單片機(jī)ADC,DAC,專用ADC,DAC介紹

單片機(jī)ADC，DAC；專用ADC/DAC介紹——張威威2014年11月28日1單片機(jī)ADC,DAC1.1概述1.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)傳感器(溫度、壓力、流量等模擬量）A/D計(jì)算機(jī)（數(shù)字量）顯示器D/A執(zhí)行部件（模擬量控制）打印機(jī)1.1概述能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口.ADC和DAC的應(yīng)用：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關(guān)系。UREF為參考電壓。一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理1.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。uO＝DnUREF

將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。1.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器即：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對應(yīng)的各分模擬電壓之和。D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。1.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)碼緩沖寄存器n位數(shù)控模擬開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)n位數(shù)字量輸入模擬量輸出求和電路參考電壓n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖

數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。二、D/A轉(zhuǎn)換器的分類1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器虛短虛斷運(yùn)算放大器總的輸入電流為運(yùn)算放大器輸出電壓為令RF=R/2，則即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：

電路簡單，器件少。但精度由電阻的精度定，此電路中阻值差別大，對集成不利。因而uO的變化范圍是當(dāng)Dn=Dn-1…D0=0時，uO=0；當(dāng)Dn=Dn-1…D0=11…1時，。2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器參考電壓UREF供出的總電流為：分流：流入求和點(diǎn)的各支路電流為：流入求和點(diǎn)的電流為：虛斷，運(yùn)算放大器的輸出電壓為：令RF=R，則即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：

①優(yōu)點(diǎn)：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點(diǎn)不存在時間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。②應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。3

權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜轉(zhuǎn)換時間短開關(guān)的導(dǎo)通電阻影響不大轉(zhuǎn)換電壓精度高D0Dn-2_+vORFVREF(-)Dn-1II/2nI/22I/2II特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單轉(zhuǎn)換時間短電阻單一對開關(guān)內(nèi)阻要求不高易于集成RvORRRRRRRD0D0D1D1VREFD2D24開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：輸出的精度僅與電容的比例有關(guān)，與電容的絕對值無關(guān)。輸出的穩(wěn)定度不受開關(guān)內(nèi)阻和參考電源的影響。穩(wěn)態(tài)下，電容網(wǎng)絡(luò)不消耗功率。容易集成（cmos可制作電容）轉(zhuǎn)換時間長集成度不高D0Dn-1VREFvOD1S0S1Sn-120CXC0’C0Cn-1C120CX21CX2n-1CXSD5權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換器分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化的敏感程度。分辨率

分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。1.分辨率三、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)－－可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；②可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。2.轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。3.轉(zhuǎn)換速度

從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差±0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時間，稱為建立時間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時間最短達(dá)到0.1微秒以內(nèi)。4.溫度系數(shù)

在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。四、8位集成DAC0832

DAC0832是使用非常普遍的８位D/A轉(zhuǎn)換器，由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。DAC0832以電流形式輸出，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時，可外接運(yùn)算放大器。屬于該系列的芯片還有DAC0830、DAC0831，它們可以相互代換。DAC0832主要特性：分辨率８位；電流建立時間１μS；數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)；邏輯電平輸入與TTL電平兼容；單一電源供電（＋5V～＋15V）；低功耗，20mＷ。

DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳DAC0832的三種工作方式（b）單緩沖方式：適合在不要求多片D/A同時輸出時。此時只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，提高了D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。（a）雙緩沖方式：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時，采集下一個數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度；也可在多個轉(zhuǎn)換器同時工作時，實(shí)現(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。（c）直通方式：輸出隨輸入的變化隨時轉(zhuǎn)換。C8051單片機(jī)內(nèi)部DACC8051內(nèi)部有一個10位電流模式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（IDAC)。IDAC的最大輸出電流可以有三種不同的設(shè)置：0.5mA,1mA和2mA。用IDA0EN位來使能或禁止IDAC。當(dāng)IDA0EN被設(shè)置為0時，IDAC引腳(P0.1)作為GPIO引腳使用；當(dāng)IDA0EN被置為1時，IDAC引腳的數(shù)字輸出驅(qū)動器被自動禁止，該引腳被連到IDAC的輸出。當(dāng)IDAC被使能時，內(nèi)部的帶隙偏置發(fā)生器為其提供基準(zhǔn)電流。IDA0輸出更新IDA0具有靈活的輸出更新機(jī)制，允許無縫滿度變化，支持無抖動波形更新。IDAO有三種更新模式：寫IDA0H、定時器溢出或外部引腳邊沿。IDAC輸出字格式

IDAC輸出數(shù)據(jù)字的高8位被映射到IDA0H的位7-0，而IDAC輸出數(shù)據(jù)字的低兩位被映射到IDA0L的位7和位6.IDA0CN:IDA0控制寄存器IDA0H:IDA0數(shù)據(jù)字高字節(jié)寄存器

位7-0：10為IDA0數(shù)據(jù)字的高8位IDA0L:IDA0數(shù)據(jù)字低字節(jié)寄存器

位7-6：10為IDA0數(shù)據(jù)字的低2位位5-0：未使用D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例可編程增益控制放大器可編程增益控制放大器如圖所示。它由D/A轉(zhuǎn)換器AD7520、運(yùn)算放大器A和四線-十線譯碼器組成。DAC接到運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端。運(yùn)算放大器的輸出電壓作為AD7520的參考電壓，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電流IO被送回到運(yùn)算放大器的反相輸入端。2023/2/4東北大學(xué)信息學(xué)院29數(shù)字式可編程增益控制電路a1=1：IO=21Iia2=1：IO=22Iia3=1：IO=23Iia4=1：IO=24Ii

a5=1：IO=25Iia6=1：IO=26Ii

a7=1：IO=27Iia8=1：IO=28Ii

a9=1：IO=29Iia10=1：IO=210Ii

其中：Ii=Vi/R

VO2023/2/4東北大學(xué)信息學(xué)院30所以：

因?yàn)椋悍糯笃鞯碾妷悍糯蟊稊?shù)為：因?yàn)樗木€—十線譯碼器的十個輸出端只能有一個為1，所以上式可寫作：

其中n=0、1、2、…9，為輸入的二—十進(jìn)制數(shù)字量。例如，輸入的BCD碼為0000時，0號輸出線，a1=1，AV=-21=-2；輸入為1001時，9號輸出線a10=1，AV=－210=-1024。因此，通過改變輸入BCD碼的值就可以改變放大倍數(shù)，從而達(dá)到了增益數(shù)字控制的目的。

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入數(shù)字量輸出

取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。1.取樣和保持1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器取樣過程采樣脈沖輸入模擬信號采樣輸出信號

模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內(nèi)，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。－－保持

場效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運(yùn)算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形

輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器2.量化和編碼

將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq

。用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位Δ，位數(shù)越多，量化等級越細(xì)，Δ就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差ε，即ε=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器1)只舍不入法

當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ時，舍尾取整。這種方法ε總為正值，εmax＝Δ

。2)有舍有入法

當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ/2時，舍尾取整；當(dāng)Uo的尾數(shù)≥Δ/2時，舍尾入整。這種方法ε可正可負(fù)，但是|ε

max|=Δ

/2?？梢姡恼`差要小。二、A/D轉(zhuǎn)換器的分類直接ADC：將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量的轉(zhuǎn)換方式。間接ADC：先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之正比的中間變量（如時間寬度、頻率等），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號。直接ADCADC

間接ADC并聯(lián)比較型

*

反饋比較型

計(jì)數(shù)型逐次逼進(jìn)型

*雙積分型（即V-T變換型）*

V-F變換型1并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度非常高，缺點(diǎn)：隨著分辨率的提高，比較器、觸發(fā)器和有關(guān)器件按幾何級數(shù)增加。使得并聯(lián)比較型ADC的制作成本較高、功耗大。適用場合：高速、低分辨率的場合。2逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，速度較快；是目前集成ADC用的最多的電路缺點(diǎn)：對瞬時值采樣比較，有干擾時誤差大，因此，抗干擾能力不理想3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：抗干擾力強(qiáng)，穩(wěn)定性好缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度低適用場合：低速、高分辨率的場合。三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿量程輸入的1/2n）。2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。①雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；②逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；③并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時間。3.轉(zhuǎn)換誤差

它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。四、8位集成ADC08091.ADC0809特性參數(shù)分辨率：8位精度：8位轉(zhuǎn)換時間：100μs增益溫度系數(shù)：20ppm/℃輸入電平：TTL功耗：15mWADC0809是采用CMOS工藝制成的8位八通道逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。2.ADC0809工作原理①輸入3位地址信號，在ALE脈沖的上升沿將地址鎖存，經(jīng)譯碼選通某一通道的模擬信號進(jìn)入比較器；②發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動信號START，在START的上升沿將SAR清0，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC變?yōu)榈碗娖?，在START的下降沿開始轉(zhuǎn)換；③轉(zhuǎn)換過程在時鐘脈沖CLK的控制下進(jìn)行；④轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC跳為高電平，在OE端輸入高電平，從而得到轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。3.ADC0809引腳功能IN0～I(xiàn)N7：8路模擬電壓輸入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信號。ALE：地址鎖存允許信號輸入，高電平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二進(jìn)制數(shù)碼輸出。

OE：輸出允許信號，高電平有效。即當(dāng)OE=1時，打開輸出鎖存器的三態(tài)門，將數(shù)據(jù)送出。UR(+)和UR(-)：基準(zhǔn)電壓的正端和負(fù)端。CLK：時鐘脈沖輸入端。一般在此端加500kHz的時鐘信號。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，為一正脈沖。在START的上升沿將逐次比較寄存器SAR清0，在其下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換過程。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志輸出信號。在START信號上升沿之后EOC信號變?yōu)榈碗娖?；?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC變?yōu)楦唠娖?。此信號可作為向CPU發(fā)出的中斷請求信號。

當(dāng)ADRJ=0時，如果取10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：10-bitA/DConversionResult:(ADC▁RES[7:0],ADC▁RESL[1:0])=1023X當(dāng)ADRJ=0時，如果取8位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：10-bitA/DConversionResult:(ADC▁RES[7:0],ADC▁RESL[1:0])=255X當(dāng)ADRJ=0時，如果取10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：10-bitA/DConversionResult:(ADC▁RES[7:0],ADC▁RESL[1:0])=1023X式中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例A/D轉(zhuǎn)換在數(shù)字式儀表、數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中必不可少的一個部件。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中是非常重要的。現(xiàn)以計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例說明如何在計(jì)算機(jī)控制下對模擬信號進(jìn)行采集和處理。下圖為一典型的八路計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。系統(tǒng)由傳感器、多路開關(guān)、采樣-保持電路、可編程增益控制放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器構(gòu)成。整個系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線進(jìn)行通信。所謂總線就是系統(tǒng)中各部件公用的一組導(dǎo)線，各部件通過它來傳送或接收數(shù)據(jù)。如圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，與數(shù)據(jù)總線相連的有三個部件：ADC、微處理器和隨機(jī)存取存儲器RAM?？刂瓶偩€用來傳送各部件所需要的控制信號。例如片選信號（CS）、讀出使能信號（RD）、系統(tǒng)時鐘信號、觸發(fā)信號等。傳感器的作用是把被測物理量轉(zhuǎn)換成與其成正比的模擬電壓，然后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。微處理器按一定時間間隔周期性地向各檢測點(diǎn)發(fā)出采集命令，將各檢測點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)送入微處理器進(jìn)行處理。經(jīng)處理后的信號送到控制