微机原理第十一章模数和数模转换幻灯片.ppt
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1、微机原理第十一章模数和数模转换第1页,共66页,编辑于2022年,星期六 模拟量模拟量I/O通道的组成通道的组成模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传传感感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道第2页,共66页,编辑于2022年,星期六运算放大器特点运算放大器特点 特点特点 :开环放大倍数
2、非常高:开环放大倍数非常高 、输入阻抗非常大和输出阻抗很小、输入阻抗非常大和输出阻抗很小 VinRf VOR1Rn第3页,共66页,编辑于2022年,星期六数数/模转换原理模转换原理D/A转换电路在内部基本都是并行结构,并行转换电路在内部基本都是并行结构,并行D/A转换器的转换速度快,转换器的转换速度快,只要输入端加入数码信号,输出端立即有相应的模拟电压输出。并行只要输入端加入数码信号,输出端立即有相应的模拟电压输出。并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同,对应输入数码的每一位都设转换器的位数与输入数码的位数相同,对应输入数码的每一位都设有信号输入端,用以控制相应的模拟切换开关有信号输入端
3、,用以控制相应的模拟切换开关实现数实现数/模(模(D/A)转换的方法比较多,常用的有两种)转换的方法比较多,常用的有两种权电阻权电阻D/A:电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大:电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成器组成选用不同的权电阻网络,就可以得到不同编码的选用不同的权电阻网络,就可以得到不同编码的D/A转换器转换器输入数码输入数码 xp=a12-1+a22-2+ai2-i+an2-n,则:,则:Uo=UNxp=UN(a12-1+a22-2+an2-n)=UNai2-iui=1第4页,共66页,编辑于2022年,星期六每个支路由一个开关每个支路由一个开关Si控制,控制
4、,Si=1表示表示Si合上,合上,Si=0表示表示Si断开,断开,Vref为基准电压为基准电压2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8第5页,共66页,编辑于2022年,星期六R-2R T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 实际应用的实际应用的D/A转换器,普遍采用转换器,普遍采用R-2R T 型电阻网络型电阻网络电电路路由由串串联联分分路路开开关关、R-2R电电阻阻网网络络、运运算算放放大大器器和和一一个个反反馈馈电电阻阻Rf组组成。采用分流原理,实现对输入数字量的转换成。采用分流原理,实现对输入数字量的转换第6页,共66页,编辑于
5、2022年,星期六无论从哪个无论从哪个R-2R的节点向上或向下看,等效电阻都是的节点向上或向下看,等效电阻都是R,等效输入,等效输入电阻都是电阻都是3R若反馈电阻若反馈电阻Rf3R,则输出电压,则输出电压UO:UO=U0Rf/Ri=2/3UNxp3R/2R=Unxp式中的输入取值式中的输入取值xp为为0或或1:取:取0时开关与地相连,该位无电流输入;取时开关与地相连,该位无电流输入;取1时开关与参考电压时开关与参考电压VR接通,该位有电流输入接通,该位有电流输入xp为全为全1,运算放大器输出为,运算放大器输出为(11/2K)UNxp为全为全0,则运算放大器输出为,则运算放大器输出为0D/A转换
6、器的输出在转换器的输出在0(11/2K)UN之间之间第7页,共66页,编辑于2022年,星期六D/A转换器的输出转换器的输出D/A转换的结果与输入二进制码成比例的电流,称为电流转换的结果与输入二进制码成比例的电流,称为电流DACD/A转换的结果与输入二进制码成比例的电压,称为电压转换的结果与输入二进制码成比例的电压,称为电压DAC常用的常用的D/A转换芯片大多属于电流转换芯片大多属于电流DAC,在实际应用中,一般需要电,在实际应用中,一般需要电压输出,需要把电流转换为电压输出压输出,需要把电流转换为电压输出转换一般采用运算放大器,输出可以是单极性电压或双极性电压转换一般采用运算放大器,输出可以
7、是单极性电压或双极性电压单极性电压输出的电压正负值由参考电压极性而定单极性电压输出的电压正负值由参考电压极性而定双极性电压输出是在单极性电压输出后再加一级运算放大器双极性电压输出是在单极性电压输出后再加一级运算放大器第8页,共66页,编辑于2022年,星期六单极性输出单极性输出第9页,共66页,编辑于2022年,星期六双极性输出双极性输出第10页,共66页,编辑于2022年,星期六 D/A转换器的主要参数转换器的主要参数线性误差:理想转换特性是线性的,实际特性总有一定的非线性,用在满线性误差:理想转换特性是线性的,实际特性总有一定的非线性,用在满刻度范围内偏离理想特性的最大值表示线性误差刻度范
8、围内偏离理想特性的最大值表示线性误差非线性误差:非线性误差:D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差,并以该偏差相对于满量程的百分数理想特性曲线之间的最大偏差,并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中,一般要求非线性误差不大于度量。在转换器电路设计中,一般要求非线性误差不大于1/2LSB线性误差和非线性误差用两个方法表示误差的大小线性误差和非线性误差用两个方法表示误差的大小在实际使用中,一般用输入数字量的位数来表示分辨率大小。例:在实际使用中,一般用输入数字量的位数来表示分辨率大小。例:8位位D/A转转换
9、器,换器,12位位D/A转换器等转换器等分辨率取决于分辨率取决于D/A转换器的位数转换器的位数分辨率:反映分辨率:反映D/A转换器对模拟量的分辨能力,是最小输出电转换器对模拟量的分辨能力,是最小输出电压与最大输出电压之比压与最大输出电压之比N位转换器,其分辨率为满量程电压位转换器,其分辨率为满量程电压/2N第11页,共66页,编辑于2022年,星期六相对精度:当满量程值校准后,输入的任何数字量所对应的模相对精度:当满量程值校准后,输入的任何数字量所对应的模拟输出值与理论值的误差拟输出值与理论值的误差绝对精度:在输入端加入给定数字量时,在输出端实测的模拟绝对精度:在输入端加入给定数字量时,在输出
10、端实测的模拟量与理论值之间的偏差量与理论值之间的偏差D/A转换器的转换精度与转换器的转换精度与D/A转换器芯片和外接电路有关。外接运转换器芯片和外接电路有关。外接运算放大器,外接参考电源,都会影响算放大器,外接参考电源,都会影响D/A转换器的精度转换器的精度在在D/A转换过程中,影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误转换过程中,影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差差、非线性误差和微分非线性误差如果不考虑其他如果不考虑其他D/A转换误差时,转换误差时,D/A的转换精度就是分辨率的大的转换精度就是分辨率的大小小建立时间:数字量输入到稳定输出的时间建立时间:数字量
11、输入到稳定输出的时间第12页,共66页,编辑于2022年,星期六内部无数据输入寄存器的内部无数据输入寄存器的D/A芯片的接口芯片的接口 第13页,共66页,编辑于2022年,星期六D/A转换器的位数超过系统总线长度的接口转换器的位数超过系统总线长度的接口 第14页,共66页,编辑于2022年,星期六D/A转换器用两级数据缓冲器的接口转换器用两级数据缓冲器的接口 内部有数据输入寄存器的内部有数据输入寄存器的D/A芯片的是芯片的是将将D/A芯片直接和数据总线相连芯片直接和数据总线相连 第15页,共66页,编辑于2022年,星期六DAC 0832是美国数据公司的是美国数据公司的8位双缓冲位双缓冲D/
12、A转换器,片内有数据锁转换器,片内有数据锁存器,电路有极好的温度跟随性,使用存器,电路有极好的温度跟随性,使用CMOS电流开关和控制逻辑电流开关和控制逻辑来获得低功耗和低输出泄漏电流误差来获得低功耗和低输出泄漏电流误差主要技术指标主要技术指标建立时间建立时间1s单电源单电源+5+15VVREF输入端电压输入端电压25V分辨率分辨率8位位功率能耗功率能耗200mW最大电源电压最大电源电压VDD17V输入与输入与TTL电平兼容电平兼容电流输出型电流输出型D/A转换器转换器DAC 0832第16页,共66页,编辑于2022年,星期六DI0DI7:8位数据输入端位数据输入端ILE:输入锁存允许信号,高
13、电平有效,控制输入锁存允许信号,高电平有效,控制8位输入寄存器的数位输入寄存器的数据是否能被锁存据是否能被锁存CS:片选信号,低电平有效,与:片选信号,低电平有效,与ILE信号一起控制信号一起控制WR1信号能否起信号能否起作用作用第17页,共66页,编辑于2022年,星期六WR1:写信号:写信号1,低电平有效,在,低电平有效,在ILE和和CS有效的条件下,控制将输有效的条件下,控制将输入数据锁存于输入寄存器中入数据锁存于输入寄存器中WR2:写信号:写信号2,低电平有效,在,低电平有效,在XFER有效的条件下,控制将输入寄存有效的条件下,控制将输入寄存器中的数字传送到器中的数字传送到8位位DAC
14、寄存器中寄存器中XFER:传送控制信号,低电平有效,和:传送控制信号,低电平有效,和WR2控制信号决定控制信号决定8位位DAC寄寄存器是否工作存器是否工作8位位D/A转换器接收被转换器接收被8位位DAC寄存器锁存的数据,并把该数据转寄存器锁存的数据,并把该数据转换成相对应的模拟量换成相对应的模拟量IOUT1:DAC电流输出电流输出1,是逻辑电平为,是逻辑电平为1的各位输出电流之和的各位输出电流之和IOUT2:DAC电流输出电流输出2,是逻辑电平为,是逻辑电平为0的各位输出电流之和的各位输出电流之和第18页,共66页,编辑于2022年,星期六Rfb:制作在芯片内的反馈电阻引脚,用作运算放大器的反
15、馈电阻:制作在芯片内的反馈电阻引脚,用作运算放大器的反馈电阻REF:基准电压输入,一般在:基准电压输入,一般在1010范围内,由外电路提范围内,由外电路提供供CC:逻辑电源,一般在:逻辑电源,一般在515范围内,范围内,15为好为好AGND:模拟地,芯片模拟电路接地点:模拟地,芯片模拟电路接地点DGND:数字地,芯片数字电路接地点:数字地,芯片数字电路接地点DAC0832具有双缓冲功能,即输入数据可分别经过两个寄存器保存。第具有双缓冲功能,即输入数据可分别经过两个寄存器保存。第一个寄存器是输入寄存器,数据输入端可直接连接到数据总线上,第二一个寄存器是输入寄存器,数据输入端可直接连接到数据总线上
16、,第二个寄存器是个寄存器是DAC寄存器寄存器第19页,共66页,编辑于2022年,星期六第20页,共66页,编辑于2022年,星期六DAC0832的三种工作方式:双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式的三种工作方式:双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式双缓冲方式:数据通过二个寄存器锁存后送入双缓冲方式:数据通过二个寄存器锁存后送入D/A转换电路,执行两转换电路,执行两次写操作才能完成一次次写操作才能完成一次D/A转换,适用于要求同时输出多个模拟量的转换,适用于要求同时输出多个模拟量的场合场合 单缓冲方式:两个寄存器中的一个处于直通状态,输入数据只经过一单缓冲方式:两个寄存器中的一个处于直通状态,输入数据
17、只经过一级缓冲送入级缓冲送入D/A转换器电路。只需执行一次写操作,即可完成转换器电路。只需执行一次写操作,即可完成D/A转转换,可以提高换,可以提高DAC的数据吞吐量的数据吞吐量直通方式:两个寄存器都处于直通状态,即直通方式:两个寄存器都处于直通状态,即ILE、CS、WR1、WR2和和XFER都处于有效电平状态,数据直接送入都处于有效电平状态,数据直接送入D/A转换器电路进行转换器电路进行D/A转换转换DAC0832的工作方式的工作方式第21页,共66页,编辑于2022年,星期六例:采用单缓冲方式,通过例:采用单缓冲方式,通过DAC0832输出产生三角波,三角波最高输出产生三角波,三角波最高电
18、压电压5,最低电压,最低电压0分析:分析:为减少控制线条数,可使为减少控制线条数,可使ILE一直处于高电平状态,一级输入寄存器锁一直处于高电平状态,一级输入寄存器锁存,第二级直通,单极性电压输出存,第二级直通,单极性电压输出产生三角波电压范围为产生三角波电压范围为0V5,对应的输出数据,对应的输出数据00HFFH。三角波上升。三角波上升部分从部分从00H起加起加1,直到,直到FFH;三角波下降部分从;三角波下降部分从FFH起减起减1,直到,直到00H第22页,共66页,编辑于2022年,星期六第23页,共66页,编辑于2022年,星期六第24页,共66页,编辑于2022年,星期六MOVAL,0
19、0H;设置输出电压值;设置输出电压值MOVDX,XX;DAC0832芯片地址送芯片地址送DXA1 OUTDX,ALINCAL;修改输出数据;修改输出数据CMPAL,0FFHJNZA1A2 OUTDX,ALDECAL;修改输出数据;修改输出数据CMPAL,00HJNZA2JMPA1第25页,共66页,编辑于2022年,星期六双极性电路输出三角波双极性电路输出三角波第26页,共66页,编辑于2022年,星期六S0:MOV AL,0;输出三角波的上升段;输出三角波的上升段S2:CALL OUTPUT;输出三角波的下降段;输出三角波的下降段 DEC AL;产生下降段下一个值;产生下降段下一个值 JNZ
20、S2;下降段未结束,继续输出;下降段未结束,继续输出 JMP S1;下降段结束,输出下一个三角波;下降段结束,输出下一个三角波 输出锯齿波的程序段如下:输出锯齿波的程序段如下:MOV AL,0J1:CALL OUTPUT;输出当前值;输出当前值 INC AL;产生下一个输出值;产生下一个输出值 JMP J1第27页,共66页,编辑于2022年,星期六OUTPUTPROC NEAR MOV DX,PORT0;DAC0832端口地址端口地址 OUT DX,ALINC DXOUT DX,AL PUSH AXMOV AX,N;延时的时间常数;延时的时间常数WT:DEC AXJNZ WT ;延时;延时P
21、OP AXRETENDP三角波、锯齿波的周期取决于每一位的输出时间三角波、锯齿波的周期取决于每一位的输出时间第28页,共66页,编辑于2022年,星期六A/D 转换的过程要经过:采样转换的过程要经过:采样保持保持量化量化编码四个阶段编码四个阶段 A/D转换器是将模拟量转变为数字量转换器是将模拟量转变为数字量采样:将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化的采样:将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化的(离散的离散的)模拟量。也可以定义为:把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个串脉模拟量。也可以定义为:把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个串脉冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量,时间
22、上通常采用等时间间隔采样冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量,时间上通常采用等时间间隔采样香农定理:采样频率一般要高于或至少等于输入信号最高频率的香农定理:采样频率一般要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍倍实际应用中,采样频率可以达到信号最高频率的实际应用中,采样频率可以达到信号最高频率的48倍倍对于快速变化的输入模拟信号,在对于快速变化的输入模拟信号,在A/D转换器前用采样保持器,转换器前用采样保持器,使得在转换期间保持固定的模拟信号值使得在转换期间保持固定的模拟信号值A/D转换转换第29页,共66页,编辑于2022年,星期六采样器相当于一个受控的理想开关,采样器相当于一个受控的理想开关,s(t
23、)=1时,开关闭合,时,开关闭合,fs(t)=f(t);s(t)=0时开关断开,时开关断开,fs(t)=0。fs(t)=f(t)s(t)在在s(t)=1期间,输出跟踪输入变化,相当于输出把输入的期间,输出跟踪输入变化,相当于输出把输入的“样品样品”采下采下来了,采样电路也叫跟踪电路来了,采样电路也叫跟踪电路第30页,共66页,编辑于2022年,星期六第31页,共66页,编辑于2022年,星期六保持:将采样得到的模拟量值保持下来,即是说,保持:将采样得到的模拟量值保持下来,即是说,s(t)=0期间,使输出期间,使输出等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值,保持发生在等于采样控制脉冲存在的最后瞬间
24、的采样值,保持发生在s(t)=0期间期间第32页,共66页,编辑于2022年,星期六量量化化:把把采采样样值值取取整整为为最最小小单单位位的的整整数数倍倍,这这个个最最小小单单位位称称为为量量化化单单位位,它等于输入信号的最大范围,它等于输入信号的最大范围/数字量的最大范围,对应于数字量数字量的最大范围,对应于数字量1量化的方法通常有两种:只舍不入法和四舍五入法量化的方法通常有两种:只舍不入法和四舍五入法量化误差:量化而产生的误差,直接影响转换器的转换精度。量量化误差:量化而产生的误差,直接影响转换器的转换精度。量化误差是由于量化电平的有限性造成的,是原理性误差,只能减化误差是由于量化电平的有
25、限性造成的,是原理性误差,只能减小,无法消除小,无法消除编码就是把已经量化的模拟数值编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍它一定是量化电平的整数倍)用二进制数用二进制数码、码、BCD码或其他码来表示码或其他码来表示第33页,共66页,编辑于2022年,星期六双积分法的双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成组成基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔,再基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔,再把此时间间隔转换成数字量,属于间接转换,双积分法把此时间间隔转换成数字量,属于间接转
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