第十六章DA、AD轉(zhuǎn)換技術(shù)

控制理論基礎(chǔ)(II)交通大學(xué)精品課程系列2007課程負(fù)責(zé)人：付莊顧問：王顯正教授第十六章D/A、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)16.1模擬量的輸入輸出通道16.2D/A轉(zhuǎn)換器的作用和主要技術(shù)指標(biāo)16.3典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC083216.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)連接應(yīng)注意的幾點(diǎn)16.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)16.6采樣定理16.7逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器16.8典型芯片ADC080916.1模擬量的輸入輸出通道16.2D/A轉(zhuǎn)換器的作用和主要技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。主要技術(shù)指標(biāo)分辨率絕對(duì)精度相對(duì)精度建立時(shí)間轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出形式分辨率：它表示對(duì)微小輸入量變化的敏感程度，一般用數(shù)字量的位數(shù)來表示。位數(shù)越高，分辨率越高；如8位的D/A，若輸出滿刻度值為10V，則一個(gè)最低有效二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)為39.2mv,占滿度值的0.392％。如10位的D/A，則若輸出滿刻度值為10V，則一個(gè)最低有效二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)為9.78mv,占滿度值的0.0978％。絕對(duì)精度：對(duì)應(yīng)于滿度數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出值與理論輸出值之差。相對(duì)精度：滿度已校準(zhǔn)的情況下，對(duì)于任一數(shù)字量的模擬量輸出與理論值之差。（非線性度）建立時(shí)間：數(shù)字變化量為滿刻度時(shí)，輸出模擬達(dá)到終值所需的時(shí)間。輸出是電流型的D/A建立時(shí)間短，輸出是電壓型的D/A建立時(shí)間長(zhǎng)；轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出形式（電壓或電流、單極性或雙極性）：輸入信號(hào)的形式（并行或串行）。16.3典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832單電源：+5V~+15VVref:-10V~+10V低功耗：20mW；分辨率：8位線性誤差：0.2%(FS);NL誤差：0.4%(FS)建立時(shí)間：1μs溫度系數(shù)：200ppm/℃輸出方式:電流VRef×DRfb×256Iout1＝Iout1＋I(xiàn)out2＝常數(shù)ILE：輸入數(shù)據(jù)允許鎖存信號(hào)，高電平有效；CS輸入寄存器選擇信號(hào)，低電平有效；WR1輸入寄存器的“寫”選通信號(hào)，低電平有效；LE1為高電平鎖存器的輸出隨輸入變化，LE1負(fù)跳變將數(shù)據(jù)存到鎖存器中，LE1為低電平，輸出保持不變；(1)DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖兩級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)輸入輸出XFER：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，低電平有效；WR2：DAC寄存器的“寫”選通信號(hào)，XFER和WR2決定了LE2的電平，LE2為高電平鎖存器的輸出隨輸入變化，LE2負(fù)跳變將數(shù)據(jù)存到鎖存器中，LE2為低電平，輸出保持不變；VREF:基準(zhǔn)電源輸入端；Rfb:反饋信號(hào)輸入端；IOUT1IOUT2：電流輸出端，IOUT1和IOUT2的和為常數(shù)，在單極性輸出時(shí)，IOUT2通常接地；VCC工作電源；DGND：數(shù)字信號(hào)地、AGND為模擬信號(hào)地；ID0~ID7：數(shù)據(jù)輸入端(2)DAC0832的工作方式直通工作方式：輸入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此時(shí)提供給DAC的數(shù)據(jù)，必須來自鎖存端口(LE1=LE2=0)。單緩沖工作方式：控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)跟隨或鎖存數(shù)據(jù)，或只控制這兩個(gè)寄存器之一，而另一個(gè)接成直通方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。雙緩沖工作方式：分別控制輸入寄存器和DAC寄存器，此方式適用于多路D/A同時(shí)輸出的情形：使各路數(shù)據(jù)分別鎖存于各輸入寄存器，然后同時(shí)（相同控制信號(hào)）打開各DAC寄存器、實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。單緩沖方式：用于一路輸出或幾路非同步輸出輸入寄存器與DAC寄存器地址為：7FFFH，WR1/WR2與單片機(jī)的寫信號(hào)連接，CPU對(duì)DAC0832執(zhí)行一次“寫”操作，把一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。單緩沖工作方式的典型應(yīng)用：信號(hào)發(fā)生器鋸齒波MOVDPTR,#7FFFH;MOVA,#00H;LOOP:MOVX@DPTR,A;INCA;AJMPLOOP三角波：MOVDPTR,#7FFFH;MOVA,#00H;UP:MOVX@DPTR,A;INCA;CJNEA,#0FFH,UP;DOWN:DECA;MOVX@DPTR,ACJNEA,＃0H,DOWN;SJMPUP;雙緩沖工作方式：用于多個(gè)DAC0832同步輸出第1片的輸入寄存器的地址為DFFFH,第2片的輸入寄存器的地址為BFFFH,兩片的DAC寄存器的地址都為7FFFH。兩片DAC0832同步輸出的相應(yīng)控制軟件為：1、將待轉(zhuǎn)換的第一個(gè)數(shù)據(jù)NNH送入第1片的DAC0832的輸入寄存器；MOVDPTR,#0DFFFH;MOVA,#0NNH;MOVX@DPTR,A;2、將待轉(zhuǎn)換的第二個(gè)數(shù)據(jù)MMH送入第2片的DAC0832的輸入寄存器；MOVDPTR,#0BFFFH;MOVA,#MMH;MOVX@DPTR,A;3、將分別鎖在兩個(gè)輸入寄存器中的數(shù)據(jù)NN和MM同時(shí)送入各自的DAC寄存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換；MOVDPTR,#7FFFH;MOV@DPTR,A;A的內(nèi)容無關(guān)緊要(3)8位D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的典型連接數(shù)據(jù)線控制線地址線16.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)連接應(yīng)注意的幾點(diǎn)：當(dāng)D/A與單片機(jī)的P0口連接時(shí)，由于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)僅在“輸出”指令的瞬間出現(xiàn)在P0口上，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是需要一定時(shí)間，因此為保證轉(zhuǎn)換精度，需將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存直到下一次“輸出”不同數(shù)據(jù)為止。對(duì)于高8位以上的D/A與單片機(jī)的連接，必須解決分時(shí)輸出所造成的毛刺現(xiàn)象。方法一：采用內(nèi)部帶有雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器的D/A；方法二：利用74LS373等鎖存器作為數(shù)據(jù)緩沖器將D/A與單片機(jī)連接；輸出電壓為雙極性，可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：A點(diǎn)單極性輸出電壓為0～－5V；B點(diǎn)雙極性輸出電壓為＋5V～－5V16.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：通常用數(shù)字輸出最低位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。精度：絕對(duì)精度和相對(duì)精度轉(zhuǎn)換時(shí)間：由啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)開始有效的時(shí)間間隔電源靈敏度量程：所能轉(zhuǎn)換模擬電壓的范圍，雙極性和單極性輸出邏輯電平工作溫度范圍轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換頻率（T=1/f)

A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間（T）——A/D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬量變換為數(shù)字量所需的時(shí)間。如圖所示，t為時(shí)間，V(t)為模擬量，T為采樣間隔，TA為轉(zhuǎn)換時(shí)間模擬量離散化原理圖量化誤差與分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率—轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓微小變化響應(yīng)能力的度量，習(xí)慣上輸出用二進(jìn)制位數(shù)或者BCD碼位數(shù)表示。輸出用二進(jìn)制表示：如AD574A的分辨率為12位，即輸出數(shù)據(jù)可以用212個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為1LSB，用百分?jǐn)?shù)表示為：1/212×100%=(1/4096)×100%≈0.0244%當(dāng)VFS=5V，可分辨的最小電壓是1.22mV;當(dāng)VFS=10V，可分辨的最小電壓是2.44mV;輸出用BCD碼表示：輸出為BCD碼的A/D轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如MC14433雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為3(1/2)位。滿度字位為1999，用百分?jǐn)?shù)表示分辨率為：(1/1999)×100%=0.05%量化誤差與分辨率是統(tǒng)一的。量化誤差是由于用有限數(shù)字對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值（量化）而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個(gè)單位的分辨率，即±1/2LSB。提高分辨率可減少量化誤差。轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反映了一個(gè)實(shí)際上A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上與一個(gè)理想A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的差值，可表示成絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差。必須指出，A/D轉(zhuǎn)換器的精度所對(duì)應(yīng)的誤差指標(biāo)是不包括量化誤差的。(1)應(yīng)用背景模擬量（模擬信號(hào)）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）計(jì)算機(jī)（數(shù)字信號(hào)）時(shí)間、數(shù)值連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量等AnalogtoDigit(2).轉(zhuǎn)換過程

采樣

量化

編碼使模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化用一個(gè)基本的計(jì)量單位（量化電平）使模擬量變?yōu)橐粋€(gè)整數(shù)的數(shù)字量把已經(jīng)量化的模擬量用二進(jìn)制數(shù)碼、BCD碼或其他數(shù)碼表示(3).轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換電路有逐次逼近式、雙積分式、并行式、跟蹤比較式、串并式、電荷平衡式等。常用的有：并行式A/D——速度快，價(jià)格高逐次逼近式A/D—精度、速度和價(jià)格適中（）雙積分式A/D——精度高、價(jià)格低，但速度慢

16.6采樣定理當(dāng)信號(hào)頻譜為有限寬度，而最高截止頻率為fm時(shí)，只要在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)它進(jìn)行足夠的采樣，就可以保持信號(hào)的真實(shí)頻譜，條件是采樣周期T≦1/(2fm),即f≧2fm。f稱為奈圭斯特采樣頻率，是理論上限制的最低頻率。16.7逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理比較器時(shí)序與控制邏輯電路時(shí)鐘啟動(dòng)DONEOE輸出緩沖器N位數(shù)字量輸出D/A轉(zhuǎn)換器N位寄存器模擬量輸入VNVX注：Dn-i

表示N位寄存器第n-i位Vx送入比較器，Dn-I為1,其余位為0,比較Vx,VN；若VX≥VN，Dn-I=1；VX＜VN，Dn-I=0然后將Dn-2置1，與上次的結(jié)果一起經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與VX比較。重復(fù)上述過程，直至判別出D0位，轉(zhuǎn)換結(jié)束，N位寄存器的內(nèi)容就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)。16.8典型芯片ADC0809主要技術(shù)指標(biāo)和特性分辨率：8位轉(zhuǎn)換時(shí)間：64個(gè)時(shí)鐘周期單一電源：+5V模擬輸入電壓范圍：?jiǎn)螛O性0~+5V，雙極性±5V或±10V具有可控三態(tài)輸出鎖存器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖），上升沿使寄存器清0，下降沿使A/D開始轉(zhuǎn)換。②ADC0809的引腳IN0~IN7：模擬信號(hào)輸入端；D0~D7：8位數(shù)字輸出端，為三態(tài)可控輸出，可直接與計(jì)算機(jī)相連。A、B、C：模擬通道選擇端，3位二進(jìn)制可有8種組合，對(duì)應(yīng)8路模擬輸入；CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，頻率范圍為50~800KHZALE：地址信號(hào)鎖存端，高電平有效；START：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào),正脈沖有效；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)換開始EOC為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC為高電平；OE：輸出允許控制端，高電平有效；VCC：工作電源；VREF(+),VREF(—)：基準(zhǔn)參考電壓芯片封裝類型(1)雙列直插（DUAL-IN-LINEPACKAGE)(2)表貼封裝(CHIPCARRIER)ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬輸入部分控制邏輯地址譯碼輸入選通基準(zhǔn)電壓輸入端通道地址表ADC0809結(jié)構(gòu)VCCGNDOEVREF(-)VREF(+)SCCLKEOCD0D7ABCALEIN0IN78路模擬量開關(guān)地址鎖存與譯碼8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器83ADC0809與80C51單片機(jī)接口輸入模擬量：0-5VEOC用做外部中斷請(qǐng)求源用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果P2.0，RD，WR來控制地址鎖存、啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出A、B、C由P0.0—P0.2提供舉例應(yīng)用：如圖所示，巡回檢測(cè)一遍8路模擬量輸入，將讀數(shù)依次存放在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器A0H~A7H單元，程序如下：初始化程序清單：

MOVR0，#0A0H；數(shù)據(jù)暫存區(qū)首址MOVR2，#08H；8路計(jì)數(shù)初值SETBIT1；置脈沖觸發(fā)方式SETBEA；CPU中斷SETBEX1；允許INT1申請(qǐng)中斷MOVDPTR,#0FEF8H；指向ADC0809首地址MOV@DPTR,A;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換HERE：SJMPHERE；等中斷中斷服務(wù)程序：MOVX