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微机原理及接口技术第9章 数模和模数转换器

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精品课件-微机原理与接口技术-第9章

精品课件-微机原理与接口技术-第9章

第9章 D/A、A/D转换接口 图9.2 D/A转换的基本原理
第9章 D/A、A/D转换接口
DAC的输出形式有电压、电流两大类型。电压输出型的DAC 相当于一个电压源，内阻较小，选用这种芯片时，与它匹配的 负载电阻应较大；电流输出型的DAC相当于电流源，内阻较大， 选用这种芯片时，负载电阻不可太大。
第9章 D/A、A/D转换接口
在实际应用中，有时仅要求输出是单方向的，即单极性输 出，其电压通常为0～+5 V或0～+10 V；有时则要求输出是双 方向的，即双极性输出，如电压为±5 V、±10 V。单极性和 双极性输出电路分别如图9.4(a)和(b)所示。在图9.4(b)中， 通过运算放大器A1将单极性输出转变为双极性输出，由UREF为A2 提供一个偏移电流，该电流方向应与A1输出电流方向相反。
第9章 D/A、A/D转换接口
能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字/模拟转换器， 简称DAC或D/A转换器。
计算机通过ADC或DAC与外界使用模拟量的设备相连接的技 术就是模拟接口技术，它是计算机应用于自动控制领域的基础。 一个典型的计算机测控系统如图9.1所示。
第9章 D/A、A/D转换接口 图9.1 典型的计算机检测、控制系统框图
第9章 D/A、A/D转换接口
二—十进制的转换公式： B=bn-1bn-2… b1b0=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+ b1×21+b0×20
式中，B表示转换后的十进制数；bn-1为二进制数的最高位， b0为二进制数的最低位。
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。DAC的主要部件是电阻开关网 络，它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。最简单的DAC电路如图9.2(a)所示。

数模和模数转换

数模和模数转换
通过模数转换，将模拟信号转换为数字信号， 实现过程控制和反馈控制。
自动控制系统
通过模数转换，实现模拟信号与数字信号之 间的转换，构建自动控制系统。
05
数模和模数转换的挑战与未 来发展
精度和分辨率的提高
总结词
随着技术的发展，对数模和模数转换 的精度和分辨率的要求越来越高。
详细描述
为了满足高精度和分辨率的需求，需 要采用先进的工艺、算法和校准技术， 以提高转换器的性能。这涉及到对噪 声抑制、非线性校正等方面的深入研 究和技术创新。
重要性
实现数字信号和模拟信号之间的相互转换，使得数字系统和模拟系统能够进行有效 的信息交互。
在信号处理中，数模和模数转换是实现信号滤波、放大、调制解调等操作的基础。
在通信中，数模和模数转换是实现信号传输、编解码、调制解调等操作的关键环节。
历史背景
早期的数模和模数转换器主要依 赖于机械和电子元件，精度和稳
于长距离传输和低功耗应用。
Σ-Δ DAC
03
Σ-Δ DAC采用过采样和噪声整形技术，具有高分辨率和低噪声
的特点，适用于音频和其他高精度应用。
DAC的应用
音频处理
DAC可将数字音频信号转换为模拟音频信号，用 于音频播放和处理。
仪器仪表
DAC可用于将数字信号转换为模拟信号，实现各 种物理量的测量和输出。
测量仪器
ADC在测量仪器中应用广泛，如电压表、电 流表、温度计等。
控制系统
ADC在控制系统中用于实时监测和调节系统 参数，如工业控制、汽车电子等。
音频处理
ADC在音频处理中用于将模拟音频信号转换 为数字信号，便于存储、传输和处理。
04
数模和模数转换的应用场景
音频处理

微机原理与接口技术课件：09 数模转换器da

微机原理与接口技术课件：09 数模转换器da
（3）与外设相连信号
VREF：参考电压输入。 -10V～+10V，一般为+5V或+10V
IOUT1 ：模拟电流输出，接运放反相端。 IOUT2：模拟电流输出， D/A转换差动电流输出。
用于连接运算放大器的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 VCC：数字电路供电电压 AGND、DGND：模拟地和数字地
17
2 0832外部引脚
2.3 0832引脚信号
（1）输入寄存器控制信号
D7～D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS：片选信号 WR1：写输入锁存器
（2）用于DAC寄存器的控制信号
WR2：写DAC寄存器 XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器
18
2 0832外部引脚
2.2 0832引脚信号
12
1 0832数模转换
1.8 主要技术指标
（1）分辨率
输入的二进制数每±1个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。 可用输入数字量的位数来表示，如8位、10位等；也可用 一个LSB使输出变化的程度来表示。 例：一个满量程为5V的10位D/A变换器，±1 LSB的变化将使 输出变化 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV （LSB-Least Significant Bit）
11
1 0832数模转换
1.7 R-2R梯形电阻网络
Rf
n-1
210
Vi -
Vo
+
2R
Vref
R
Vn-1
2R 2R 2R
...
R R 2R
V2
V1 V0
倒向左边：支路中电阻接地，即该位为0； 倒向右边：支路接入加法电路的相加点Vi，即该位为1。

数模和模数转换器m讲课文档

数模和模数转换器m讲课文档
量化编码就是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限 的离散信号，再将这些离散信号用对应量化电平的一组二进 制代码表示。
第二十五页，共53页。
采样定理：
输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率 为fs，如果fs>2fmax，则可以无失真地复现输入信号。
第二十三页，共53页。
2、 ADC的转换原理
采样保持电路
采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，通过采样脉冲 的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。 所以采样又称为波形的离散化过程。
电子开关S
受CP控制
CP
ui
ui′
S
输入模拟电压
ADC
取样展宽信号
采样保持电路
采样过程是通过模拟电子开关 S实现的。模拟电子开关每隔一定的
能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称 D/A转换器；能将模拟量转换为数字量的装置称为模/转换器， 简称A/D转换器。
传感器
模拟控制
模 ADC 拟 信 号 DAC
数字计算机
控制对象
数字信号
第三页，共53页。
7.1.1 DAC的基本概念和结构组成 1、DAC的基本概念 数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表 模拟量，转换器用C表示。目前常见的D/A 转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒 梯形电阻网络D/A转换器等。
低。
第九页，共53页。
2、绝对精度(或绝对误差)和非线性度 绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际
值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。
在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。
非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。

模数与数模转换器

模数与数模转换器
25
10.2 A/D转换器
A/D转换的一般工作过程
2. 量化与编码 量化
数字信号在数值上是离散的。将采样–保持电路的输出 电压按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上的过程。
量化单位 量化过程中所取最小数量单位。量化单位用表示。它
是数字信号最低位为1时所对应的模拟量用 表示，即 1 LSB。
15
10.1 D/A转换器
D/A转换器的主要技术指标
1. 分辨率:
分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等 级数。n 位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转 换器的分辨率越高。
分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比
给出。n 位D/A转换器的分辨率可表示为
1 2n 1
R
5 VREF 8
R
4 VREF 8
R
3 VREF 8
R
2 VREF 8
R
1 VREF 8
R
D2 D1 D0
Y7
Y6
3
Y5 线
|
Y4 8
线
Y3 译
码
Y2 器
Y1
Y0
–
vO
+ 缓冲器
14
2.集成电阻串联分压式D/A转换器
DAC121S101是CMOS12位D/A转换器
等值电阻 串联分压网络
(4096 个)
通常建立时间在100 ns ~几十s之间，有的厂家给出的高 速D/A指标可达1 ns一下，一般100ns就算转换速度比较快了。
17
10.1 D/A转换器
集成D/A转换器的应用
(2) 脉冲波产生电路
10V
VREF
AD7533

第9章 数模转换和模数转换

第9章 数模转换和模数转换

。
数字电路与逻辑设计
Rf
（2）求和放大器A：为 一个接成负反馈的理想 运算放大器。即：AV＝ ∞，iI＝0，Ro＝0。由于 负反馈，存在虚短和虚 断，即V－≈V＋＝0， iI＝ 0。
I A vO
VREF
输入数字Di=1时，开关Si将电阻23-iR接到基准电压VREF上， 在23-iR上的电流为
Ii VREF VREF i D = D 2 i i 23 i R 23 R
2
i
VREF ()
注意：该电路转换精度较高，
虑的是恒流源特性问题。
RI f4 2
但电路结构较复杂，主要考 vo I Rf Rf4I (20 D0 21 D1 22 D2 23 D3 )
2 D
i 0
3
i
数字电路与逻辑设计
改进：采用具有电流负 反馈的BJT恒流源电路 的权电流D/A转换器：
数字电路与逻辑设计
第9章 数模转换和模数转换
本章要点 本章分别讲授了数模转换和模数转换的基本原理和常 见的典型电路。文中主要介绍数模转换的基本原理，数模 转换器的转换精度和转换速度，分别介绍了权电阻网络数 模转换器，倒 T型电阻网络数模转换器和权电流型数模转 换器；然后介绍了模数转换的一般原理和步骤，分别介绍 了并联比较型模数转换器，逐次逼近型和双积分型模数转 换器的工作原理。
Rf VREF 3 2Rf VREF 3 i i vO I Rf Rf I i ( D 2 ) ( D 2 ) i i 3 4 R 2 i 0 R 2 i 0 i 0
3
若取反馈电阻Rf=R/2，则输出模拟电压表达式为
VREF 3 vO I Rf 4 ( Di 2i ) 2 i 0

微机接口课件第9章AD与DA转换


CSEG ENDS
END /D转换器概述
将连续变化的模拟信号转换为数字信号的 装置称为A/D转换器，简称ADC。
1．ADC原理
A/D转换器按照工作原理可分为计数式A/D 转换器、双积分式A/D转换器和逐次比较式 A/D转换器三种。
（1）计数式A/D转换器
微机原理与接口技术
作者：徐建平 成贵学
第9章 A/D与D/A转换
在微型计算机的输入/输出系统中，常 需要把外界连续变化的模拟信号送入计 算机进行运算，或者把计算机中经过处 理的数字信号输出控制某些外设。
完成由模拟信号到数字信号或由数字 信号到模拟信号转换的过程分别称为模 /数（A/D）转换或数/模（D/A）转换。
其中，若Di＝1，则开关Si闭合；若Di＝0， 则开关Si断开。
（2）T型电阻网络
常用的方法是采用T型电阻网络，这种方法 只使用两种阻值的电阻（R和2R），如图9-3 所示。各处的电压依次为：
2．DAC技术指标
（1）分辨率 分辨率指的是输出电压的最小变化量与满量
程输出电压之比，表明了D/A转换器的一个 最低有效位（LSB）使输出变化的程度。 分辨率也常用输入二进制数的位数来描述， 位数越多，则分辨率越高，转换时对应输入 模拟信号的电压值越小。
（5）温度灵敏度
温度灵敏度指的是，在满量程时，温度每升 高1℃，输出模拟值变化的百分数。它反映 了D/A转换器对温度变化的灵敏程度。
（6）输出范围
所谓输出范围，指的是D/A转换器输出电压 的最大范围，一般为5V~10V。输出电压一般 与参考电压、运算放大器的连接方式等有关。
9.1.2 D/A转换器芯片 DAC0832
（1）单缓冲方式
单缓冲方式是指，使输入寄存器或DAC寄存器 中的一个处于直通状态，即输入数据经过一 级缓冲就送入D/A转换器。

计算机接口与微机原理-第9周-模拟数字转换器ADC0809

计算机接⼝与微机原理-第9周-模拟数字转换器ADC0809模拟数字转换器ADC0809n模/数转换器n模/数转换器的性能参数n模/数转换原理n ADC 0809的内部结构图n ADC 0809的⼯作⽅式n ADC 0809芯⽚的接⼝电路中⼭⼤学信息科学与技术学院陈任数/模和模/数转换v当⽤计算机来构成数据采集或过程控制等系统时，所要采集的外部信号或被控制对象的参数，往往是温度、压⼒、流量、声⾳和位移等连续变化的模拟量。

v计算机只能处理不连续的数字量，即离散的有限值。

v因此，必须⽤模数转换器即A/D转换器，将模拟信号变成数字量后，才能送⼊计算机进⾏处理。

v计算机处理后的结果，也要经过数模转换器即D/A转换器，转换成模拟量后，在⽰波器上显⽰结果波形和在记录仪上描记下来，或驱动执⾏部件，达到控制的⽬的。

模/数转换器v我们时常需要把模拟信号转化为数字信号, 以便进⾏数据的存储，处理和传输，如：把电压，电流，光，声⾳等模拟信号转化为数字信号。

v模/数转换器可以把模拟信号转换为数字信号，也称为ADC(Analog-to-Digital Converter)。

模数转换器ADC模拟信号数字信号模拟信号8位模数转换器ADC8位⼆进制数X 参考电压: V refv输⼊模拟信号(如，电压值0~+5V) ，启动模数转换，产⽣8位⼆进制数输出。

start模/数转换器原理v实现A/D转换的基本⽅法有⼗⼏种，常⽤的有计数法，逐次逼近法，双斜积分法和并⾏转换法。

v逐次逼近式A/D转换具有速度快，分辨率⾼等优点，且采⽤这种⽅法的ADC芯⽚成本较低，因此在计算机数据采集系统中获得了⼴泛的应⽤。

v逐次逼近式A/D转换器的转换原理是建⽴在逐次逼近的基础上，把输⼊电压V i和⼀组从参考电压分层得到的量化电压进⾏⽐较，⽐较从最⼤的量化电压开始，由粗到细逐次进⾏，由每次⽐较的结果来确定相应的位是1还是0。

不断⽐较和逼近到两者差别⼩于某⼀误差范围时即完成了⼀次转换。

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控制信号 受控对象
9.1 D/A和A/D在微机控制系统中的作用
1. 输入测量 传感器 放大器 低通滤波 多路开关 采样保持器 A/D转换器
是输入测量部分的 核心环节，其功能 是将模拟输入电信 号转换成数字量(二 进制数或BCD码等)， 以便由计算机读取、
分析处理。
9.1 D/A和A/D在微机控制系统中的作用
DAC0832是国内使用较为普遍的8位D/A转换器，它采 用CMOS/Si-Cr工艺制成，分辨率为8位，功耗只有 20mW，绝对精度为±(1/2)LSB，建立时间为1μs，单 一电源供电，电源电压范围从+5V～+15V。
1.内部结构 从图9-5可以看出DAC8032内部有一个8位输入寄存器
17 XFER IOUT2 ： 模拟电流输出端2
16
DI4
RFB ： 内部反馈电阻引出端
15
DI5
VREF ： 参考电压输入端
14
DI6
13
DI7
VCC ： 数字电源端 AGND：模拟信号地。
12
IOUT2
11
IOUT1
DGND：数字信号地。
图9-6 DAC0832的引脚
9.2.3 D/A转换器DAC0832
第9章 数模(D/A)和模数(A/D)转换器
9.1 D/A和A/D在微机控制系统中的作用
D/A转换器
是将数字量转换成模拟电压或电流的器件或装置，它 是数字系统或计算机与模拟系统之间的接口。
A/D转换器
是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它 是模拟系统与计算机或数字系统之间的接口。
图9-1，是一个简单的模拟输入输出控制系统框图。
Vout
Iout Rf
2VREF R
(1


0


0


0

)
R 2


1 2 VREF
2.5V
9.2.2 D/A转换器的主要性能指标
1. 分辨率 2. 转换精度
（1）绝对精度 （2）相对精度 3. 失调误差 4. 线性误差 5. 建立时间
9.2.3 D/A转换器DAC0832
S3
S2
S1
S0
Iout P
D3
D2
D1
D0
虚地
当某位Di = 1 时，相应开关 闭合，接通权 电阻；Di = 0 时，开关断开。
电子开关 Rf
If
-
Vout
+
运算放大器
图9-3 权电阻网络DAC
9.2.1 D/A转换的基本原理
流入P点的总电流为：
Iout

D3 I3
D2I2
D1I1 D0I0
9.1 D/A和A/D在微机控制系统中的作用
……
现场 信号1 传感
器
现场 信号2 传感
器
现场 信号n 传感
器
放大 器
低通 滤波
模拟信号
采样 保持器
A/D 转换器
数字信号
放大 器
低通 滤波
多 路 开
关
输
出
放大
低通控Βιβλιοθήκη 器滤波制输入测量
图9-1模拟输入输出控制系统
微型 计算机
数字信号 D/A 转换器
模拟信号 放大驱 动电路
8 VREF
12 IOUT2
11 IOUT1
9 RFB
3 AGND
20 VCC
10 DGND
9.2.3 D/A转换器DAC0832 2. 引脚说明
CS 1
WR1
2
AGND 3
DI3
4
DI2
5
5条控制线
DI1
6
DI0
7
VREF
8
RFB
9
DGND 10
20
VCC 8条数据线
19
ILE
18
WR2
IOUT1 ： 模拟电流输出端1
2. 输出控制
由于许多受控对象的输入和输出信号为模拟量，而微 型计算机输出的是数字量，因此，需要将计算机输出 的数字量转换成模拟的电流或电压，这个任务主要由 数/模(D/A)转换器来完成。
通常D/A转换器输出的电流或电压很小，不足以驱动受 控对象，所以需要放大驱动电路，即功率放大电路， 将D/A输出的电流或电压放大到足以驱动受控对象。

D3
VREF R

D2
VREF 2R

D1
VREF 4R

D0
VREF 8R

2VREF R
(D3 21

D2 22

D1 23

D0 24 )
运放的输出电压：
Vout I f Rf
9.2.1 D/A转换的基本原理 如果Rf = R/2，输入数字量D3D2D1D0 =1000， VREF = +5V ，则输出电压Vout为：
DAC0832处于直通方式，输入端 DI7～DI0一旦出现数字信号就立即 进行D/A转换，由于输入不使用缓冲 寄存器，所以不能和计算机系统的 数据线直接相连。
9.2.3 D/A转换器DAC0832
注意：在进行D/A(A/D)转换时，要正确处理芯片的接 地问题。
D/A转换器(A/D转换器)的内部主要是模拟电路，而运 算放大器内部则完全是模拟电路，在设计D/A(A/D)转 换电路时，比如要有其他的门电路、译码器等协同工 作，它们是数字电路，因此，就存在“模拟”和“数 字”两个系统，为了避免干扰，应当把系统的“数字 地”连在一起，“模拟地”连在一起，然后再把数字 地和模拟地连接到一个共地点。
3. 工作方式
双缓冲方式的优点是：在D/A转换的
同时，可以接收下一个待转换的数
DAC0832有3种工作据 D方/A，转从式换而：接提口高，转要换求效同率步。进对行于D多/A路输
(1) 双缓冲方式
出时，必须采用双缓冲方式。
(2) 单缓冲方式
采用单缓冲方式是令两个寄存器中 的一个处于直通状态。
(3) 直通方式
9.2.3 D/A转换器DAC0832
4. DAC0832的应用
（1）DAC0832与8088微处理器的连接 DAC0832片内有两个寄存器作为输入和输出之间的缓
9.2 D/A转换器接口
9.2.1 D/A转换的基本原理
二进制码或BCD码表示的数字量通过D/A转换器转化为 模拟量，转换器输出的模拟量与输入二进制码或BCD 码成正比。
下面分析图9-3所示的权电阻网络
9.2 D/A转换器接口
参考电压
电阻网络
a
b
c
d
VREF
I3 R I2 2R I1 4R I0 8R
和一个8位DAC寄存器
9.2.3 D/A转换器DAC0832
13 DI7
14 DI6 15 DI5 16 DI4
4 DI3 5 DI2 6 DI1 7 DI0
19 ILE
8位 输入 寄存器
LE1 ＆
8位 DAC 寄存器
LE2
8位 D/A 转换器
1 CS 2 ＆
WR1
18
WR2 17
＆
XFER
图9-5 DAC0832内部结构