单片机 数模转换器与模数转换器PPT课件
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二、模数转换器的性能指标 A/D转换器是实现单片机数据采集的常用外围 器件。A/D转换器的品种繁多，性能各异，在 设计数据采集系统时，首先碰到的问题就是如 何选择合适的A/D转换器以满足系统设计的要 求。 选择A/D转换器需要综合考虑多项因素，如系 统技术指标、成本、功耗、安装等。
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1、分辨率 分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能 力，表示数字量变化一个相邻数码所需输入 模拟电压的变化量。 分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的 反应就越灵敏。
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例 如 ， 8 位 A/D 转 换 器 能 够 分 辨 出 满 刻 度 的 1/256，若满刻度输入电压为5V，则该8位A/D 转换器能够分辨出输入电压变化的最小值为 19.5mV。 分辨率常用A/D转换器输出的二进制位数表示。 常见的A/D转换器有8位、10位、12位、14位 和16位等。
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2、双积分ຫໍສະໝຸດ Baidu模数转换器的工作原理 双积分式模数转换器转换方法的抗干扰能力比 逐次逼近式模数转换器强。 该方法的基础是测量两个时间：
一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间 另一个是在已知参考电压下放电所需的时间 模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两 个时间值之比。
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双积分模数转换器的组成框图如图所示。
第9章 数模转换器与模数转换器
本章学习目标 了解数模转换器的工作原理及性能指标 掌握模数转换器的应用 了解数模转换器的工作原理及性能指标 掌握数模转换器的应用
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前言
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随着数字电子技术及计算机技术的广泛普及与应用， 数字信号的传输与处理日趋普遍。 自然形态下的物理量多以模拟量的形式存在的，如温 度、湿度、压力、流量、速度等，实际生产、生活和 科学实验中还会遇到化学量、生物量（包括医学）等。 从信号工程的角度来看，要进行信号的计算机处理， 上述所有的物理量、化学量和生物量等都需要使用相 应的传感器，将其转换成电信号（称之为模拟量） 将模拟量转换为计算机能够识别处理的数字量，而后 再进行信号的传输、处理、存储、显示和控制。
6
模拟信号一般采用4-20mA DC的标准信号传输。 数字化过程中，常常把传感器和微处理器及通 信网络接口封装在一个器件（称为检测仪表） 中，完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。 在自动化仪表中经常把检测仪表称为变送器， 如温度变送器、压力变送器等。
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本章内容安排
本章首先介绍模数转换器的工作原理及性能指 标； 然后介绍模数转换器ADS7852与单片机的接口 方法及编程应用，介绍STC15F2K60S2单片机 片内集成模数转换模块的使用； 最后介绍数模转换器TLV5616与单片机的接口 方法及编程应用。
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§9.1模数转换器的工作原理及性能指标
一、模数转换器的工作原理 根据转换的工作原理不同，模数转换器可以分 为计数-比较式、逐次逼近式和双斜率积分式。 计数-比较式模数转换器结构简单，价格便宜， 转换速度慢，较少采用。 下面主要介绍逐次逼近式和双斜率积分式模数 转换器的工作原理。
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1、逐次逼近式模数转换器的工作原理
一般把8位以下的ADC器件归为低分辨率ADC 器件； 9~12位的ADC器件称为中分辨率ADC器件； 13位以上的ADC器件称为高分辨率ADC器件。
如何选择 10位以下的ADC器件误差较大，11位以上
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以单片机为核心，具有模拟量输入和输出的应 用系统结构如图所示。
模拟电信号
信号 A/D 放大 转换器
单
非电信号 传感器
片
机
开关量输入
开关量输出
数字量显示 或通信
D/A 转换器
模拟量 放大输出
图9-1 具有模拟量输入输出的单片机系统
5
传感器和变送器的区别
检测仪表在模拟电子技术条件下，一般是包括 传感器、检测点取样设备及放大器（进行抗干 扰处理及信号传输），当然还有电源及现场显 示部分（可选择）。 传感器是一种把非电量转变成电信号的器件。 电信号一般分为连续量、离散量两种，实际上 还可分成模拟量、开关量、脉冲量等。
输入模拟电压 Vx 基准电源
积分器
比较器
时钟 转换开始
控制逻辑
计数器
转换结束
数字量输出
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图9-3 双积分式模数转换器的组成框图
双积分式模数转换器优点
具有精度高、抗干扰能力强的特点，在实际工 程中得到了使用。 由于逐次逼近式模数转换技术能很好的兼顾速 度和精度，故在16位以下的模数转换器中得到 了广泛应用。
3
同样，计算机控制外部设备时，如电动调节阀、 调速系统等，需要将计算机输出的数字信号变 换成外设能够接受的模拟信号。 将模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器 （Analog to Digital Converter，ADC），也称 为A/D转换器或者ADC器件； 将数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器 （Digital to Analog Converter，DAC），也称 为D/A转换器。
逐次逼近式模数转换器电路框图如图所示。
Vx
＋
比较器
－
VC D/A转换
基准电源
SAR
数
字
输出
量
转换命令
时序及控制逻辑
状态线
10
图9-2 逐次逼近式模数转换器的工作原理
逐次逼近式模数转换器主要由逐次逼近寄存器
SAR、数字/电压转换器、比较器、时序及控
制逻辑等部分组成。
Vx
＋
比较器
－
VC D/A转换
基准电源
SAR
数
字
输出
量
转换命令 11
时序及控制逻辑
状态线
工作过程
当模数转换器收到“转换命令”并清除SAR寄存器后， 控制电路先设定 SAR中的最高位为 “1”，其余位为 “0”，此预测数据被送至D/A转换器，转换成电压Vc。 然后将Vc与输入模拟电压Vx在高增益的比较器中进行 比较，比较器的的输出为逻辑0或逻辑1。 如果Vx≥Vc，说明此位置“1”是对的，应予保留；如果 Vx<Vc，说明此位置“1”不合适，应予清除。 按该方法继续对次高位进行转换、比较和判断，决定 次高位应取“1”还是取“0”。 重复上述过程，直至确定SAR最低位为止。 该过程完成后，状态线改变状态，表示已完成一次完 整的转换，SAR中的内容就是与输入的模拟电压对应 的二进制数字代码。
二、模数转换器的性能指标 A/D转换器是实现单片机数据采集的常用外围 器件。A/D转换器的品种繁多，性能各异，在 设计数据采集系统时，首先碰到的问题就是如 何选择合适的A/D转换器以满足系统设计的要 求。 选择A/D转换器需要综合考虑多项因素，如系 统技术指标、成本、功耗、安装等。
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1、分辨率 分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能 力，表示数字量变化一个相邻数码所需输入 模拟电压的变化量。 分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的 反应就越灵敏。
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例 如 ， 8 位 A/D 转 换 器 能 够 分 辨 出 满 刻 度 的 1/256，若满刻度输入电压为5V，则该8位A/D 转换器能够分辨出输入电压变化的最小值为 19.5mV。 分辨率常用A/D转换器输出的二进制位数表示。 常见的A/D转换器有8位、10位、12位、14位 和16位等。
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2、双积分ຫໍສະໝຸດ Baidu模数转换器的工作原理 双积分式模数转换器转换方法的抗干扰能力比 逐次逼近式模数转换器强。 该方法的基础是测量两个时间：
一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间 另一个是在已知参考电压下放电所需的时间 模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两 个时间值之比。
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双积分模数转换器的组成框图如图所示。
第9章 数模转换器与模数转换器
本章学习目标 了解数模转换器的工作原理及性能指标 掌握模数转换器的应用 了解数模转换器的工作原理及性能指标 掌握数模转换器的应用
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随着数字电子技术及计算机技术的广泛普及与应用， 数字信号的传输与处理日趋普遍。 自然形态下的物理量多以模拟量的形式存在的，如温 度、湿度、压力、流量、速度等，实际生产、生活和 科学实验中还会遇到化学量、生物量（包括医学）等。 从信号工程的角度来看，要进行信号的计算机处理， 上述所有的物理量、化学量和生物量等都需要使用相 应的传感器，将其转换成电信号（称之为模拟量） 将模拟量转换为计算机能够识别处理的数字量，而后 再进行信号的传输、处理、存储、显示和控制。
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模拟信号一般采用4-20mA DC的标准信号传输。 数字化过程中，常常把传感器和微处理器及通 信网络接口封装在一个器件（称为检测仪表） 中，完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。 在自动化仪表中经常把检测仪表称为变送器， 如温度变送器、压力变送器等。
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本章内容安排
本章首先介绍模数转换器的工作原理及性能指 标； 然后介绍模数转换器ADS7852与单片机的接口 方法及编程应用，介绍STC15F2K60S2单片机 片内集成模数转换模块的使用； 最后介绍数模转换器TLV5616与单片机的接口 方法及编程应用。
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§9.1模数转换器的工作原理及性能指标
一、模数转换器的工作原理 根据转换的工作原理不同，模数转换器可以分 为计数-比较式、逐次逼近式和双斜率积分式。 计数-比较式模数转换器结构简单，价格便宜， 转换速度慢，较少采用。 下面主要介绍逐次逼近式和双斜率积分式模数 转换器的工作原理。
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1、逐次逼近式模数转换器的工作原理
一般把8位以下的ADC器件归为低分辨率ADC 器件； 9~12位的ADC器件称为中分辨率ADC器件； 13位以上的ADC器件称为高分辨率ADC器件。
如何选择 10位以下的ADC器件误差较大，11位以上
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以单片机为核心，具有模拟量输入和输出的应 用系统结构如图所示。
模拟电信号
信号 A/D 放大 转换器
单
非电信号 传感器
片
机
开关量输入
开关量输出
数字量显示 或通信
D/A 转换器
模拟量 放大输出
图9-1 具有模拟量输入输出的单片机系统
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传感器和变送器的区别
检测仪表在模拟电子技术条件下，一般是包括 传感器、检测点取样设备及放大器（进行抗干 扰处理及信号传输），当然还有电源及现场显 示部分（可选择）。 传感器是一种把非电量转变成电信号的器件。 电信号一般分为连续量、离散量两种，实际上 还可分成模拟量、开关量、脉冲量等。
输入模拟电压 Vx 基准电源
积分器
比较器
时钟 转换开始
控制逻辑
计数器
转换结束
数字量输出
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图9-3 双积分式模数转换器的组成框图
双积分式模数转换器优点
具有精度高、抗干扰能力强的特点，在实际工 程中得到了使用。 由于逐次逼近式模数转换技术能很好的兼顾速 度和精度，故在16位以下的模数转换器中得到 了广泛应用。
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同样，计算机控制外部设备时，如电动调节阀、 调速系统等，需要将计算机输出的数字信号变 换成外设能够接受的模拟信号。 将模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器 （Analog to Digital Converter，ADC），也称 为A/D转换器或者ADC器件； 将数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器 （Digital to Analog Converter，DAC），也称 为D/A转换器。
逐次逼近式模数转换器电路框图如图所示。
Vx
＋
比较器
－
VC D/A转换
基准电源
SAR
数
字
输出
量
转换命令
时序及控制逻辑
状态线
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图9-2 逐次逼近式模数转换器的工作原理
逐次逼近式模数转换器主要由逐次逼近寄存器
SAR、数字/电压转换器、比较器、时序及控
制逻辑等部分组成。
Vx
＋
比较器
－
VC D/A转换
基准电源
SAR
数
字
输出
量
转换命令 11
时序及控制逻辑
状态线
工作过程
当模数转换器收到“转换命令”并清除SAR寄存器后， 控制电路先设定 SAR中的最高位为 “1”，其余位为 “0”，此预测数据被送至D/A转换器，转换成电压Vc。 然后将Vc与输入模拟电压Vx在高增益的比较器中进行 比较，比较器的的输出为逻辑0或逻辑1。 如果Vx≥Vc，说明此位置“1”是对的，应予保留；如果 Vx<Vc，说明此位置“1”不合适，应予清除。 按该方法继续对次高位进行转换、比较和判断，决定 次高位应取“1”还是取“0”。 重复上述过程，直至确定SAR最低位为止。 该过程完成后，状态线改变状态，表示已完成一次完 整的转换，SAR中的内容就是与输入的模拟电压对应 的二进制数字代码。