本章主要教學內(nèi)容D/A、A/D轉換器的根本概念及根本結構D/A轉換器的工作原理及其特點A/D轉換器的工作原理110.1典型D/A轉換器芯片控制系統(tǒng)中傳感器所檢測的信號如溫度、壓力、流量、速度、濕度等物理量都是隨著時間連續(xù)變化的模擬量，為了能用計算機對模擬量進行采集、加工和輸出，就需要把模擬量轉換成便于計算機存儲和加工的數(shù)字量〔稱為A/D轉換〕；同樣經(jīng)過計算機處理后的數(shù)字量必須轉換成模擬量〔稱為D/A轉換〕才能控制外部設備。我們把能實現(xiàn)A/D與D/A轉換的相關器件集中做在一塊接口電路板上，稱為模擬量輸入/輸出通道。它主要由傳感器、A/D轉換器、信號處理部件、多路開關、采樣/保持器、D/A轉換器等部件組成。第10章210.1.1D/A轉換器的工作原理和主要參數(shù)D/A轉換器是用電阻解碼網(wǎng)絡將N位數(shù)字量逐位轉換成模擬量并求和實現(xiàn)將N位數(shù)字量轉化為模擬量。1.D/A轉換器的工作原理D/A轉換器的模擬量輸出與參考量以及二進制數(shù)成比例關系，可用下面的式子表示：其中X為模擬量輸出，K為比例常數(shù)，VREF為參考量〔電壓或電流〕，B為待轉換的二進制數(shù)，通常B的位數(shù)為8位、12位等。第10章3第10章〔1〕二進制加權電阻D/A轉換器：其結構如圖10-1所示。該電路由權電阻、位切換開關、反響電阻和運算放大器等組成。圖10-1二進制加權電阻D/A轉換器4第10章〔2〕梯形電阻D/A轉換器：如圖10-2所示，該電阻網(wǎng)絡中僅有R和2R兩種電阻，切換開關的工作原理與二進制加權電阻網(wǎng)絡D/A轉換工作原理相同。圖10-2梯形電阻D/A轉換器的結構52.D/A轉換器的主要參數(shù)〔1〕精度：指D/A轉換器的實際輸出與理論滿刻度輸出之間的差異?！?〕分辨率：指當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時所對應的輸出模擬量的變化量?！?〕建立時間：指當D/A轉換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量到達穩(wěn)定數(shù)值所需要的時間?！?〕溫度系數(shù)：環(huán)境溫度的變化會對D/A轉換精度產(chǎn)生影響，分別用失調溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示?！?〕非線性誤第10章6第10章71.DAC0832的內(nèi)部結構DAC0832的內(nèi)部結構框圖如圖10-3所示，它由8位輸入鎖存器、8位DAC存放器、8位DAC轉換器及轉換控制電路構成，DAC轉換器采用梯型電阻網(wǎng)絡。第10章8第10章圖10-3DAC0832的內(nèi)部結構9第10章2.DAC0832的引腳功能DAC0832為20腳雙列直插式封裝，如下圖。10第10章3.DAC0832的工作方式DAC0832內(nèi)部有兩個存放器，能實現(xiàn)3種工作方式：〔1〕直通方式〔2〕單緩沖方式〔3〕雙緩沖方式4.DAC0832的輸出DAC0832是電流形式輸出，當需要電壓形式輸出時，必須外接運算放大器。如圖10-5所示。11第10章〔a〕反相輸出〔b〕同相輸出圖10-5DAC0832的輸出125.DAC0832芯片與微機接口電路的設計選擇和使用D/A轉換器時要注意以下幾點：〔1〕合理選擇DAC芯片?！?〕設計和連接接口〔3〕配置參考電源DAC芯片作為一個輸出設備接口電路，與主機的連接比較簡單，主要是處理好數(shù)據(jù)總線的連接。第10章1310.2典型A/D轉換器芯片10.2.1A/D轉換器工作原理和主要參數(shù)1.A/D轉換器的分類及工作原理按照輸入模擬量的極性分類，A/D轉換器可以分為單極型和雙極型兩種；按照輸出數(shù)字量分類，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；按照A/D轉換器的轉換原理分類，可以分為積分型、逐次逼近型和并行轉換型。逐次逼近型A/D轉換器如圖10-9所示。第10章14第10章圖10-9逐次逼近型A/D轉換器15逐次逼近型A/D轉換器的主要特點是：轉換速度較快，轉換時間在1～100μs以內(nèi)，分辨率可達18位，特別適用于高精度和高頻信號的A/D轉換；轉換時間固定，不隨輸入信號的大小而變化；抗干擾能力不如雙積分型A/D轉換器，需要采取適當?shù)臑V波措施。這類典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD574等。第10章162.A/D轉換器的主要性能參數(shù)〔1〕分辨率：反映A/D轉換器對輸入微小變化的響應能力?！?〕精度：采用絕對誤差和相對誤差兩種方法來表示。〔3〕轉換時間：指完成一次A/D轉換所需要的時間?！?〕溫度系數(shù)：是表示A/D轉換器受環(huán)境溫度影響的程度?！?〕量程：指所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。〔6〕邏輯電平及方式：多數(shù)A/D轉換器輸出的數(shù)字信號與TTL電平兼容，以并行方式輸出?！?〕工作溫度范圍：一般為0～70℃。第10章17第10章10.2.2ADC0809轉換器及其應用逐次逼近式A/D轉換器ADC0809片內(nèi)有8路模擬開關，可以同時連接8路模擬量，單極性，量程為0～5V，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與微機總線相連接。該芯片有較高的性能價格比，適用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業(yè)控制領域。由于其價格低廉，便于與微機連接，因而應用十分廣泛。181.ADC0809的結構及工作原理ADC0809采用單一的十5V電源供電，外接工作時鐘為500kHz時，轉換時間大約為128ms，工作時鐘為640kHz時，轉換時間大約為100ms。ADC0809的邏輯結構如圖10-10所示，其內(nèi)部由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關、電壓比較器、逐次逼近存放器、邏輯控制和定時電路組成。其根本工作原理是采用對分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。第10章19第10章圖10-10ADC0809的邏輯結構20第10章213.ADC0809的引腳功能ADC0809引腳如下圖。第10章22第10章4.ADC0809與微機接口A/D轉換芯片一般都具有數(shù)據(jù)輸出、啟動轉換、轉換結束、時鐘和參考電平等引腳。ADC芯片與主機的連接就是處理這些引腳的連接問題。根據(jù)A/D轉換芯片的數(shù)字輸出端是否帶有三態(tài)鎖存緩沖器，與主機的連接可以分為兩種方式：第一種是直接相連，主要用于輸出帶有三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片，如ADC0809、AD574等；第二種是用三態(tài)鎖存器，如74LS373/374，或通用并行接口芯片，如Intel8255，適用于不帶三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片。2310.3模擬接口應用實例設計并分析一個在PC機ISA擴展槽上采用中斷方式進行8路數(shù)據(jù)采集和單通道模擬量輸出的接口電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求采用ADC0809及DAC0832構建一個通用的8位A/D輸入、D/A輸出的采集卡，利用PC微機系統(tǒng)的IRQ2信號作為ADC的外部中斷信號，使ADC的8個通道循環(huán)采集，每個通道采樣100次，采集的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存，并在屏幕上顯示結果。第10章24主要設計工作如下：〔1〕根據(jù)要求畫出實現(xiàn)該系統(tǒng)功能的電路原理圖，如圖10-14所示?！?〕設計中斷控制位控制ADC0809的EOC中斷申請，CPU寫入中斷口9FH的數(shù)據(jù)為0時，不允許EOC申請中斷，寫數(shù)據(jù)80H時允許EOC申請中斷。第10章25〔3〕相關的控制端口地址設計為：ADC0809讀數(shù)據(jù)端口地址1FH；ADC0809啟動轉換端口地址3FH；通道地址由數(shù)據(jù)總線的低3位D2～D0編碼產(chǎn)生，口地址也為3FH；DAC0832使能地址5FH；中斷申請端口地址9FH；地址譯碼功能由74LS138譯碼器和相關門電路完成?！?〕由于D/A變換程序比較簡單，只需向5FH端口寫一個數(shù)據(jù)就可以了，所以下面程序是為進行A/D變換的數(shù)據(jù)采集程序。程序中對8個通道采集數(shù)據(jù)，每個通道采集數(shù)據(jù)100個，數(shù)據(jù)放在BUFF開始的存儲區(qū)。第10章26第10章圖10-148位數(shù)據(jù)采集電路27第10章DAC0832是8位D/A轉換器，直接輸出電流量，假設片內(nèi)有輸出放大器，那么能輸出電壓量，并能實現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出。D/A轉換器的轉換速度較快，一般其電流建立時間為1μs。ADC0809是逐次逼近型8位A/D轉換芯片，片內(nèi)有8路模擬開關，可以同時連接8路模擬量，單極性，量程為0～5V，典型的轉換速度為100μs，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線連接。本章小結28實際應用中，A/D、D/A轉換器的選擇要考慮轉換精度和分辨率滿足系統(tǒng)的需求；轉換速率要根據(jù)被測