《微机原理与接口技术》 第7章数/模、模/数转换接口 教案 作者:李芷 2003.5.10
第 7 章 数/模、模/数转换接口 教 案 作者：李芷 2003.5.10 《微机原理与接口技术》
第7章数/模、模/数转换接口 数/模(DA)转换器(DAC, Digital to Analog Converter) 和模/数(AD)转换器(ADC, Analog to Digital Converter)是微机实时测量/控制系统中不可缺少的 模拟量IO通道。 ⊙71数/模(DA)转换 7.2模数(AD)转换 ◎7.3数/模、模/数通道设计
第7章 数/模、模/数转换接口 数/模(D/A)转换器(DAC，Digital to Analog Converter) 和 模 / 数 ( A/D) 转 换 器 ( ADC，Analog to Digital Converter) 是微机实时测量/控制系统中不可缺少的 模拟量I/O通道。 7.1 数/模（D/A）转换 7.2 模/数（A/D）转换 7.3 数/模、模/数通道设计
7.1数模(D/A)转换 o711D/A转换原理 o7.12D/A转换器性能参数 7.1.3DAC0832及其接口电路
7.1 数/模（D/A）转换 7.1.1 D/A转换原理 7.1.2 D/A转换器性能参数 7.1.3 DAC0832及其接口电路
7.1.1D/A转换原理 ◆D/A转换器是把数字量转换为对应成比例的电流或电压信号的接口。 ◆D/A转换器是将数字量每一位的代码按照位权转换为对应的模拟量 值,再把它们相加,求和得到的便是与数字量对应的模拟量值 ◆在DA转换电路中,数字量输入作为电子开关的控制电平,使所有 电子开关和电阻网络一起工作,在以基准电压为参照下得到输出用二 进制加杈合成的模拟电流,再利用外接运算放大器完成模拟电流到模 拟电压的转换 电流输出 数字量输入电子 电阻 电压输出 开关 网络 基准电压运算放大器
7.1.1 D/A转换原理 ◆D/A转换器是把数字量转换为对应成比例的电流或电压信号的接口。 ◆ D/A转换器是将数字量每一位的代码按照位权转换为对应的模拟量 值，再把它们相加，求和得到的便是与数字量对应的模拟量值。 ◆在D/A转换电路中，数字量输入作为电子开关的控制电平，使所有 电子开关和电阻网络一起工作，在以基准电压为参照下得到输出用二 进制加权合成的模拟电流，再利用外接运算放大器完成模拟电流到模 拟电压的转换。 数字量输入 ┇ ┇ 电子 开关 电阻 网络 基准电压 - + 电流输出 电压输出 RF 运算放大器
7。11D/A转换原理 1.运算放大器 ◆运算放大器有三个特点 (1)开环放大倍数非常高,一般为几千,甚至可高达十万。在正常情况 ,运算放大器所需要的输入电压非常小 (2)输入阻抗非常大。运算放大器工作时,输入端相当于一个很小的电 压加在一个很大的输入阻抗上,所需要的输入电流也极小 (3)输出阻抗很小。所以,它的驱动能力非常大 ◆D/A转换中运算放大器的工作原理 运算放大器的同相端(+)接地,反相端(-)作为输入端。由于输入电 压十分小,输入点电位和地电位差不多,可以认为近似短路;而输入 电流也非常小,这说明并不是真正和地短路。把这种输入电压近似为0 输入电流也近似为0的特殊情况称为“虚地” 运算放大器的输入端和输出端之间有一个反馈电阻RF,由于运算放大 器的输入点为虚地,而且输入阻抗极大,可以认为,流入运算放大器 的电流几乎全部流过R,而R一端为输出端,一端为虚地。在Rp上的 电压降,也就是运算放大器的输出电压Vo=-IRF
7.1.1 D/A转换原理 1. 运算放大器 ◆ 运算放大器有三个特点： ⑴ 开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达十万。在正常情况 下，运算放大器所需要的输入电压非常小。 ⑵ 输入阻抗非常大。运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电 压加在一个很大的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小。 ⑶ 输出阻抗很小。所以，它的驱动能力非常大。 ◆ D/A转换中运算放大器的工作原理： 运算放大器的同相端（+）接地，反相端（-）作为输入端。由于输入电 压十分小，输入点电位和地电位差不多，可以认为近似短路；而输入 电流也非常小，这说明并不是真正和地短路。把这种输入电压近似为0， 输入电流也近似为0的特殊情况称为“虚地”。 运算放大器的输入端和输出端之间有一个反馈电阻RF，由于运算放大 器的输入点为虚地，而且输入阻抗极大，可以认为，流入运算放大器 的电流几乎全部流过RF，而RF一端为输出端，一端为虚地。在RF上的 电压降，也就是 运算放大器的输出电压 VO = - IRF
7.1.1D/A转换原理 2.采用T型电阻网络的DA转换器 ◆采用T型电阻网络的DAC只需要R和2R两种电阻,由于结构简单、转换 速度快、精度高、误差小等优点特别受到青睐。 ◆输出模拟量vo与n位输入数字量之间关系的一般表达式为: V=-VER/(2呎)①Dn12n+Dn2n2+…+D124+D020)(D=1或0) ◆采用T型电阻网络的结构以4位DA转换器为例: R 20 2 3 2R 2R 2R 2R 2R R R R O VREF A B C D
7.1.1 D/A转换原理 2. 采用T型电阻网络的D/A转换器 A B C D 2R R R R 2R 2R 2R 2R VREF S0 - + 2 0 RF VO 2 1 2 2 2 3 S1 S2 S3 ◆采用T型电阻网络的DAC只需要R和2R两种电阻，由于结构简单、转换 速度快、精度高、误差小等优点特别受到青睐。 ◆输出模拟量Vo与n位输入数字量之间关系的一般表达式为： VO = -VREF RF ∕(2 nR) (Dn-1 2 n-1+Dn-2 2 n-2+ ∙∙∙ +D1 2 1+D0 2 0 ) ( Di=1或0 ) ◆采用T型电阻网络的结构以4位D/A转换器为例：
7.1.2D/A转换器性能参数 ◆分辨率 分辨率是指最小输出电压(输入数字量增1所引起的输出电压增量)和最 大输岀电压之比,表示DAC所能分辩的最小模拟信号的能力。对于一个n 位的DAC,分辨率为1/(2-1) ◆转换精度 DAC的转换精度与D/A转换芯片的结构(主要是分辨率)、外部电路器件 配置和电源误差等有关,分为绝对转换精度和相对转换精度。 ◆非线性误差 DAC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度量。 ◆转换速率立时间 转换速率实际是由建立时间来反映的。建立时间是指数字量为满刻度值 (各位全为1)时,DAC的模拟输出电压达到某个规定值,比如,90%满 量程或(士1/2)LSB满量程时所需要的时间 ◆影响DAC的环境因素主要是温度和电源电压的变化
7.1.2 D/A转换器性能参数 ◆ 分辨率 分辨率是指最小输出电压（输入数字量增1所引起的输出电压增量）和最 大输出电压之比，表示DAC所能分辩的最小模拟信号的能力。对于一个n 位的DAC，分辨率为1/(2 n -1)。 ◆ 转换精度 DAC的转换精度与D/A转换芯片的结构（主要是分辨率）、外部电路器件 配置和电源误差等有关，分为绝对转换精度和相对转换精度。 ◆ 非线性误差 DAC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度量。 ◆ 转换速率/建立时间 转换速率实际是由建立时间来反映的。建立时间是指数字量为满刻度值 （各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值，比如，90%满 量程或（±1/2）LSB满量程时所需要的时间。 ◆ 影响DAC的环境因素主要是温度和电源电压的变化
7.1.3DAC0832及其接口电路 DAC0832的性能和结构 DAC0832是采用R-2RT型电阻网络的8位双缓冲器DA转换器,主要 性能参数:①分辨率8位;②转换时间1μs;③参考电压±10V;④ 单电源+5V~+15V;⑤功耗20mW EF 8位 8位 8位 OUTI DIT- DIo 输入 DAC D/A OUT2 寄存器 寄存器 转换器 REB ILE AGND & WR CC WR XFER- d& DGND
7.1.3 DAC0832及其接口电路 1. DAC0832的性能和结构 DAC0832是采用R-2R T型电阻网络的8位双缓冲器D/A转换器，主要 性能参数：① 分辨率8位；② 转换时间1μs；③ 参考电压±10V；④ 单电源+5V~+15V；⑤功耗20mW。 ILE CS WR1 WR2 XFER DI7~DI0 VREF IOUT1 IOUT2 RFB AGND VCC DGND & & & 8位 输入 寄存器 LE1 8位 DAC 寄存器 LE2 8位 D/A 转换器
7.13DAC0832及其接口电路 2.DAC0832的管脚特性 ◆CS:片选信号 ◆IE:允许锁存信号。 ◆XFER:传送控制信号 ◆wR1:写信号1。WR必须和CS、E同时有效 ◆WR2:写信号2。WR2必须和传送控制信号XFER同时有效 DI-DIn:8位数据输入端 ◆ lout,Iout2:模拟电流输岀端1,输岀端2。Iout1+Iout2=常数。 ◆RFB:反馈电阻引出端 ◆VREF:参考电压输入端。可接电压范围为±10V ◆vce:芯片供电电压端。范围为+5V~+15V,最佳工作状态是+15V。 AGND:模拟地,即模拟电路接地端。 DGND:数字地,即数字电路接地端
7.1.3 DAC0832及其接口电路 2. DAC0832的管脚特性 ◆ CS：片选信号。 ◆ ILE：允许锁存信号。 ◆ XFER：传送控制信号。 ◆ WR1：写信号1。WR1必须和CS、ILE同时有效。 ◆ WR2：写信号2。WR2必须和传送控制信号XFER同时有效。 ◆ DI7~DI0：8位数据输入端。 ◆ Iout1，Iout2：模拟电流输出端1，输出端2。Iout1+Iout2= 常数。 ◆ RFB：反馈电阻引出端。 ◆ VREF：参考电压输入端。可接电压范围为±10V。 ◆ Vcc：芯片供电电压端。范围为+5V~+15V，最佳工作状态是+15V。 ◆ AGND：模拟地，即模拟电路接地端。 ◆ DGND：数字地，即数字电路接地端
7.13DAC0832及其接口电路 3.DAC0832的工作方式 ◆直通方式:转换数据不经过两级锁存器锁存。(很少使用) ◆双缓冲方式:先使输入寄存器接收数据,再控制输入寄存器的输 出数据到DAC寄存器,即分两次锁存输入数据 ◆单缓冲方式:控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据,或者 只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。(使用的最多) WR OUTI 丿out WR 地址总线 OUT2 译码 DAC agnd v 0832 M/IO DGND Vcc +5V Wr2 ILE XFER
7.1.3 DAC0832及其接口电路 3. DAC0832的工作方式 ◆ 直通方式：转换数据不经过两级锁存器锁存。（很少使用） ◆ 双缓冲方式：先使输入寄存器接收数据，再控制输入寄存器的输 出数据到DAC寄存器，即分两次锁存输入数据。 ◆ 单缓冲方式：控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据，或者 只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。（使用的最多） DAC 0832 地址总线 ILE Vcc 译 码 M/IO 器 CS WR1 D7~D0 +5V WR Vout ▽ - + RFB IOUT1 IOUT2 AGND DGND WR2 XFER