入寄存器的数据写入DAC寄存器，并开始A/D转换。双缓冲工作方式主要用于需要多路同步输出的情况。,26,27,DAC0832的工作方式,2单缓冲工作方式 单缓冲工作方式是指将一个寄存器的有关控制信号预先设置成永远有效，使之直通，而只用一个寄存器完成D/A转换控制；或将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。当CPU写输入寄存器时，直接写入DAC寄存器。控制信号的连接有许多不同的选择，如ILE仍可接A0，与DAC1230兼容。或接高电平。CS与XREF同接片选，或XREF接地，WR1与WR2并联，接WR， WR1与WR2 之一接WR ，另一接地。或者XREF、WR1、WR2
11、三者并联接WR。等等，只要符合逻辑都可以。,28,DAC0832单缓冲方式连接,29,DAC0832的工作方式,3 单极性和双极性电压输出 DAC0832是电流输出型D/A转换器。内部阻抗较大，无法直接驱动负载，必须外加变换电路。 要得到模拟电压输出，需外加I/V转换电路。 常用运算放大器实现单极性电压输出电路 。并且为反相输出(a)。此时要得到正输出电压，VREF要采用负电源。 采用两级运算放大器，可实现双极性电压输出(b)。 此时，VREF要采用正电源。,30,DAC0832的工作方式,31,单极性电压输出,假定反馈电阻Rfb=R,当输入DI=0，IOUT1=0，VOUT=0，当DI=80
12、H，输入电阻=2R，VOUT=VREF/2当DI=0FFH，输入电阻网络=R，VOUT VREF,32,单极性输出电路输出电压为,VOUT= ( D/256 )*VREF因为IOUT1接运算放大器的反相输入端，所以式中有一个负号。如果基准电压VREF = -5V，当输入0255时，图(a)的输出电压为0 4.98vVOUT = -IOUT*RFB = -(VREF / R)*(D/28)*RFB = - VREF*(D/256) VREF可正，可负。若要得到正输出电压， VREF为负电压。,33,双极性输出电路的输出电压,选择R2=R3=2R1，可以得到VOUT2 = -（2VOUT1+VRE
13、F）= -2*(D/256)*VREF + VREF =（D-128）/128VREF在上面的电路中，如果基准电压VREF = 5V，当D=0时，图(b)的输出电压为 -2.5V，当D=128时，输出电压为0V，当D=255时，输出电压为2.48V。,34,A/D变换原理 （计数器式）,A/D变换器的工作原理与D/A变换器非常相似。由计数器、D/A转换器和比较器组成计数式A/D变换器。,35,计数式 A/D变换,36,计数器式A/D变换原理,比较器同相输入接未知模拟输入，反相端接D/A输出（电压输出）。计数器的输出作为数模（D/A）变换器的输入。计数器由零开始计数，DAC输出一个逐步升起的电压
14、，根据图中连接，比较器对两个电压进行比较。当DAC电压超过输入模拟电压时，比较器输出变低，停止计数器计数。此时，DAC的输出电压值就是模拟量的近似值，而计数器的值，为模拟输入电压的数字值，偏差在最小数字位代表的电压当量以下。理论上，平均误差为1/2LSB。,37,逐次逼近式 A/D变换,计数器式用最低位加1计数，由于电压不同，每次转换时间不一样,平均转换时间为2n-1次计数时间。转换速度慢。逐次逼近式 A/D变换同样由寄存器、D/A转换器和比较器组成。逐次逼近式从最高位比较开始。,38,逐次逼近式 A/D变换,转换前，寄存器各位清除为0。转换开始，寄存器的最高位置1，使DA变换器权电阻网络最高
15、位接DAC放大器的输入端，DAC输出值与被测的模拟值进行比较，如果DA输出“低于”未知电压（比较器输出为高），则1被保留；反之，则1被清除。然后将下一位置1，重复上述过程，根据比较器输出，决定保留还是舍弃该位，逐位进行比较，直至最低位。此时，寄存器中的数值就是A/D转换的结果。对n位ADC来讲，逐次逼近式只要n次比较，就可完成转换 。转换速度较快，是最常见的A/D变换器原理。,39,ADC0809芯片,CMOS工艺的8位逐次逼近式ADC转换时间为100s 内部一个A/D变换器8个模拟输入通道，可对8路信号进行模数变换。 三态输出锁存,40,ADC0809芯片,41,ADC0809芯片引脚信号,
16、IN7IN0：模拟量输入通道。接外部模拟电压信号。D7D0：A/D变换结果，数字量输出，三态。接系统数据总线。ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道选择。接系统地址总线。 ADC0809的引脚信号比较特别，无片选信号，只有通道选择，要组合片选信号。 START：启动转换。 EOC：工作状态标志，输出。低电平，正在转换；高电平，转换结束。可作为中断请求信号。OE：输出允许，高电平有效。有效时A/D结果出现在数字量输出引脚端。接系统IOR。,42,ADC0809芯片引脚信号,ALE： 地址锁存信号，输入，高电平有效。接系统IOW。一般可与START连接，送入地址信号同时，启动转换过程。注意：许多芯片的IOR、IOW为低电平有效，这里为高电平有效CLK： 转换时钟，10kHz1280kHz，典型值 640kHz。VREF+，VREF-：参考电压。 要求VREF+ 不高于VCC（+0.3V）；VREF-不低于地电位。一般情况，接地，此时它成为模拟地。要求采用稳定电压源。,
