微型计算机接口技术 教学课件 ppt 作者 古辉 主编 9章-AD与DA转换器接口

1、1,第九章 A/D与D/A转换器接口,2,目录,9.1 A/D与D/A转换器 9.2 D/A转换器 9.3 D/A转换器接口电路 9.4 A/D转换的工作原理 9.5 A/D转换器 9.6 A/D转换器接口电路 9.7 实验,3,9.1 A/D与D/A转换器,9.1.1 A/D与D/A转换的基本概念 9.1.2 A/D与D/A在实际应用系统中的地位和作用,4,9.2 D/A转换器,9.2.1 转换原理 9.2.2 D/A转换器的转换特性 9.2.3 D/A转换器的基本电路形式 9.2.4 D/A转换器的主要技术参数,5,9.3 D/A转换器接口电路,9.3.1 集成D/A转换器芯片举例 9.3.2 D/A转换器与PC机的接口 9.3.3 D/A转换器应用举例,6,9.4 A/D转换的工作原理,9.4.1 A/D接口的组成及模数转换过程 9.4.2 A/D转换器的基本原理 9.4.3 A/D转换器的主要技术参数,7,9.5 A/D转换器,9.5.1 计数式A/D转换器 9.5.2 逐次逼近型A/D转换器 9.5.3 双积分型A/D转换器 9.5.4 并行、串行A/D转换器,8,9.6 A

2、/D转换器接口电路,9.6.1 集成A/D转换器芯片举例 9.6.2 A/D转换器与PC机的接口 9.6.3 A/D转换器应用举例,9,本章要点,集成A/D、D/A转换器的原理与应用 分析与设计A/D和D/A转换器接口的方法 A/D和D/A转换器与CPU连接时需要处理的问题,10,本章学习目标,掌握各种A/D、D/A转换器的基本原理 掌握几种集成A/D、D/A转换器的应用 A/D和D/A转换器的外部特性 A/D和D/A转换器与PC机的接口电路设计 能够估计A/D、D/A转换器的误差,11,9.1.1 A/D与D/A转换的基本概念,12,9.1.2 A/D与D/A在实际 应用系统中的地位和作用,一个典型的计算机控制系统组成框图,13,9.2 D/A转换器,基础知识：,集成运算放大器 同相端: 输入端信号与输出端同相，用“+“号表示； 反相端: 输入端信号与输出端反相，用“-“号表示。,14,开环放大倍数非常大（105107） 输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下 两输入端的差值非常小，即: V+ = V- (称虚短路),Vo,输入阻抗非常大 输入端的电流非常小，即： I+ =

3、I- = 0 （称虚断路）,输出阻抗非常小 输出端驱动能力大，带负载能力强。,集成运算放大器的特点,15,Ro,If,+,-,Vo,Vi,Ii,I-,I+,V+,V-,：若将运放的同相端接地， 反相端输入信号 Vi，如上图所示： 由于运放要求输入Vi非常小，则输入点电位近似于地电位， 可以看成输入端与地近似于短路，但又不是真的与地短路， 因为输入端还有极小的电流存在。 虚地:输入端电压近似为0，输入电流也近似为0，输入端电位近似于地电位的特殊情况,虚地概念,集成运算放大器,16,2. 反相比例电路,17,所以 即理想运算放大器下， 放大倍数 与运放外部的电阻有关 与运放本身的参数无关,Ii = If + I- = If,反相比例电路特点：,18,19,I1 + I2 + I3 + I4 = If + I- = If,+,-,Ro,Vo,If,I-,I+,V+,V-,R1,I1,R2,I2,R3,I3,R4,I4,反相求和电路特点,20,9.2.1 转换原理,权电阻D/A转换,21,权电阻D/A转换,当Di=1时 当Di=0时，由于Si接地，Ii=0。,22,权电阻D/A转换,若Rf =

4、1/2R,当D =Dn-1D0 =0时，U =0 ； 当D=Dn-1D0=111时， 最大输出电压：,U的变化范围是,23,R-2R T型电阻网络D/A转换,24,特点： 只有 R 和 2R 两种电阻; 各节点向左和向上看的等效电阻均为2R; 整个网络的等效电阻为R,R-2R T型电阻网络D/A转换,25,Ro,+,-,Vo,S n-1,D n-1,2R,I n-1,R,S n-2,D n-2,2R,I n-2,R,S 1,D1,2R,I 1,R,S 0,D0,2R,I 0,2R,V REF,Ii,I=V,REF,/R,若共有n条分支，各支电流 I j 为：,R-2R T型电阻网络D/A转换,26,输入数字量 D j 控制模拟开关 S j ： 当 D j 为0时，开关 S j 接地，支电流 I j 流向地； 当 D j 为1时，开关 Sj 接运放，支电流 I j流向运放。,R-2R T型电阻网络D/A转换,D,27,输出电压 Vo = -Ii Ro = - D = D 即输出Vo与输入数字量成正比 调整 Ro 和 VREF 可调整模拟输出电压Vo 为最低位数字量变化时对应的模拟输出增量

5、 = -,R-2R T型电阻网络D/A转换,28,例,8位D/A转换器如图，基准电压 VREF =10V,+,-,Ro,= R,Vo,S7,D7,2R,I7,R,S6,D6,2R,I6,R,S1,D1,2R,I1,R,S0,D0,2R,I0,2R,V,REF,= 10V,Ii,I=V,REF,/R,29, = - = - = - 0.039V 当数字量为 0000 0000B 时，Vo = 0 当数字量为 0000 0001B 时，Vo = 1 = - 0.039V 当数字量为 1000 0000B 时，Vo = 128 = - 5V 当数字量为 1111 1111B 时，Vo = 255 = - 9.96V,分析,输出电压 Vo = - Ii Ro = - D = D ,例,30,注意：当数字量为全1时，输出Vo并不等于VREF,原因是,例,31,数字输入量,模拟输出量,110,111,对单极性n位转换器： 上例中 标称满量程 FS = 2n - 10V 实际满量程 = (2n 1) - 9.96V,例,32,9.2.2 D/A转换器的转换特性,D/A转换器示意图,33,9.2.2

6、D/A转换器的转换特性,34,9.2.3 D/A转换器的基本电路形式,35,9.2.4 D/A转换器的主要技术参数,分辨率 转换精度 线性误差 建立时间 转换速率,36,指 D/A 转换器所能产生的最小模拟增量， 是数字量最低有效位LSB所对应的模拟值。,分辨率,37,常用相对值（百分值）表示 分辨率 = / 满量程 = / ( 2n ) = 1/ 2n 可直接用D/A 转换器的位数表示 如：8 位D/A转换器的分辨率为 8位。 10 位D/A转换器的分辨率为 10位。,分辨率,38,指模拟输出实际值与理想输出值之间的误差。 用于衡量D/A转换器将数字量转换成模拟量时，所得模拟量的精确程度。,转换精度,包括非线性误差、比例系数误差、漂移误差等项误差。,39,比例系数误差示意图,漂移误差示意图,40,注意： 精度与分辨率是两个不同的参数。 精度取决于D/A转换器各个部件的制作误差, 分辨率取决于D/A转换器的位数。,41,指从数字输入端发生变化 ( 如从全“0”变为全“1” )到模拟输出达到稳定( 即终值1/2LSB ) 所需的时间。,00H FFH,一般为几十 ns 到几个s 例 DA

7、C0832为1s,+,-,Ro,= R,Vo,S7,D7,2R,I7,R,S6,D6,2R,I6,R,S1,D1,2R,I1,R,S0,D0,2R,I0,2R,V,REF,= 10V,Ii,I=V,REF,/R,0V -9.96V,建立时间,42,温度灵敏度,指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。 一般D / A转换器的温度灵敏度为50ppmC。ppm为百万分之一。,43,9.3 D/A转换器接口电路,按分辨率分： 8位、10位、12位、14位、16位、18位、20位、,按建立时间分：低速、中速、高速和超高速型 （100s 、 1100s、 50ns 100s、 50 ns） 按内部是否有数据输入寄存器分：带与不带数据输入寄存器 按与微机系统的连接关系分：位数等于和大于微机系统数据 总线两种情况,44,9.3.1 集成D/A转换器芯片举例,DAC0832-8bit D/A转换器 DAC1210-12bitD/A转换器 MAX5013-新产品12bit高速D/A转换器,45,DAC0832主要特性,采用CMOS和薄膜SiCr电阻相容工艺，温漂低 具有二级数字输入缓冲锁存器(输

8、入寄存器和DAC寄存器)，可与数据总线直接相连，无需另接锁存器 属乘法DAC可工作于四个象限 与TTL电平兼容 数字地与模拟地可分开，使用灵活,46,DAC0832内部结构及引脚,47,DAC0832内部结构及引脚,48,DAC1210主要特性,分辨率：12位 具有双寄存器结构，可对输入数据进行双重缓冲 与微处理器兼容，接口方便 建立时间为1s，转换速度快 线性度好，温漂小 外接10V的基准电压，工作电源+5+15V 功耗低，约20mW 电流输出型DA转换器,49,DAC1210内部结构及引脚,50,MAX5013主要特性,工作速率达100MHZ 建立时间仅13ns 内含主从式锁存器 电源电压+5V或-5.2V 与TTL和ECL电平兼容,51,MAX5013内部结构,52,9.3.2 D/A转换器与PC机的接口,8位D/A转换器与PC机的接口 8位以上D/A转换器与PC机的接口,53,8位D/A转换器与PC机的接口,DAC0832一般有三种工作方式： 单缓冲方式 一个寄存器工作于直通状态， 另一个工作于受控锁存器状态 双缓冲方式 两个寄存器均工作于受控锁存器状态 直通方式 两个寄存器均工作于直通状态,54,在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式， 此时只需一次写操作，就开始转换， 可以提高D/A的数据吞吐量。,单缓冲工作方式,55,输入寄存器工作于受控状态 DAC寄存器工作于直通状态,单缓冲工作方式,56,转换一个数据的程序段： MOV AL, data ;取数字量 MOV DX, port OUT DX, AL,单缓冲工作方式,57,输入寄存器工作于直通状态 DAC寄存器工作于受控状态,单缓冲工作方式,58,转换一个数据的程序段： MOV AL, data ;取数字量 MOV DX, port OUT DX, AL,IOUT2,DI7DI0,LE,CS,WR1,ILE,&,输入 寄存,Vo,D7D0,+5V,PC总线,port,WR2,IOW,A9A0,XFER,D/A 转换,LE,IOUT1,RFB,-,+,DAC 寄存,地址 译码,&,单缓冲工作方式,59,双缓冲工作方式,60,转换一个数据的程

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