第十章十一章数模及模数转换讲课文档.ppt

第十章十一章数模及模数转换第一页，共七十二页 量程：测量仪器的变化范围对D/A转换器而言，则指其输出模拟量(电压或电流)的变化范围其最大值称为满量程 最低有效位(LSB)：输入数字量允许变化的最小单位对D/A转换器来说，输入量是二进制代码，其LSB=1设输入数字量的位数为n位，转换器的满量程输出为M模/数转换技术规定：相对于数字量变化的最小单位1LSB，模拟输出量变化的最小单位为=M/2n于是有：M=2n注意，数字量的最大输入值为2n-1，其对应的输出模拟量值为(2n-1)=2n-= M-可见，它比满量程小1个LSB所对应的输出量(M/2n)2第二页，共七十二页2DA转换器的主要参数衡量一个D/A转换器的性能的主要参数：分辨率 指D/A转换器的1LSB输入量的变化所对应的输出变化量通常用D/A转换器能够转换的二进制数的位数或D/A转换器所能分辨的最小电压值来表示位数多，分辨率就高 例如，一个D/A转换器能够转换8位二进制数，则其分辩率为8位若转换后的电压满量程是5V，则它能分辨的最小电压=5V/256=20mV所以，又可称其分辨率为20mV(即每增减1LSB，输出电压的变化就是20mV)。

如果是10位分辨率的D/A转换器，对同样的转换电压，则它能分辨的最小电压=5V/1024=5mV可见其分辨率高于8位的D/A转换器 3第三页，共七十二页转换时间 指数字量输入到完成转换输出达到最终值并稳定为止所需的时间 电流型DA转换较快电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间 一般在几ns到几百s之内 精度 指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位例如，1/2LSB如果分辨率为8位，则它的精度是： (1/2)(1/256)=1/5124第四页，共七十二页精度 指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差有绝对误差和相对误差两种 前者一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位后者则用：输出量绝对误差/满量程100 例如，一个数模转换器精度为1/2LSB，表示该转换器的实际输出值与其理想输出值间最大偏差为最低有效位所对应的模拟输出值的一半再 如 ， 某 分 辨 率 为8位 的D/A转 换 器 其 精 度 为1/2LSB如果用相对误差表示其精度，则它的精度是：(1/2LSB)/(28)=(1/2LSB)/28=(1/2)/28=1/512 5第五页，共七十二页。

线性度 当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度 理想情况下，D/A转换器输出模拟量与输入数字量的关系应该是线性的，但实际上输出特性并不是理想线性的我们可以用线性误差来反映线性度线性误差：在满量程的范围内，实际转换的模拟输 出 偏 离 理 想 输 出 的 最 大 值 通 常 ， 使 用(1/n)LSB来给出最大偏差的数值 线性误差越小越好，一般应1/2LSB 6第六页，共七十二页3. D/A转换器(DAC)的连接特性输入缓冲能力DAC是否带有三态输入缓冲器或锁存器来保存输入数字量，这对不能长时间在数据总线上保持数据的微机系统来说至关重要： 带有三态输入缓冲器或锁存器的DAC，其输入数据线能与系统数据总线直接连接 反之，需要外接三态缓冲器输入数据的宽度DAC有8位、10位、12位、14位等当DAC的位数(即分辨率)高于微机系统数据总线的宽度时，需分两次输入数字量7第七页，共七十二页电流型还是电压型即DAC的输出是电流还是电压对电流输出型，其电流在几mA到十几mA；对电压输出型，其电压一般在510V之间有些高电压型可达2430V若需将电流输出转换成电压输出，则采用运算放大器进行转换。

输入码制DAC能接收不同码制的数字量输入一般来说：单极性输出的DAC只接收二进制码或BCD码；双极性输出的DAC只接收偏移二进制码或补码8第八页，共七十二页单极性码与偏移码代码 111 110 101 100 011 010 001 000单极性代码 +7 +6 +5 +4 +3 +2 +1 0偏移码 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 可见，单极性码是正数，偏移码是单极性码加上一个偏移量而得(本例的偏移量为-4)9第九页，共七十二页输出模拟量的极性 有单极性输出、双极性输出 对需要正负电压控制的设备，要使用双极性DAC，或在输出电路中采取措施，使输出电压有极性变化10第十页，共七十二页二、D/A转换器与微处理器的接口方法1.接口的任务 主要任务是要解决CPU与DAC之间数据缓冲问题 原因之一在于CPU的输出数据在数据总线上出现的时间很短暂，只有几个时钟周期因此，D/A转换器接口必须能将数据保存起来供转换之用 原因之二在于，若CPU的数据总线宽度与DAC的分辨率不一致，则需要分两次送数，就必须把先后两次送入的数分别锁存，然后同时送入D/A转换器进行完整的转换11第十一页，共七十二页。

2. 接口电路的结构形式接口电路的实现，可采用中小规模集成电路、GAL器件、通用可编程并行接口芯片3. 接口电路的实现方法直接与CPU相连用于DAC自身带有三态输入缓冲器/锁存器的情况利用外加三态缓冲器或数据寄存器与CPU相连用于DAC自身不带三态输入缓冲器/锁存器的情况利用并行I/O接口芯片与CPU相连用于DAC自身不带三态输入缓冲器/锁存器的情况12第十二页，共七十二页注意： 这三种接口方法并非彼此无关或一成不变，例如，当CPU的数据总线宽度小于D/A转换器的分辨率时，即使D/A转换器内部带有数据缓冲器，也采用第二种接口形式，并且是两级缓冲，以消除由于两次传送数据而产生的尖锋(毛刺) 另外，在系统中，D/A转换器也是一种微机的外围设备，因此，在实际使用中，无论D/A转换器的内部是否带有数据锁存器，都经常利用并行I/O接口芯片与CPU相连，这样，在时序配合和驱动能力上都容易和CPU一致，使设计简化和调试方便并增加系统的可靠性 13第十三页，共七十二页10.2 D/A转换器接口电路设计 DAC接口设计应考虑的问题是被控对象DAC的输入缓冲能力和分辨率 从DAC的输入缓冲能力，可分为DAC芯片内有三态输入缓冲器和无三态输入缓冲器； 从DAC的分辨率，可分为分辨率8位和分辨率8位。

因为这两方面的特性不同，使DAC与系统数据总线的连接方法不同，从而使接口电路的设计也不同 本节以片内有三态输入缓冲器的8位D/A转换器接口芯片DAC0832为例进行介绍 14第十四页，共七十二页一、DAC0832的连接特性 DAC0832是分辨率为8位的乘法型DAC转换器，内部带有两级缓冲寄存器，它的内部结构和外部引脚如图所示15第十五页，共七十二页 由图可知，DAC0832内部由二级缓冲寄存器(一个8位输入寄存器和一个8位DAC寄存器)和一个D/A转换器(R-2R T型电阻解码网络)及转换控制电路组成 两个8位输入寄存器可以分别选通，从而使DAC0832实现双缓冲工作方式，即可把从CPU送来的数据先打入输入寄存器，在需要进行转换时再选通DAC寄存器，实现D/A转换，这种工作方式称为双缓冲工作方式16第十六页，共七十二页各引脚功能说明如下：ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效 CS：片选信号，输入、低电平有效，与ILE共同决定WR1是否起作用 WR1：写信号1，它作为输入寄存器的写选通信号(锁存信号) WR1必须与CS，ILE同时有效(即当ILE为高电平， WR1和CS同为低电平)时，LE1为高电平，输入寄存器的输出随输入而变化(即输入不锁存)。

当WR1变为高电平时，LE1变为低电平，输入数据被锁存在输入寄存器中输入寄存器的输出不再随外部数据的变化17第十七页，共七十二页WR2：写信号2，即DAC寄存器的写选通信号 XFER：数据传送控制信号，输入、低电平有效当XFER与WR2同时为有效(低电平)时使得LE21，8位DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，WR2上升沿将输入寄存器的信息锁存在DAC寄存器中DI7-DI0：8位数字量输入端 IOUT1：DAC电流输出1，它是数字输入端逻辑电平为1的各位输出电流之和DAC寄存器内容随输入代码线性变化，当DAC寄存器的内容为全1时，IOUT1为最大；DAC寄存器的内容为全0时，IOUT1为最小 18第十八页，共七十二页 IOUT2：DAC电流输出2， RFB：片内反馈电阻引脚，与外接运算放大器配合构成I/V转换器 VREF：参考电源或叫基准电源输入端，此端可接一个正电压或一个负电压，范围为： +10V -10V，由于它是转换的基准，要求电压准确、稳定性好 VCC：芯片供电电压端范围为+5V+15V，最佳值为+15V AGND：模拟地，即芯片模拟电路接地点，所有的模拟地要连在一起 DGND：数字地，即芯片数字电路接地点。

所有的数字电路地连地一起使用时，再将模拟地和数字地连到一个公共接地点，以提高系统的抗干扰能力 19第十九页，共七十二页 对要求多片DAC0832同时进行转换的系统，各芯片的选片信号不同，这样可由选片信号CS与WR1将数据分别输入到每片的输入寄存器中各片的XFER与WR2分别接在一起，公用一组信号，在XFER与WR2同时为低电平时，数据将在同一时刻由8位输入寄存器传送到对应的8位DAC寄存器，并靠WR2或XFER的上升沿将信号锁存在DAC寄存器中，与此同时，多个DAC0832芯片开始转换，其时间关系如图所示 20第二十页，共七十二页 为保证DAC0832可靠地工作，要求，WR1和WR2的宽度不小于500ns若VCC=+15V，则宽度为100ns输人数据的保持时间应不小于90ns 此外，对于不用的数字输入端不能悬空，应根据要求接地或Vcc 21第二十一页，共七十二页二、DAC0832的三种工作方式：改变几个转换控制信号的时序和电平，就可使DAC0832处于三种不同的工作方式 1. 直通方式：直通方式就是使DAC0832内部的两个寄存器(输入寄存器和DAC寄存器)处于不锁存状态，数据一旦到达输入端DI7一DI0就直接送人D/A转换器，被转换成模拟量。

输入数据变化，D/A转换器的输出模拟量跟着变化为实现直通方式，必须使ILE为高电平，CS ，WR1，WR2和XFER端都须接数字地，这时锁存信号LE1，LE2均为高电平输入寄存器和DAC寄存器便均处于不锁存状态，即直通方式22第二十二页，共七十二页2. 单缓冲方式：单缓冲方式就是使两个寄存器中的一个处于直通方式，另一个处于锁存方式，输入数据只经过一级缓冲器送入D/A转换器，通常的做法是将WR2和XFER均接地，使DAC寄存器处于直通方式，而把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WR1接CPU系统总线的IOW信号，使输入寄存器处于锁存方式，这样便可通过执行一条OUT指令选中该端口，使CS和WR1有效，从而启动D/A转换单缓冲方式只需执行一次写操作即可完成D/A转换一般当不需要多个模拟量同时输出时可采用单缓冲方式 23第二十三页，共七十二页3. 双缓冲方式：双缓冲方式就是使输入寄存器和DAC寄存器均处于锁存状态，数据要经过两级锁存(即两级缓冲)后再送入D/A转换器，这就是说，要执行两次写操作才能完成一次D/A转换利用双缓冲方式可在DA转换的同时，进行下一个数据的输入，这样可有效地提高转换速度。

只要将ILE接高电平，WR1和WR2接CPU的IOW，CS和XFER分别接两个不同的I/O地址译码信号当执行OUT指令时，WR1和WR2均变为有效低电平这样，可先执行一条OUT指令选中CS端口把数据写入输入寄存器；再执行第二条OUT指令，选中XFER端口，把输入寄存器内容写入DAC寄存器，实现D/A转换24第二十四页，共七十二页 下图所示为DAC0832工作于双缓冲方式下，与具有8位数据总线的微处理器相连的逻辑图 25第二十五页，共。