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第 13 章 数模( D/A )转换与 模数( A/D )转换接口

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第 13 章 数模( D/A )转换与 模数( A/D )转换接口

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  1. 第13章 数模(D/A)转换与模数(A/D)转换接口 13.1 模拟量输入与输出通道 13.2 数模(D/A)转换器 13.3 D/A转换器与微处理器的接口 13.4 模数(A/D)转换器 13.5 A/D转换器与微处理器的接口 退出

  2. 13.1 模拟量输入与输出通道 模拟量的输入、输出通道是微型计算机与控制对象之间的重要接口,也是实现工业过程控制的重要组成部分。

  3. 13.1.1 模拟量输入通道的组成 典型的模拟量输入通道由以下几部分组成: 1.传感器 2.量程放大器 3.低通滤波器 4.多路开关 5.采样保持电路 6.A/D转换器

  4. 13.1.2 模拟量输出通道的组成 典型的模拟量输出通道由以下几部分组成: 1.D/A转换器 2.锁存器 3.放大驱动电路

  5. 13.2 数模(D/A)转换器 D/A转换器是计算机或其它数字系统与模拟量控制对象之间联系的桥梁,它的任务是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号。在工业控制领域中,D/A转换器是不可缺少的重要组成部分。

  6. 13.2.1 D/A转换的基本原理 数字量是由一位一位的数位构成的,每个数位都代表一定的权。 为了把一个数字量变为模拟量,必须把每一位的数码按照权来转换为对应的模拟量,再把各模拟量相加,这样,得到的总模拟量便对应于给定的数据。 D/A转换器的主要部件是电阻开关网络,通常是由输入的二进制数的各位控制一些开关,通过电阻网络,在运算放大器的输入端产生与二进制数各位的权成比例的电流,经过运算放大器相加和转换而成为与二进制数成比例的模拟电压。

  7. 13.2.2 D/A转换器的主要技术指标 1.分辨率 这是D/A转换器对微小输入量变化敏感程度的描述,通常用数字量的位数来表示,如8位、12位等。 2.精度 精度反映D/A转换的精确程度,可分为绝对精度和相对精度。 3.建立时间 建立时间也称稳定时间,是指在D/A的数字输入端加上满量程的变化(如从全“0”变为全“1”)以后,其模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需的时间。

  8. 4.输出电平 不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大。 5.线性误差 相邻两个数字量之间的差应是1LSB,即理想的转换特性应是线性的。在满量程范围内,偏离理想的转换特性的最大值称为线性误差。 6.温度系数 在规定的范围内,相应于温度每变化1℃,增益、线性度、零点及偏移(对双极性D/A)等参数的变化量。

  9. 13.2.3 典型的D/A转换器芯片 1.DAC0832 (1)DAC0832的逻辑结构 DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位D/A芯片,其逻辑结构框图见图13-6所示。

  10. 2.DAC1210 (1)DAC1210的逻辑结构 DAC1210是美国国家半导体公司生产的12位D/A转换器芯片,是智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器。DAC1210的逻辑结构框图如图13-8所示。

  11. 13.3 D/A转换器与微处理器的接口 D/A转换器与微处理器间的信号连接包括三部分,即数据线、控制线和地址线。 微处理器的输出数据要传送给D/A转换器,首先要把数据总线上的输出信号连接到D/A转换芯片的数据输入端。若D/A芯片内带有锁存器,微处理器就把D/A芯片当作一个并行输出端口;若D/A芯片内无锁存器,微处理器就把D/A芯片当作一个并行输出的外设,二者之间还需增加并行输出的接口。这是因为微处理器要处理各种信息,其数据总线上的数据总是不断变化的,使得送给D/A转换器的数据在数据总线上停留时间很短,因而在一般情况下需要锁存器来保存微处理器送给D/A转换器的数据。

  12. 13.4 模数(A/D)转换器 A/D转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的桥梁,它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号,以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及其它领域中,A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。

  13. 13.4.1 A/D转换的基本原理 应用最为广泛的是逐次逼近型的A/D转换器,其转换原理如图13-12(a)所示,主要有逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。其实质是逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到电压VC,与待转换的模拟电压VX进行比较。比较时,先从SAR的最高位开始,逐次确定各位的数码应是“1”还是“0”,其工作过程如下:

  14. 转换前,先将SAR寄存器各位清零。转换开始时,控制逻辑电路先设定SAR的最高位为“1”,其余位为“0”,此试探值经D/A转换成电压VC,然后将VC与模拟输入电压VX比较。如果VX≥VC,说明SAR最高位的“1”应予保留;如果VX<VC,说明SAR的该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”,依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程,直至确定SAR寄存器的最低位为止。最后,SAR寄存器中的内容就是与输入模拟量VX相对应的二进制数字量。转换前,先将SAR寄存器各位清零。转换开始时,控制逻辑电路先设定SAR的最高位为“1”,其余位为“0”,此试探值经D/A转换成电压VC,然后将VC与模拟输入电压VX比较。如果VX≥VC,说明SAR最高位的“1”应予保留;如果VX<VC,说明SAR的该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”,依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程,直至确定SAR寄存器的最低位为止。最后,SAR寄存器中的内容就是与输入模拟量VX相对应的二进制数字量。

  15. 13.4.2 A/D转换器的主要技术指标 1.分辨率 分辨率是指A/D转换器响应输入电压微小变化的能力。通常用数字输出的最低位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。 2.精度 精度可分为绝对精度和相对精度。 3.转换时间 转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需的时间,即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需的时间。

  16. 4.电源灵敏度 电源灵敏度是指A/D转换器的供电电源的电压发生变化时,产生的转换误差。 5.量程 量程是指所能转换的模拟输入电压范围。 6.输出逻辑电平 多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。 7.工作温度范围 由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响,故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。

  17. 13.4.3 A/D转换器与系统连接的问题 1.启动信号的供给 A/D转换器要求的启动信号一般有两种形式:即电平启动信号和脉冲启动信号。

  18. 2.转换结束信号以及转换数据的读取 A/D转换结束时,A/D转换芯片会输出转换结束信号,通知CPU读取转换数据。 CPU一般可以采用4种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。 第一种是程序查询方式。 第二种是中断方式。 第三种是CPU等待方式。 第四种是固定的延迟程序方式。

  19. 13.4.4 典型的A/D转换芯片 1.ADC0809 (1)ADC0809的逻辑结构 ADC0809是美国国家半导体公司生产的逐次逼近型8位A/D转换器芯片。 2.AD574A (1)AD574A的逻辑结构 AD574A是美国模拟器件公司生产的12位逐次逼近型的A/D转换芯片。

  20. 13.5 A/D转换器与微处理器的接口 A/D转换芯片与微处理器接口时,除了要有数据信息的传送外,还应有控制信息和状态信息的联系。其工作过程是:CPU送出控制信号至A/D转换器的启动端,使A/D转换器开始转换;A/D转换需要一定的转换时间,当CPU查询到转换完成,CPU执行输入指令将A/D转换的结果读入。