單片機ADC,DAC,專用ADC,DAC介紹

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

1.3模數(shù)轉換器(ADC)傳感器(溫度、壓力、流量等模擬量）A/D計算機（數(shù)字量）顯示器D/A執(zhí)行部件（模擬量控制）打印機1.1概述能夠將模擬量轉換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC。能夠將數(shù)字量轉換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉換器，簡稱D/A轉換器或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的應用：D/A轉換器實質上是一個譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關系。UREF為參考電壓。一、D/A轉換器的基本工作原理1.2數(shù)模轉換器D/A轉換器是將輸入的二進制數(shù)字量轉換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。uO＝DnUREF

將輸入的每一位二進制代碼按其權值大小轉換成相應的模擬量，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，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。1.2數(shù)模轉換器即：D/A轉換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對應的各分模擬電壓之和。D/A轉換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關、參考電壓、解碼網(wǎng)絡和求和電路等組成。1.2數(shù)模轉換器數(shù)碼緩沖寄存器n位數(shù)控模擬開關解碼網(wǎng)絡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)碼驅動對應數(shù)位上的電子開關，將在解碼網(wǎng)絡中獲得的相應數(shù)位權值送入求和電路；求和電路將各位權值相加，便得到與數(shù)字量對應的模擬量。二、D/A轉換器的分類1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器虛短虛斷運算放大器總的輸入電流為運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，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。特點：

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Dn=Dn-1…D0=0時，uO=0；當Dn=Dn-1…D0=11…1時，。2倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器參考電壓UREF供出的總電流為：分流：流入求和點的各支路電流為：流入求和點的電流為：虛斷，運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，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的特點：

①優(yōu)點：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不存在時間差，提高了轉換速度。②應用：它是目前集成D/A轉換器中轉換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡。3

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

分辨率越高，轉換時對輸入量的微小變化的反應越靈敏。而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關，n越大，分辨率越高。1.分辨率三、D/A轉換器的主要技術指標①D/A轉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轉換器的分辨率；②可用D/A轉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.轉換精度D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。3.轉換速度

從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)定值相差±0.5LSB范圍內所需要的時間，稱為建立時間tset。目前單片集成D/A轉換器（不包括運算放大器）的建立時間最短達到0.1微秒以內。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數(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轉換器，由于其片內有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機接口。DAC0832以電流形式輸出，當需要轉換為電壓輸出時，可外接運算放大器。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內部結構及引腳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)，提高了轉換速度；也可在多個轉換器同時工作時，實現(xiàn)多通道D/A的同步轉換輸出。（c）直通方式：輸出隨輸入的變化隨時轉換。C8051單片機內部DACC8051內部有一個10位電流模式數(shù)/模轉換器（IDAC)。IDAC的最大輸出電流可以有三種不同的設置：0.5mA,1mA和2mA。用IDA0EN位來使能或禁止IDAC。當IDA0EN被設置為0時，IDAC引腳(P0.1)作為GPIO引腳使用；當IDA0EN被置為1時，IDAC引腳的數(shù)字輸出驅動器被自動禁止，該引腳被連到IDAC的輸出。當IDAC被使能時，內部的帶隙偏置發(fā)生器為其提供基準電流。IDA0輸出更新IDA0具有靈活的輸出更新機制，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轉換器應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轉換器AD7520、運算放大器A和四線-十線譯碼器組成。DAC接到運算放大器的輸出端和反相輸入端。運算放大器的輸出電壓作為AD7520的參考電壓，D/A轉換器的輸出電流IO被送回到運算放大器的反相輸入端。2023/2/4東北大學信息學院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東北大學信息學院30所以：

因為：放大器的電壓放大倍數(shù)為：因為四線—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)，從而達到了增益數(shù)字控制的目的。

A/D轉換是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，轉換過程通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。1.3模數(shù)轉換器一、A/D轉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，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。1.3模數(shù)轉換器①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內，VT導通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結束，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

場效應管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，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，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)轉換器1)只舍不入法

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

max|=Δ

/2。可見，它的誤差要小。二、A/D轉換器的分類直接ADC：將輸入模擬電壓直接轉換為輸出的數(shù)字量的轉換方式。間接ADC：先將輸入模擬電壓轉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

計數(shù)型逐次逼進型

*雙積分型（即V-T變換型）*

V-F變換型1并聯(lián)比較型A/D轉換器優(yōu)點：轉換速度非常高，缺點：隨著分辨率的提高，比較器、觸發(fā)器和有關器件按幾何級數(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逐次漸進型A/D轉換器優(yōu)點：電路簡單，速度較快；是目前集成ADC用的最多的電路缺點：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轉換器優(yōu)點：抗干擾力強，穩(wěn)定性好缺點：轉換速度低適用場合：低速、高分辨率的場合。三、A/D轉換器的主要技術指標1.分辨率分辨率指A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進制數(shù)輸出的A/D轉換器應能區(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.轉換時間轉換時間是指A/D轉換器從接到轉換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。

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

它表示A/D轉換器實際輸出的數(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入比較器；②發(fā)出A/D轉換啟動信號START，在START的上升沿將SAR清0，轉換結束標志EOC變?yōu)榈碗娖?，在START的下降沿開始轉換；③轉換過程在時鐘脈沖CLK的控制下進行；④轉換結束后，EOC跳為高電平，在OE端輸入高電平，從而得到轉換結果輸出。3.ADC0809引腳功能IN0～IN7：8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位二進制數(shù)碼輸出。

OE：輸出允許信號，高電平有效。即當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(-)：基準電壓的正端和負端。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轉換過程。EOC：轉換結束標志輸出信號。在START信號上升沿之后EOC信號變?yōu)榈碗娖剑划斵D換結束后，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ADRJ=0時，如果取10位結果，則按下面公式計算：10-bitA/DConversionResult:(ADC▁RES[7:0],ADC▁RESL[1:0])=1023X當ADRJ=0時，如果取8位結果，則按下面公式計算：10-bitA/DConversionResult:(ADC▁RES[7:0],ADC▁RESL[1:0])=255X當ADRJ=0時，如果取10位結果，則按下面公式計算：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為單片機實際工作電壓，用單片機工作電壓作為模擬參考電壓A/D轉換器應用舉例A/D轉換在數(shù)字式儀表、數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)中必不可少的一個部件。計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)中是非常重要的?，F(xiàn)以計算機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例說明如何在計算機控制下對模擬信號進行采集和處理。下圖為一典型的八路計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。系統(tǒng)由傳感器、多路開關、采樣-保持電路、可編程增益控制放大器、A/D轉換器和微處理器構成。整個系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線進行通信。所謂總線就是系統(tǒng)中各部件公用的一組導線，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、微處理器和隨機存取存儲器RAM。控制總線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換成與其成正比的模擬電壓，然后經(jīng)ADC轉換成數(shù)字量。微處理器按一定時間間隔周期性地向各檢測點發(fā)出采集命令，將各檢測點所采集的數(shù)據(jù)送入微處理器進行處理。經(jīng)處理后的信號送到控制