数字量和模拟量的相互转换ppt.pptx

数字量和模拟量的相互转换AD转换A/D转换器原理nA/D转换器就是用来通过一定得电路将模拟量转变为数字量。n模拟量可以就是电压、电流等电信号,也可以就是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前,输入到A/D转换器得输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。nA/D转换后,输出得数字信号可以有8位、10位、12位与16位等。A/D转换器主要方法1)积分型(如TLC7135)积分型AD工作原理就是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值。其优点就是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点就是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期得单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。2)逐次比较型(如TLC0831、ADC0809)逐次比较型AD由一个比较器与DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点就是速度较高、功耗低,在低分辩率(12位)时价格很高。A/D转换器主要方法3)并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)n并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型。由于转换速率极高,n位得转换需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高得领域。n串并行比较型AD结构上介于并行型与逐次比较型之间,最典型得就是由2个n/2位得并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Halfflash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换得叫做分级(Multistep/Subrangling)型AD,而从转换时序角度又可称为流水线(Pipelined)型AD,现代得分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小。A/D转换器主要方法4)-(Sigma?/FONTdelta)调制型(如AD7705)-型AD由积分器、比较器、1位DA转换器与数字滤波器等组成。原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处理后得到数字值。电路得数字部分基本上容易单片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音频与测量。5)电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。一般得电阻阵列DA转换器中多数电阻得值必须一致,在单芯片上生成高精度得电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近得逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式得。A/D转换器主要方法6)压频变换型(如AD650)压频变换型(Voltage-FrequencyConverter)就是通过间接转换方式实现模数转换得。其原理就是首先将输入得模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD得分辨率几乎可以无限增加,只要采样得时间能够满足输出频率分辨率要求得累积脉冲个数得宽度。其优点就是分辩率高、功耗低、价格低,但就是需要外部计数电路共同完成AD转换。AD转换器得主要技术指标1)分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号得变化量,定义为满刻度与2n得比值。分辩率又称精度,通常以数字信号得位数来表示。n1 LSB定义为VREF2n,定义中得VREF就是指参考电压,而n则就是模拟数字转换器得分辨率。例如,14位模拟数字转换器得1 LSB就是VREF16384。2)转换速率(ConversionRate)就是指完成一次从模拟转换到数字得AD转换所需得时间得倒数。积分型AD得转换时间就是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD就是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则就是另外一个概念,就是指两次转换得间隔。为了保证转换得正确完成,采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也就是可以接受得。常用单位就是ksps与Msps,表示每秒采样千/百万次(kilo/MillionSamplesperSecond)。AD转换器得主要技术指标3)量化误差(QuantizingError)由于AD得有限分辩率而引起得误差,即有限分辩率AD得阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD(理想AD)得转移特性曲线(直线)之间得最大偏差。通常就是1个或半个最小数字量得模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。4)偏移误差(OffsetError)输入信号为零时输出信号不为零得值,可外接电位器调至最小。AD转换器得主要技术指标5)满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应得输入信号与理想输入信号值之差。6)线性度(Linearity)实际转换器得转移函数与理想直线得最大偏移,不包括以上三种误差。其她指标还有:绝对精度(AbsoluteAccuracy),相对精度(RelativeAccuracy),微分非线性,单调性与无错码,总谐波失真(TotalHarmonicDistotortion缩写THD)与积分非线性。逐次逼近法得工作原理n逐次逼近式A/D就是比较常见得一种A/D转换电路,转换得时间为微秒级。n采用逐次逼近法得A/D转换器就是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成,如下图所示。逐次逼近法得工作原理逐次逼近法转换过程就是:初始化时将逐次逼近寄存器各位清零;转换开始时,先将逐次逼近寄存器最高位置1,送入D/A转换器,经D/A转换后生成得模拟量送入比较器,称为o,与送入比较器得待转换得模拟量i进行比较,若oi,该位1被保留,否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1,将寄存器中新得数字量送D/A转换器,输出得o再与i比较,若oi,该位1被保留,否则被清除。重复此过程,直至逼近寄存器最低位。转换结束后,将逐次逼近寄存器中得数字量送入缓冲寄存器,得到数字量得输出。逐次逼近得操作过程就是在一个控制电路得控制下进行得。A/DA/D转换器转换器08090809ADC0809ADC0809转换器得结构转换器得结构nADC0809就是CMOS集成电路得逐次逼近型A/D转换器,其精度为8位,双列直插式28引脚封装。由模拟多路转换器,A/D转换器,三态输出锁存及地址锁存译码器等组成,见下图。ADC0809得引脚功能得引脚功能IN0IN7:8个输入通道得模拟量输入端 D0D7:8位数字量输出端START:START为启动控制输入端;ALE:ALE为地址锁存控制信号端;这两个信号端可以连接在一起,当通过程序输入一个正脉冲时,便立即开始模/数转换 EOC,OE:EOC为转换结束脉冲输出端;OE为输出允许控制端;这两个信号端可连接在一起,表示模/数转换结束,EOC端得电平由低变高,打开三态输出锁存器将转换结果得数字量输出到D0D7端。CLOCK:时钟输入端 VREF(+),VREF(-),VCC,GND A,B,C:8 路模拟开关得三位地址输入端。地址与输入通道得对应关系如下:ABC 通通 道道000001111IN1IN0IN7MCS-51MCS-51与与ADC0809ADC0809得硬件连接得硬件连接 ADC0809为多通道A/D转换芯片,适用于多通道得数据采集。下图为ADC0809与CPU在中断方式下得接口电路 图中ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口,采用线选地址方式。设ADC0809得口地址为FEFFH,采用中断控制方式,由外部中断1得服务程序读取转换结果并启动下一次转换。其程序如下:0809得初始化程序 INT1:SETB IT1 SETB EA SETB EX1 MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H MOVX A,DPTR;启动0809对INT1得转换 其中断服务程序如下其中断服务程序如下PINT1PINT1:MOV DPTRMOV DPTR,#0FEFFH#0FEFFH MOVX A MOVX A,DPTR ;DPTR ;读读A/DA/D转换结果送转换结果送50H50H单元单元 MOV 50HMOV 50H,A A MOV A MOV A,#00H#00H MOVX DPTR MOVX DPTR,A ;A ;启动启动08090809对对INT1INT1得转换得转换 RETIRETIDA转换 将模拟信号转换成数字信号得过程称为模数转换(Analog to Digital),或称A/D转换。能够完成这种转换得电路称为模数转换器(Analog Digital Converter)简称ADC。将数字信号转换为模拟信号得过程称为数模转换(Digital to Analog),或称D/A转换。能够完成这种转换得电路称为数模转换器(Digital Analog Converter),简称DAC。模拟信号与数字信号之间得转换过程,如下图所示。DA转换得基本原理转换得基本原理对于有权码,先将每位代码按其权得大小转换成相应得模拟量,然后将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比得总模拟量,从而实现了数字/模拟转换。DAC得基本原理得基本原理权电阻网络DAC(weighted resistance DAC)(1)电路图上图就是一个四位权电阻网络DAC。主要包括四部分:参考电压源UREF、模拟开关S0S3、电阻译码网络、求与运算放大器。(2)工作原理设输入一个四位二进制代码Dd3d2d1d0,S3S0为受控制得双向开关。根据图可得,流入求与运算放大器输入端得电流为:设反馈电阻RFR/2,求出电路输出电压为:所以,电路得输出电压u0与输入得四位二进制代码成正比:依此类推,n位权电阻网络DAC得求与运算放大器输入端电流、输出电压表达式分别为:若输入一个四位二进制代码Dd3d2d1d01010,转换成十进制为10,根据上述转换方法,电路得输出电压为:由此可知,当Dn0时,u00;当Dn1111时,输入n位二进制代码得取值范围为:D/A转换器性能指标(1 1)分辨率分辨率:当输入数字发生单位数码变化时当输入数字发生单位数码变化时,即即LSBLSB位产生位产生一次变化时一次变化时,所对应得输出模拟量所对应得输出模拟量(电压或电流电压或电流)得变化得变化量。量。(2 2)量程与实际满量程量程与实际满量程:标称满量程标称满量程(NFSNFS)就是指相应于数就是指相应于数字量指标值字量指标值2 2n n得模拟输出量。但实际数字量最大为得模拟输出量。但实际数字量最大为2n-2n-1 1,要比标称值小一个要比标称值小一个LSBLSB,因此实际满量程因此实际满量程(AFSAFS)要比标要比标称满量程称满量程(NFSNFS)小一个小一个LSBLSB得增量。得增量。(3 3)精度精度:D/AD/A转换器得转换精度与转换器得转换精度与D/AD/A转换芯片得结构与接转换芯片得结构与接口配置得电路有关。一般口配置得电路有关。一般,D/AD/A转换器得转换精度即为分转换器得转换精度即为分辨率得大小。辨率得大小。(4 4)建立时间建立时间:输入数字量变化后模拟输出量稳定到相应数输入数字量变化后模拟输出量稳定到相应数值范围内所需得时间值范围内所需得时间(tsts)。(5 5)尖峰尖峰:输入码发生变化时刻产生得瞬间误差。输入码发生变化时刻产生得瞬间误差。n分辨率得定义分辨率得定义:最小输出电压与最大输出电压最小输出电压与最大输出电压所对应得数字量之比。所对应得数字量之比。n如如10位位D/A转换器转换器:n 分辨率分辨率=1/(2101)=1/1023=0、001n反映了反映了D/A转换得灵敏度。转换得灵敏度。DAC0832得主要参数分辨率为8位,转换时间为1s,满量程误差为1LSB,参考电压为(+10-10)V,供电电源为(+5+15)V,逻辑电平输入与TTL兼容。D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC08321 1、DAC0832DAC0832得管脚定义得管脚定义 DAC0832得逻辑结构及管脚号如图所示。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成。为20脚双列直插式封装结构。DAC0832各管脚得功能描述如下:DI0-DI7:8位数据输入端;ILE:数据允许锁存信号;/CS:输入寄存器选择信号;/WR1:输入寄存器写选通信号,输入寄存器得锁存信号由ILE、CS、WR得逻辑组合产生,LE1为高电平时,输入寄存器状态随输入数据线变化,LE1得负跳变将输入数据锁存;/XFER:数据传送信号;/WR2:DAC寄存器得写选通信号。DAC寄存器得锁存信号LE2由XFER与WR2得逻辑组合而成。LE2为高电平时,DAC寄存器得输出随寄存器得输入而变化,LE2得负跳变时,输入寄存器得内容打入DAC寄存器并开始D/A转换;VREF:基准电源输入端;RFB:反馈信号输入端;IOUT1:电流输出端1,其值随DAC得内容线性变化;IOUT2:电流输出端2,IOUT1+IOUT2=常数;VCC:电源输入端;AGND:模拟地;DGND:数字地。DAC0832DAC0832与与MCS-51MCS-51单片机得接口方法单片机得接口方法(1 1)单缓冲器方式接口单缓冲器方式接口 图9-46就是单缓冲方式接口电路。将ILE接+5V,寄存器选择信号CS及数据传送信号XFER都与P2、7相连,两级寄存器得写信号都由8031得WR端控制。当地址线选择好0832后,只要输出WR控制信号,0832就能一步完成数字量得输入锁存与D/A转换输出。由于0832具有数字量得输入锁存功能,故数字量可以直接从P0口送入。执行下面几个指令就能完成一次D/A转换:MOV DPTR,#7FFFH;指向0832 MOV A,#data ;数字量装入累加器 MOVX DPTR,A ;数字量从P0口送0832,完 成一次 D/A输入与转换。(2 2)缓冲器同步方式接口缓冲器同步方式接口 对于多路D/A转换接口,要求同步进行D/A转换输出时,必须采用双缓冲器同步方式接法。0832具有这种接法时,数字量得输入锁存与D/A转换输出就是分两步完成得,即CPU得数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换得数字量并锁存在各自得输入寄存器中,然后CPU对所有得D/A转换器发出控制信号,使各个D/A转换器输入寄存器中得数据同时打入DAC寄存器,实现同步转换输出。图9-47就是一个二路同步输出得D/A转换器及接口电路。P2、5与P2、6分别选择两路D/A转换器得输入寄存器,控制输入锁存;P2、7连到两路D/A转换器得XFER端控制同步转换输出;在执行MOVX输出指令时,8031自动输出WR控制信号。双缓冲同步方式接口电路执行下面指令可完成两路D/A得同步转换输出。MOV DPTR,#0DFFFH ;指向0832(1)MOV A,#data1;#data送0832(1)中锁存 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0BFFFH;指向0832(2)MOV A,#data2;#data送0832(2)中锁存 MOVXDPTR,A MOV DPTR,#7FFFH;给0832(1),0832(2)提 MOVX DPTR,A;供WR信号,同时完成D/A 转换输出。3、D/A转换得典型接口电路 两路异步输出得波形发生器接口电路见图9-48。/WR1与8031得/WR相连。图中参考电压为+5V,未画出。8031得其它电路及引脚也被省略。按照图中连线,0832(1)得地址为DFFFH,0832(2)得地址为BFFFH。输出得双极性电压为5V。双极性D/A转换输出可获得反向锯齿波、正向锯齿波与双向锯齿波信号输出,如图9-49所示。反向锯齿波程序清单:(使用0832(1)MOVDPTR,#0DFFFHDA1:MOVR6,#80HDA2:MOVA,R6 MOVX DPTR,A DJNZ R6,DA2 AJMP DA1正向锯齿波程序清单:DA1:MOVDPTR,#0DFFFH MOVR6,#80HDA2:MOVA,R6 MOVXDPTR,A INC R6 CJNE R6,#0FFH,DA2 AJMP DA1双向锯齿波程序清单:MOVDPTR,#0DFFFH MOVR6,#00HDA1:MOVA,R6 MOVX DPTR,A INC R6 AJMP DA1 单路三角波电压输出。执行下列程序,在0832(1)得双极性端输出0+5V变化得三角波。MOVDPTR,#0DFFFHDA1:MOVR6,#80HDA2:MOVA,R6 MOVX DPTR,A INC R6 CJNE R6,#0FFH,DA2DA3:DEC R6 MOV A,R6 MOVX DPTR,A CJNE R6,#80H,DA3 AJMP DA10832得典型应用n编程产生一个1KHZ得锯齿波。n编程产生一个1KHZ得三角波。n编程产生一个1KHZ得正弦波。0832得典型应用n本次实验要求编程分别产生1000HZ得锯齿波、三角波与正弦波。所产生波形得频率(即周期)与程序中送0832转换得指令机器周期有关,如:a1:movxdptr,a2inca1cjnea,#0ffh,a12n该程序中得机器周期为五个,晶振频率为6MHZ时,那执行上述指令就要10us,那要产生1000HZ得方波,就只能向转换器送100个数。n波形与送0832转换得数据有关。锯齿波、三角波都就是线性变化量,只要送0832转换得数据也就是线性变化量即可。正弦波就是随正弦函数变化得,其值可通过以下公式计算得到。0832得典型应用n公式1n公式2n注:N为十进制数,须将其转换为十六进制后再作为DA0832得输入数据。下表就是在一个正弦波周期内取32个数所计算出得输入数据表,若要波形光滑连续,只要在一个周期内取更多得数据送DAC0832转换即可。0832得典型应用表一正弦波输入数据表 0 01111、25252222、5 53333、757545455656、25256767、5 57878、7575N7FH7FH97H97HAFHAFHC6HC6HD9HD9HE9HE9HF5HF5HFCHFCH9090101101、2525112112、5 5123123、7575135135146146、2525157157、5 5168168、7575NFFHFFHFCHFCHF5HF5HE9HE9HD9HD9HC6HC6HAFHAFH97H97H180180191191、2525202202、5 5213213、7575225225236236、2525247247、5 5258258、7575N7FH7FH67H67H4FH4FH38H38H25H25H15H15H09H09H02H02H270270281281、2525292292、5 5303303、7575315315326326、2525337337、5 5348348、7575N00H00H02H02H09H09H15H15H25H25H38H38H4FH4FH67H67H0832得典型应用锯齿波发生器nORG0000HnLJMPMAINnORG0100HnMAIN:MOVDPTR,#0B000HnA2:MOVA,#9BH0832得典型应用nA1:MOVXDPTR,AnINCAnCJNEA,#0FFH,A1nSJMPA2nEND0832得典型应用n2、三角波发生器nORG0000HnLJMPMAINnORG0100HnMAIN:MOVDPTR,#0B000HnMOVA,#0CDHnA1:MOVXDPTR,AnINCAnCJNEA,#0FFH,A1nA2:DECAnMOVXDPTR,A0832得典型应用nCJNEA,#0CDH,A2nSJMPA1nEND0832得典型应用n3、正弦波发生器norg0000hnljmpmainnorg1000hnmain:movdptr,#0b000hna1:movr0,#80hna2:mova,r00832得典型应用nmovxdptr,anincr0nmovr1,#05hna3:djnzr1,a3ncjner0,#a0h,a2nsjmpa1nend