1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理及實(shí)驗(yàn),主講人：李宗德 2011年7月29日,本講內(nèi)容： ADC基礎(chǔ)知識(shí) ADC0804實(shí)驗(yàn) DAC基本知識(shí) DAC0832實(shí)驗(yàn) 總結(jié),第一部分：ADC基礎(chǔ)知識(shí),模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述 ADC的主要技術(shù)指標(biāo) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的分類(lèi) 常用的ADC 如何選取ADC？,所謂模數(shù)轉(zhuǎn)換，就是將模擬信號(hào)（電壓或電流）通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路（例如單片機(jī)）可以處理的數(shù)字量 形象的說(shuō)，ADC就是一個(gè)單片機(jī)可以對(duì)其進(jìn)行讀取的數(shù)字電壓表（電流表）,模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述,A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程就是用模擬量A與參考量R比較的過(guò)程，因此，電

2、壓比較器就成了A/D轉(zhuǎn)換器中重要部件。,1,比較器的輸出為,ADC的關(guān)鍵部件比較器,ADC精度n位，參考電壓Vref，待測(cè)電壓Vin，ADC輸出數(shù)據(jù)N,ADC電路的構(gòu)成,ADC的主要技術(shù)指標(biāo),轉(zhuǎn)換速率：每秒鐘采樣的次數(shù) 轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時(shí)間不一定是倒數(shù)關(guān)系。 轉(zhuǎn)換速率越快性能越好，但功耗會(huì)越大。 一般來(lái)講并口的ADC轉(zhuǎn)換速率比串口(SPI、IIC等)ADC要快。 常用單位： SPS（每秒次） KSPS（每秒千次） MSPS（每秒百萬(wàn)次）。,兩次轉(zhuǎn)換過(guò)程允許有部分時(shí)間的重疊，因而轉(zhuǎn)速率大于轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)，這稱(chēng)作管線（pipelining）工作方式。,轉(zhuǎn)換精度：采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。 精度越高

3、越好，但對(duì)電源質(zhì)量、電壓基準(zhǔn)源精度要求越高。 分辨率習(xí)慣用輸出二進(jìn)制位數(shù)或者BCD碼位數(shù)表示。也可以用滿(mǎn)刻度值與 之比來(lái)表示，也就是1LSB （最低有效位） 。 常見(jiàn)的ADC精度：低精度，8位，10位，12位；高精度，14位，16位；極高精度，18位，24位。 有效數(shù)字轉(zhuǎn)換表：三位半(-1999+1999)，1112位；四位半，1516位；五位半，1819位；六位半，2122位 例如：若滿(mǎn)量程為10V，根據(jù)分辨率定義則分辨率為10V/ 。設(shè)8位ADC，即n=8，分辨率為10V/256=39.1mV。 轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，它表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的

4、差別，一般多以LSB的倍數(shù)給出。,ADC的主要技術(shù)指標(biāo),單片機(jī)內(nèi)置ADC 某些型號(hào)的單片機(jī)、DSP、ARM將ADC集成到芯片內(nèi)部，ADC相當(dāng)于單片機(jī)的一個(gè)片上外設(shè)，通過(guò)寄存器對(duì)ADC進(jìn)行操作。 AVR、MSP430、PIC單片機(jī)均有內(nèi)置的ADC MCS51出現(xiàn)的時(shí)間比較早，沒(méi)有內(nèi)置ADC 獨(dú)立的ADC芯片 接口類(lèi)型：并口(Intel總線)、SPI接口、IIC接口 電源電壓：低電壓型(兼容數(shù)字電源的1.8V、3.3V、5V)，高壓型(6V30V) 電源極性：?jiǎn)坞娫?0+Vdd)，雙電源(-Vee，+Vdd) 通道數(shù)：?jiǎn)瓮ǖ馈⒁话愣嗤ǖ?通過(guò)多路復(fù)用的模擬開(kāi)關(guān)切換)、獨(dú)立多通道(相當(dāng)于一個(gè)芯片內(nèi)部

5、包含多個(gè)ADC),模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的分類(lèi),工作原理：直接，間接 盡管A/D轉(zhuǎn)換器種類(lèi)很多，但是目前應(yīng)用較廣泛的主要有以后下幾種：逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，雙積分式轉(zhuǎn)換器，-式轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)換器。 逐次逼近型，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性能好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。 -式轉(zhuǎn)換器具有積分式與逐次逼近式ADC的雙重優(yōu)點(diǎn)。 V/F轉(zhuǎn)換器適用于轉(zhuǎn)換速度要求不高，需進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)腁/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。,獨(dú)立ADC芯片 ADC0804:8bit,25ksps,單通道 ADC0809:8bit,25ksps,1X8通道 ADS8370

6、:16bit,600ksps,單通道,內(nèi)置4.096V電壓基準(zhǔn) MC14433:三位半,1-10次/秒(雙積分型) ICL7109:12bit,30次/秒(雙積分型) 集成ADC AVR:10bit,15ksps,1X8通道,內(nèi)置1.15/2.5V電壓基準(zhǔn) MSP430:12bit,200ksps,1X8通道,內(nèi)置1.5/2.5V電壓基準(zhǔn) TMS320F2812:12bit,5Msps,2X8通道,內(nèi)置2.5V電壓基準(zhǔn) LPC2148:10bit,400ksps,1X8通道,無(wú)內(nèi)置電壓基準(zhǔn),常用的ADC,如何選取ADC？,ADC位數(shù)的確定 至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。 注意：實(shí)際AD

7、C位數(shù)，你的ADC能達(dá)到的位數(shù)。 ADC轉(zhuǎn)換速率的確定 采樣定理和實(shí)際需求。 另外需要考慮采集信號(hào)幅度大小,拓展：采樣定理,奈奎斯特準(zhǔn)則 1.為避免信息丟失，帶寬為fa的模擬信號(hào)必須以fs2fa的采樣速率進(jìn)行采樣。 2.若fs2fa，則模擬信號(hào)帶寬中將發(fā)生混疊現(xiàn)象。 注意：取樣頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間就越短，轉(zhuǎn)換電路必須有更快的速度。通常取fs=(35)fa。,第二部分：ADC0804實(shí)驗(yàn),真值表都可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)上查看。,管腳功能說(shuō)明 Intel總線接口 A/CS：芯片選擇信號(hào)。 VREF：輔助參考電壓。 /WR：用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制當(dāng)/WR自1變?yōu)?時(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng)/WR回到1時(shí)，轉(zhuǎn)換正式啟動(dòng)；

8、 /RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制腳輸出信號(hào)。 DB0DB7：8位數(shù)字輸出。 /INTR：中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出，低電平有效 AGND，DGND：模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)接地。 CLK IN，CLK R：時(shí)鐘輸入或接振蕩元件(R，C)，頻率約限制在100KHz1460KHz VIN(+)，VIN(-)：差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時(shí)，VIN(-)接地；,時(shí)序,啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,時(shí)序,讀取數(shù)據(jù),ADC0804操作流程 啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換 WR的低電平作為啟動(dòng)信號(hào)，可以通過(guò)Intel總線寫(xiě)入一字節(jié)任意的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 等待轉(zhuǎn)換完成： 常態(tài)以及正在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，INTR引腳保持為高電平；一次轉(zhuǎn)換完成后INTR會(huì)變?yōu)榈碗娖?/p>

9、?？梢詫NTR接在單片機(jī)外部中斷上，在中斷服務(wù)程序中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 可以通過(guò)Intel總線讀入操作來(lái)實(shí)現(xiàn),關(guān)于學(xué)習(xí)板上ADC0804的幾個(gè)說(shuō)明 電壓基準(zhǔn)源 對(duì)5V電源用電阻分壓獲得2.5V基準(zhǔn)電壓。 結(jié)果計(jì)算公式 ADC0804是差分輸入，以中間點(diǎn)為0則可測(cè)量的范圍是-Vref+Vref，即-2.5V+2.5V。 將負(fù)輸入端接地，則整體上移2.5V，測(cè)量范圍變?yōu)?5V 采樣頻率 通過(guò)RC諧振回路產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時(shí)鐘fCLK = 1/(1.7*R*C) R=10000,C=47*10-12,帶入得fCLK = 1.25MHz，周期0.8uS 對(duì)應(yīng)采樣頻率約為15KSPS，轉(zhuǎn)換周期約為66u

10、S。,程序,void AD_start(void) AD_cs(0); delay(1); AD_WR=0; delay(2); AD_WR=1; /*發(fā)出寫(xiě)信號(hào)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換*/ delay(1); AD_cs(1); delay(1); ,程序,void main() system_init() ; /中斷初始化 P3 ,第三部分：DAC基本知識(shí),數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述 DAC的主要技術(shù)指標(biāo) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)的分類(lèi) 常用的DAC 如何選取DAC？,數(shù)模轉(zhuǎn)換(DA，Digital to Analog) 將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量的技術(shù)，是模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)的逆過(guò)程。 形象的說(shuō)，單片機(jī)給出一個(gè)電壓(電流)

11、值，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路能將其變成實(shí)際的模擬電壓(電流) 。,數(shù)模轉(zhuǎn)換概述,DAC精度n位，參考電壓Vref，DAC輸入數(shù)據(jù)N，輸出電壓Vout,DAC電路的構(gòu)成,轉(zhuǎn)換速度：簡(jiǎn)單的講就是電壓建立時(shí)間，從輸入數(shù)據(jù)到產(chǎn)生電壓經(jīng)歷的時(shí)間。 相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換速率，越快性能越好，但功耗會(huì)越大。 一般來(lái)講并口的DAC轉(zhuǎn)換速率比串口(SPI、IIC等)DAC要快。 注意：在外加運(yùn)放時(shí)，還需考慮運(yùn)放的上升時(shí)間（或下降時(shí)間）。,DAC的主要技術(shù)指標(biāo),轉(zhuǎn)換精度：采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。 精度越高越好，但對(duì)電源質(zhì)量、電壓基準(zhǔn)源精度要求越高。 分辨率習(xí)慣用輸出二進(jìn)制位數(shù)或者BCD碼位數(shù)表示。也可以用滿(mǎn)刻度值與 之比來(lái)表

12、示，也就是1LSB（最低有效位） 。 常見(jiàn)的ADC精度：低精度，8位，10位，12位；高精度，14位，16位；極高精度，18位，24位。 有效數(shù)字轉(zhuǎn)換表：三位半(-1999+1999)，1112位；四位半，1516位；五位半，1819位；六位半，2122位 例如：若滿(mǎn)量程為10V，根據(jù)分辨率定義則分辨率為10V/ 。設(shè)8位ADC，即n=8，分辨率為10V/256=39.1mV。 轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，它表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別，一般多以LSB的倍數(shù)給出。,DAC的主要技術(shù)指標(biāo),很少有單片機(jī)內(nèi)置DAC，獨(dú)立DAC芯片比較常見(jiàn) 接口類(lèi)型：并口(In

13、tel總線)、SPI接口、IIC接口 電源電壓：低電壓型(兼容數(shù)字電源的1.8V、3.3V、5V)，高壓型(6V30V) 電源極性：?jiǎn)坞娫?0+Vdd)，雙電源(-Vee，+Vdd) 通道數(shù)：?jiǎn)瓮ǖ?、?dú)立多通道(相當(dāng)于一個(gè)芯片內(nèi)部包含多個(gè)DAC) 根據(jù)功能與用途劃分 一般DAC 音頻DA：一般為IIS數(shù)字音頻接口，高精度(16位，24位等) 視頻DA：高速，精度較高(8位以上) 特殊用途DA,數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的分類(lèi),獨(dú)立DAC芯片 DAC0832 : 8bit,1uS DAC0800 : 8bit,100nS MAX541 : 16bit,1uS,SPI接口 DAC900 : 10bit,

14、165MSPS(6nS) CS4334 : 24bit, 192KHz(5.2uS),雙聲道音頻DAC TLC5632 : 8bit,30nS,3通道視頻DAC ADV7123 : 10bit,240MHz(4.2nS),3通道VGA前端芯片,常用DAC型號(hào),如何選取DAC？,DAC位數(shù)的確定 至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。 注意：實(shí)際ADC位數(shù)，你的ADC能達(dá)到的位數(shù)。 DAC轉(zhuǎn)換速率的確定 采樣定理和實(shí)際需求。 電壓與電流輸出形式 電流型的需要有I/V電路。 DAC內(nèi)部是否帶有鎖存器 注意單片機(jī)P0的特殊性。,DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。 ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入

15、線，高電平有效。 CS：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 WR1：為輸入寄存器的寫(xiě)選通信號(hào)。 XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。 WR2：為DAC寄存器寫(xiě)選通輸入線。 Iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)Iout1最大。 Iout2: 電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。 Rfb:反饋信號(hào)輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻. Vcc:電源輸入線 (+5v+15v) Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線 (-10v+10v) AGND:模擬地,摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地. DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準(zhǔn)電源處共地比較好.,第四部分：DAC0832實(shí)驗(yàn),DAC0832有三種不同的工作方式：直通方式、

16、單緩沖方式、雙緩沖方式 直通方式 當(dāng)ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7DI0D輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。 單緩沖方式 單緩沖方式就是使DAC0832的兩輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè)處于受控鎖存方式，或者說(shuō)兩個(gè)輸入寄存器同時(shí)受控的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出的情況，就可以采用單緩沖方式。 雙緩沖方式 雙緩沖方式就是把DAC0832的兩個(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。雙緩沖方式用于多路D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)同步輸出的目的。 采用單緩沖和

17、雙緩沖方式，需要根據(jù)控制時(shí)序圖進(jìn)行程序編寫(xiě)，程序編寫(xiě)較為繁瑣。為此經(jīng)過(guò)比較采用直通方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使電路結(jié)構(gòu)更易連接，單片機(jī)可直接輸出數(shù)據(jù)至DAC0832,無(wú)需考慮控制端的時(shí)序，而且直通方式可以減少時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，減少輸出頻率誤差。,相對(duì)于ADC，DAC使用較為簡(jiǎn)單，DAC0832具有直通狀態(tài)，將數(shù)據(jù)送上去即可。,相對(duì)于ADC，DAC使用較為簡(jiǎn)單，DAC0832具有直通模式(學(xué)習(xí)板采用此種接法)，通過(guò)8路輸出型IO將數(shù)據(jù)送上去即可。 參考電壓源需具備一定的電流驅(qū)動(dòng)能力，因此學(xué)習(xí)板上采用運(yùn)放接一個(gè)電壓跟隨器來(lái)實(shí)現(xiàn)2.5V參考電壓。 DAC0832是電流型輸出型DAC，輸出端要加運(yùn)放轉(zhuǎn)換成電壓。學(xué)習(xí)板上是單電源運(yùn)放的接法，放大2倍，理論上輸出電壓范圍是05V，但DAC0832的電源電壓低于5V時(shí)，內(nèi)部的模擬開(kāi)關(guān)阻值增大，會(huì)引起輸出電壓值降低一定的比例。查閱手冊(cè)可知此比例為1:0.75，故實(shí)際輸出電壓范圍為03.