微机原理与应用第十章

或：把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲 串，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
保持
将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制 脉冲存在的最后瞬间的采样值。
目的： A/D转换期间保持采样值恒定不变。
对于慢速变化的信号，可省略采样保持电路
采样通常采用等时间间隔采样。
采样频率fs不能低于2fimax（fimax为输入信号 Vin的最高次谐波分量的频率）； fs的上限受计算机的速度、存储容量、器件速度 的限制。
若Si=1,该项对VO有贡 献
若Si=0,该项对VO无贡 献
与上式相对应的电路如下(图中n=8)：
Vr
ef
S 1
S 2
S 3
S 4
S 5
S 6
2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R
S 7
图中的电阻网络就称S为权电阻网络
8
Rf
V
O
如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1 时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码 的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的 D/A转换器。
优点：数据接收与D/A转换可异步进行； 可实现多个DAC同步转换输出——分时写入、同步转换
直通方式
使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化 。
不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等) 。
•应用举例：
•
MOV
•
MOV
•ROTATE：INC
•
OUT
式中：Rf 为反馈电 阻
阻
R 为输入电
V
i n
R
R
f
∑
V
o
若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压 Vi的关系为：
式中：Ri 为第i支路 的输
入电阻
V
i n
R
1
R
f
… ∑
R
n
V
O
令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准 电压Vref，则有
如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合 上，Si=0表示Si断开，则上式变换为
函数发生器
只要往D/A转换器写入按规律变化的数据，即可在输 出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、 梯形波等函数波形。
直流电机的转速控制
用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速 其他需要用电压/电流来进行控制的场合
1. 分辨率：是转换器对微小输入量变化的敏感程度，用转
•
换器输出数字量的位数来表示
•DAC •寄 •存 •器
•D Q •8
•8位 •D/A
•12
•转 •11
•换 •器
•9
•基准电源输入线
•VREF •IOUT2 •IOUT1•电流输出线 •R•f反馈信号输入线
•AGND •模拟地
•20 •VCC •电源 •10 •DGND•数字地
D7～D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许
CS#：片选信号
V VF
ULL
0
1/2 LSB
t
t
C
•10.3 0832D/A转换器
•10.3.1 DAC 0832的结构
•D7 •13•D
Q
•D6 •. •.
•14 •15 •16
•8位 •输
•4 •入
•.
•5 •6
•寄
•D0
•7
•存 •器
•“1” •ILE •19
•“0”
•1
•2
•18
•“0”
•17
•D Q •8位
D/A转换可分为两个阶段：
CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器； WR2#=0、XFER#=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。
写输 入寄存
器
写 DAC寄
存器
•10.3.2 DAC 0832工作方式
••12•3.. .双单直缓缓通冲冲方方方式式式
•D7 •13•D
用于把数据写入到输入锁存器
WR1#：写输入锁存器
WR2#：写DAC寄存器 XFER#：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器
上述二个信号用于启动转换
VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地
•a020•a121 •ai2i
•Sn •模拟 •开关
•an2n
•并行D / A转换器原理
•N位二进制数
(1) 分辨率 (2) 线性度
•1 •2N－1
(3) 转换精度
(4) 建立时间
(5) 温度系数
(6) 电源抑制比
(7) 工作温度范围
(8) 失调误差（零点误差）
(9) 增益误差（标度误差）
(10)非线性误差
•
JMP
DX，PORTA ；PORTA为D/A转换器端口
AL，0FFH ；初值
AL
DX，AL
；往D/A转换器输出数据
ROTATE
•……
po rt1
083 2-1
A10A0
译码 器
po rt2
po rt3
083 2-2
本例中三个端口地址的用途： port1 选择0832-1的输入寄存器 port2 选择0832-2的输入寄存器 port3 选择0832-1和0832-2的DAC寄存器
实际中一般取fs为fimax的4-5倍。
•采样—保持—量化—编码 •10.5.1 采样
•s(t)
•f(t)
•fs(t)
•采样器
•f(t)
•K
•fs(t)
•s(t) 采样控制信号
由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构成的跟随器三 部分组成。
V
T
－ ＋
in
C
采样控
h
制
S(t)
Vo
ut
采样控制信号S(t)=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟 踪Vin变化，即对Vin采样。S(t)=0时，T截止，Vout将保持前一 瞬间采样的数值不变。
•AGND
•20 •VCC •10 •DGND
单缓冲方式
使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写 入即开始转换。控制比较简单。见教材p352图。
双缓冲方式（标准方式）
转换要有两个步骤：
将数据写入输入寄存器 CS#=0、WR1#=0、ILE=1
将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 WR2#=0、XFER#=0
•最小有效 位LSB
•模拟量
•3. 转换时间
• 完成一次A/D转换所需要的时间，称为A/D转换 •电路的转换时间
•4 .温度系数和增益系数：
•
这两项指标都是表示A/D转换器受环境温度影响
• 的程度的。
•5. 对电源电压变化的抑制比 • 用改变电源电压使数据发生±1LSB变化时所对应 •的电源电压变化范围来表示
•例如：一个8位的A/D转换器，其数字输出量的变化范围为0—255，
•
如果输入电压满刻度为5V，那么，转换电路对输入模拟电压
•
的分辨率为5V/255≈19.6mV
•2. 精度：输出的数字量所对应的模拟量的实际值与理论值
•
之间的差值。
•数字量
••DD+1•1/2△ •△ •±1/2LS •D-1
B
•A
根据A/D转换原理和特点的不同，可把ADC分成 两大类：直接ADC和间接ADC。
直接ADC是将模拟电压直接转换成数字量，常用的有 ：
逐次逼近式ADC、计数式ADC、并行转换式ADC等。
间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期 T、脉冲频率f、脉冲宽度τ等，再将中间量变成数字 量。常见的有：
转换精度（误差）
实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR
LSB: Least Significant Bit
FSR: Full Scale Range)
转换时间
从开始转换到与满量程值相差±1/2 LSB所对应的模拟 量所需要的时间
可以看出，当代码在0～FFH之间变化时，VO相 应地在0～-(255/256)Vref之间变化。
为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的 D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它 只用两种阻值的电阻(R和2R)。
•电 阻 网 络
•－ •Rf
•A
•U0
•＋
•S0 •S1
•SiLeabharlann Baidu
•UN •基准 •电压
•N
•运算放大器所需要的响应时间
•在满刻度输出的条件下，温度 •每升高1℃，输出变化的百分数
•满量程电压变化的百分数与 •电源电压变化的百分数之比
分辨率（Resolution）
输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的 程度。
一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位
例：一个满量程为5V的10位DAC，±1 LSB的变化将使输出 变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV
Q
•D6 •. •.
•14 •15 •16
•8位 •输
•4 •入
•.
•5 •6
•寄
•D0
•7
•存 •器
•5V •“1” •ILE •19
•“0”
•1
•2
•18
•“0”
•17
•D Q •8位
•DAC •寄 •存 •器
•D Q •8
•8位 •D/A
•12
•转 •11
•换 •器
•9
•VREF •IOUT2 •IOUT1 •Rf
MOV AL，data MOV DX，port1 OUT DX，AL MOV DX，port2 OUT DX，AL MOV DX，port3 OUT DX，AL
转换
HLT
; 要转换的数据送AL ; 0832-1的输入寄存器地址送DX ; 数据送0832-1的输入寄存器 ; 0832-2输入寄存器地址送DX ; 数据送0832-2的输入寄存器 ; DAC寄存器端口地址送DX ; 数据送DAC寄存器，并启动同步
•100 •011 •010 •001 •000
•10.5.3 量化和编码
•5q
•100
•4q
•4q
•011
•3q
•3q
•010
•2q
•2q
•001
•q
•q
•0V
•0
•000
•四舍五入法
量化就是用基本的量化电平的个数来表示采样到模拟电 压值。即把时间上离散而数值上连续的模拟量以一定的 准确度变换为时间上、数值上都离散的具有标准量化级 的等效数字值。（量化电平的大小取决于A/D变换器的 字长）
微机原理与应用第十章
• 概述
模拟量I/O接口的作用：
实际工业生产环境——连续变化的模拟量
例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量
计算机内部——离散的数字量
二进制数、十进制数
工业生产过程的闭环控制
传感器
模拟量
A/D
数字量
计算机
数字量
D/A
模拟量
执行元件
模拟量输入 (数据采集)
模拟量输出 (过程控制)
工
传
感
业
器
生
物理
产
量
变换 过
执
程
行机
构
输入通
放
道 多路转
A/
大
换
D
滤
&
转
波
采样保
换
持
信
信
号
号
输出通 处
理
变 换
放
道 D/
大
A
驱
转
动
换
输 入
1010110 微 0
接 口
型
计 I/O
接 口
算
机
输 0010110
出
1
接 口
模拟电路的任务
模拟接口电路的任 务
传感器（Transducer）
非电量→电压、电流
变送器（Transformer）
转换成标准的电信号
信号处理（Signal Processing）
放大、整形、滤波
多路转换开关（Multiplexer）
多选一
采样保持电路（Sample Holder，S/H）
保证变换时信号恒定不变
A/D变换器（A/D Converter）
模拟量转换为数字量
D/A变换器（D/A Converter）
数字量转换为模拟量
低通滤波
平滑输出波形
放大驱动
提供足够的驱动电压，电流
D/A变换器的基本原理及技术指标
D/A变换器的基本工作原理
组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器
两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络
基本结构如图：
R
f
数字 量
模拟开 关
电阻网 络
V
re f
∑
V
O
运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电 压Vin的关系为：
只有当电压值正好等于量化电平的整数倍时，量化后才是准确值 ，否则量化后的结果都只能是输入模似量的近似值。这种由于量 化而产生的误差叫做量化误差。量化误差是由于量化电平的有限 性造成的，所以它是原理性误差，只能减小，而无法消除。为减 小量化误差，根本的办法是减小量化电平（即增加字长）。
编码是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数 倍)用二进制码、BCD码或其它码来表示。
Vi
n
S( t)
Vo
ut
进行A/D转换时所用 的输入电压，就是对保 持下来的采样电压（每 次采样结束时的输入电 压）进行转换。
•s(t)
•f(t)
•fs(t)
•采样 •保持 •信号
•10.5.2 保持
•采样 •保持 •信号
•5q •4q
•4q •3q
•3q •2q
•2q •q
•q •0
•0V
•只舍不入法
►用途
▪ 将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。 ▪ 常用于数据采集系统或数字化声音。
►A/D转换的四个步骤
▪ 采样→保持→量化→编码
►采样/保持：由采样保持电路（S/H）完成 ►量化/编码：由ADC电路完成（ADC：AD变换器）
采样
将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化 的（离散的）模拟量。