1、电工电子技术项目化教程任务目标任务目标学习目标：掌握A/D、D/A电路的组成和工作原理；掌握常用的A/D、D/A芯片的使用方法能力目标：掌握利用常用的A/D、D/A芯片的设计电路的方法任务分析任务分析通过对A/D、D/A电路的组成和工作原理的学习，掌握常用的A/D、D/A芯片的使用方法，并利用该芯片完成电子称电路的设计。当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连续变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件
2、（如声卡播放音乐等）。A/D转换器完成模拟量数定量的转换，D/A转换器完成数字量模拟量的转换。这里的A/D、D/A转换器可视作一外部设备，将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行控制与监测。7.1.1D/A7.1.1D/A转换器转换器1D/A转换器的主要性能参数 1.分辨率：该参数是描述D/A转换对输入变量变化的敏感程度。具体指D/A转换器能分辨的最小电压值。分辨率的表示有两种：最小输出电压与最大输出电压之比 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示，位数越多，分辨率越高。分辨率的表示式为：分辨率=Vref/2位数 或 分辨率=（V+ref+V-ref
3、)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV2.转换时间：指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般电流型D/A转换器在几秒到几百微秒之内；而电压型D/A转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。3.转换精度：指D/A转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。如：1/2LSB表示，当D/A分辨率为20mV，则精度为10mV.4.线性度：当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。线性误差 模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。2 DAC的输入输出特性DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器
4、件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求。DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：1.输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连，否则必须添加锁存器。2.输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。3.输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流电压转换。4.输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。3 D/A转换器与CPU的接口1.接口的功能（CPU给
5、DAC送数据无须条件查询）,DAC芯片与CPU或系统总线连接时，可从数据总线宽度是否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来考虑。接口的功能主要考虑以下两点：1）进行数据缓冲与锁存 2）需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行转换 2.接口形式 1）直通 2）通过外加三态门，数据锁存器与CPU相连 3）通过可编程的I/O接口芯片与CPU相连4 D/A转换器接口的设计 1.DAC0832与CPU的接口 1）DAC0832的性能参数 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率：8位 电流型：内部有2级缓冲器 转换时间：1mS 功耗：20mWDAC0832内部结构如图13-
6、1所示，引脚如图13-2所示，图13-3所示为DAC0832与CPU的单缓冲方式连接示意图。图13-1 DAC0832内部结构在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力。声波等），由于计算机只能处理离散的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过程就是A/D转换。图13-2 DAC0832内部结构图13-3 DAC0832与CPU的单缓冲方式连接7.1.2.AD转换接口1 A/D转换器的分类1.按转换速度分；超高速 转换时间330nS 次超高速 转换时间3333 mS 高速 转换时间33330 mS 低速 转换时间330 mS 2.按转换原理分：直接A/D
7、转换器 将模拟信号直接转换成数字信号 间接A/D转换器 先模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量。如电压/时间转换型、电压/频率转换型、电压/脉宽等2 A/D转换原理 A/D转换的原理很多,常见的有双积分式、逐次逼近式、计数式等，输出码制有二进制、BCD码等，输出数据宽度有8位、12位、16位、20位等（二进制和 BCD码）。常用的是逐次逼近式A/D。1.逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器原理如图13-4所示，当转换器接收到启动信号后，逐次逼近寄存器清0，通过内部D/A转换器输出使输出电压V0为0，启动信号结束后开始A/D转换。3 A/D转换器特性 A/D转换器的功能是把模拟量转换为
8、数字量，其主要参数有：1.分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压 ，是反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度。分辨率通常是用A/D的位数来表示，比如 8位、10位、12位等。所以，A/D转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。如：8为ADC满量程为5V,则分辨率为：5000mV/256=20mV，也就是说当模拟电压小于20mV，ADC就不能转换了，所以分辨率一般表示式为：分辨率=Vref/2位数（单极性）或 分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性）2.转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。一般转换速度越快越好（特别是动态信号采集）。常见有：超
9、高速（转换时间1ns）高速（转换时间1s）中 速（转换时间1ms）低速（转换时间100ns.CLK为时钟信号，最大为640KHz。3.ADC0809 接口电路如图13-7所示。图13-7 ADC0809 接口电路7.1.37.1.3数模及模数转换设计方案实例数模及模数转换设计方案实例1数模及模数转换设计总体要求 1.设计要求1）实现8位的数模转换 2）采用分立元件设计。3）所设计的电路具有一定的抗干扰能力。2.设计环境要求 硬件：计算机 软件：Windows XP Protel 99 SE Multisim 2001 IE6.0或其他浏览器 Office 2003 3.数模及模数转换电路设计方
10、案推荐 1）模块一：D/A转换器采用集成芯片DAC0832 实现 使用集成芯片实现D/A转换流程图如图13-8所示：图13-8 D/A转换流程图如图13-9所示为集成芯片DAC0832的引脚图：图13-9 集成芯片DAC0832的引脚图2）模块二：A/D转换器设计方案 利用ADC0809芯片实现 使用集成芯片ADC0809实现电路的设计，ADC0809是采用频率为8位的，以逐次逼近原理进行模数转化的器件。当CS非和WR非同时为低电平有效时，WR非的上升沿启动A/D转换。经过100Us后，A/D转换结束，INTR非信号变为低电平。当CS非和WR非同时为低电平有效时，可以由D0-D7输出端获得转换
11、数据。当其引脚图如图13-10所示：Vin:模拟电压输入端 Vref+:参考电压“+”端，接直流参考源的正端 Vref-:参考电压“-”端。一般与地连接。SOC：启动转换信号端，只有该端从低电平转换成高电平时，转换才开始。EOC：转换结束标志位端，高电平表示转换结束。OE：输出允许端，可与EOC接在一起。图13-10 集成芯片ADC0809的引脚图4.方案选择：1）D/A转换器的方案选择 DAC0832其主要特点是它的分辨率为8位，只需在满量程下调整其线性度可与所有的单片机或微处理器直接接口，需要时亦可不与微处理器连接而单独使用。采用的是单电源供电（+5V+15V）,功耗很低，约为200Mw,
12、电流稳定时间为1us，可双缓冲、单缓冲或直通数据输入，而且其逻辑电平输入并行输入与TTL兼容。2）ADC0809内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它具有转换起停控制端，转换时间为100us，单个+5V电源供电，模拟输入电压范围为0+5V,不需零点和满刻度标准，低功耗，约15mW。2 电路模块设计步骤 1.D/A转换器的设计步骤 1）将D0-D7端接两个LED指示灯输入插口，CP时钟脉冲由脉冲信号源提供。2）变阻器可以实现输入的模拟电流值。3）信号源来决定输入的信号波.4）信号源提供输入信号，经过DAC转换器从D0-D7输出
13、模拟信号。5）由数码管显示来完成数模的转换。2.A/D转换器的设计步骤 本设计采用的是DAC0809集成芯片来实现A/D转换。其引脚图和逻辑框图见前文中所示，3.电路附属部分设计步骤1）将D0-D7端接LED指示灯输入插口。模拟信号由模拟电压端输入的模拟电压交流电压和参考电压端输入的参考电压来提供模拟信号。2）滑动变阻器可以随时改变电阻值，进而改变了输入的模拟电压值。3）信号源来决定输入的信号波。信号源提供输入信号，模拟信号经过ADC模数转换器从D0-D7输出数字信号。数码管显示来完成模数的转换。修改各元件的参数，将电阻设为5千欧，将交流电压设为8伏，直流电压设为12伏。信号发生器的频率设为5
14、00HZ，电压设为5V。任务目标任务目标学习目标：掌握数字电位器的工作原理和使用方法；掌握数字电位器构成的应用电路的原理和电路形式。能力目标：掌握利用数字电位器构成应用电路的方法传统的电位器是通过机械结构带动滑片改变电阻值，因此可以称作机械式电位器，其结构简单、价格低，但由于受到材料和工艺的限制，最容易产生滑动片磨损，导致接触不良、系统噪声大甚至工作失灵，图14-1为常用机械电位器与数控电位器的外形图。图14-1 常用机械电位器与数控电位器的外形图 国外多家公司推出一种采用集成电路工艺生产的电位器，其外形像一只集成块，这种电位器采用数字信号控制，故称为数字电位器，亦称数控电位器。数控电位器一般
15、带总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。它被称为连接数字电路和模拟电路的桥梁，真正实现“把模拟器件放到总线上”。适合构成各种可编程模拟器件，例如可编程增益放大器、可编程滤波器，可编程线性稳压电源及音调/音量控制电路。数字电位器可以应用于PC、手机、闭环伺服控制、音频设备、仪器偏移调整及信号调理、智能式仪表、复印机、打印机等办公设备、电动机控制、全球定位系统、DSP系统中、家用电器、电力监控设备、工业控制、医疗设备等方面。也就是说，任何需要用电阻来进行参数调整、校准或控制的场合，都可使用数控电位器构成可编程模拟电路。.1.1数控电位器与机械电位器的性能比较数控电位器与机械电位器的性能比较.1
16、机械电位器的缺点 传统的机械电位器属于模拟式分立元件，其特点是在标称电阻范围内，通过改变滑动端的位置来获得所需要的任意电阻值。机械电位器的主要缺点如下：1.性能差、噪声大、易污染、怕潮湿、抗振动性差，容易受环境因素的影响。2.体积大、使用寿命短。3.需要手动调节，不仅耗时、费力，而且调节方法及调节效果因人而异，存在人为误差，至使调节精度低，重复性差。4.当触点接触不良时会产生电噪音（即“咔啦”声）。.2.数控电位器优点1.采用集成电路工艺制成的，没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了因滑片磨损而造成接触不良的问题。2.很容易与单片机或计算机接口，通过程序自动调节电阻值，能自动操作，为实现批量产品
17、的自动调节创造了条件。3.具有存储设置或数据的记忆功能。用户可记忆或不记忆方式。选择记忆方式时将电位器当前的调节位置保存在非易失存储器中，下次通电时自动恢复这一位置；选择不记忆方式时，当系统通电时数控电位器就自动复位，恢复到出厂时默认的零位或其他位置上，这一特性是机械电位器无法比拟的。4.重复性好，可靠性高，密封性好，低噪声，不容易受污染，防潮湿，抗振动、抗冲击，基本不受温度、湿度、压力等环境因素的影响、使用寿命长，能提高系统的可靠性。5.体积小，可直接安装在印刷板上，能简化生产流程，提高装配速度，降低系统的成本及维修费用。14.1.3.总结：利用数控电位器代替机械电位器，不仅能改进产品、降低
18、成本、提高可靠性和稳定性，还能利用软件实现系统的自动调节、设置，使系统功能更加强大、使用更灵活。可归纳出数控电位器有以下特点：1.数控电位器可等效为三端可编程电阻。2.互补电阻kR和（1-k）R是输入代码的函数。3.数控电位器可视为能输出电阻值的一种特殊的数/模转换器。4.数控电位器的输出电阻可转换成电压或电流输出.2.2数控电位器的基本工作原理数控电位器的基本工作原理.1.符号和内部结构数控电位器属于集成化的三端可变电阻器件，其等效电路图如图14-3所示。图14-3 数字电位器的等效电路图 当数控电位器作为分压器使用时，其高端、低端、滑动端分别用UH、UL、UW表示；作可 调电阻器使用时，分
19、别用RH、RL、RW（或H、L、W）来表示内部结构如图14-4所示。图14-4 数字电位器的内部结构图 将n只阻值相同或不同的电阻串联在 UH、UL（亦称作RH、RL端）之间，每只电阻的两端分别经过一个由CMOS管 或NMOS管构成的模拟开关连在一起，作为数控电位器（DCP）的抽头。模拟开关等效于单刀单掷开关，且在数字信号的控制下每次只能有一个模拟开关闭合，从而将串联电阻的一个节点连接到滑动端。假定数控电位器为16抽头，步进量为660，滑动端每移动一步，输出电阻值就增加660。考虑到滑动端无论处于哪一位置，都接着一只模拟开关，该模拟开关的电阻值就是滑动端电阻，也是数控电位器的起始电阻。现假定滑
20、动端电阻为100，当滑动端移动15步时就到达RH端与RL端之间的输出电阻应为100+66015=10K。.2.数控电位器的两种基本配置模式两种基本配置方法为：电阻式和输出电压式1.输出为电阻式图14-5所示。图14-5 输出为电阻式图 设H、L端的总电阻为R，滑动端电阻为RW，W-H端的电阻为RWH，W-L 端的电阻为RWL。再假设数控电位器的位数为 m，对数控电位器进行编程的十进制代码为Dn，Dn的范围是0（2m-1）。计算RWH、RWL的公式如下：2.输出为电压式图14-6所示图14-6 输出为电压式图 将数控电位器配置成分压器时，因抽头后面接的是高阻抗电路，故不必考虑滑动端电阻的影响，此
21、时RWH、RWL分别可用RH、RL代替。UH、UL分别为H、L两端对地的电压，UW为输出端的对地电压。计算RH、RL的公式如下 图14-7 数控电位器的串联图.3.连接方式1.数控电位器的串联图14-7。根据图中分析可以得出电压值为2301123/RRUURRRUiRRRRUo43142.数控电位器的并联图14-8。根据图中分析可以得出电压值为：图a中的输出电压为：作可变电阻使用时的并联电路如图14-8b)所示，总阻值为R2R3/(R2+R3)图14-8 数控电位器的并联图 3.数控电位器的混联图14-8。根据图中电路的分析可以得出电压值为：图14-9 数控电位器的混联图.3.3三线加三线加/
22、减式接口的数控电位器原理与应用减式接口的数控电位器原理与应用.1引脚排列见图14-10 X931X、X9CXXX系列是原Xicor（现已并入Intersil公司）生产的数控电位器，其中，X931X系列包含8种型号：X9312，X9313，X9314，X9315，X9316，X9317，X9318，X9319；X9CXXX系列包含4种型号：X9C102，X9C103，X9C104，X9C503。上述产品均可用于直流偏压调整、增益和失调电压调整、可编程稳压器、液晶显示器或激光二极管的偏压电路 图14-10 三线加/减式接口的数控电位器引脚排列.2内部组成 三线加/减式串行接口简称三线接口，它属于异
23、步串行接口，通过三根线来传送控制信号，包括片选信号线（CS）、滑动方向控制信号线（U/）、滑动端控U制信号线（，又称计数脉冲输入信号线）。采用三线加/减式串行接口的数控电位器简化电路及基本用法分别如图14-11（a）（b）所示。Ucc、GND分别接电源和地。UH、UL分别为数控电位器的高端和低端。Uw为滑动端，滑动端位置的数据 就存储在EPROM中，上电时可重新调用，数据能保存100年。为计数脉冲输入端，靠下降沿触发。U/为加/减计数控制端，接高电平时做加计数，接低电平时做减计数。CS为片选端。INCD图14-11 数控电位器简化电路及基本用法 该数控电位器的内部主要包括以下6部分：1.加/减
24、计数器（亦称“升/降计数器”）2.EPROM中 3.存储与调用控制电路 4.译码器 5.由MOSFET构成模拟开关 6.电阻网络该数控电位器经过三线串行接口 与处理器相连CSDU/INC其基本工作原理是当CS 端接低电平（即选中该芯片）时，INC端每输入一个脉冲，计数器就自动加1，所得到的计数值经过译码后，就接通相应的模拟开关，这相当于滑动端移动一次位置，输出电阻值亦随之改变，当U/D接高电平时滑动端向上移位，使UWUL之间的电阻值RWL 增大；当U/D接低电平时向下移位，RWL 减小。.3工作模式X931X、X9CXXX系列有多种工作模式可供选择图14-12为工作模式总表，表中的“X”代表任
25、意状态，“”代表上升沿，“”代表下降沿。图14-13 带缓冲器的基准电压源.4典型应用1.带缓冲器的基准电压源见图14-13所示。2.工作原理：MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高精确度、低温漂、激光修正的带隙基准电压源，其电压温度系数达1010-4%,输入电压范围Ui=+4.5V+15V,输出电压为U0=2.500V典型值。U0经过数字电位器分压后，得到0V2.500V范围的基准电压。再经过由LMC7101组成的缓冲器A，获得所需要的的基准电压UREF2.手控调压电路见图14-14所示。电路工作原理：该电路是由X9312构成0+5.00V输出的按键式调压电路。将UH端+5V，UL端接地。从
26、UW端输出0+5.00V的可调电压。这里R1、R2均为上拉电阻。若只按动开关S1，输出电压就升高，每按一次S1，电压就升高0.05V，最高到5.00V。若按住S2后不松开（使U/D端保持低电平），再按动S1时，输出电压就会降低，每按一次S1电压降低0.05V，最低到0V。因CS端接地，故不能对滑动端位置进行存储，每次上电时自动将输出电压调整到0V。图14-14 手控调压电路 2.可编程增益音频功率放大器电路见图14-15所示。图14-15 可编程增益音频功率放大器电路 电路工作原理：LM386是美国NSC公司生产的低电源电压音频功率放大器，采用+5V电源供电时，最大输出功率可达250mW。音频
27、信号经过隔直电容C1接X9314的UH端，经过X9314分压后，再通过低通滤波器（R1、C3）滤除高频率噪声，送至LM386的同相输入端。LM386的输出经过输出缓冲网络（R2、C6）和输出耦合电容C7，驱动4扬声器。当LM386的第1脚和第8脚开路时，其增益为20倍，折合20Ig20=26dB 若在第1脚和第8脚之间接上10F电容器C8，则增益可提高到200倍，折合20Ig200=46dB。单片机通过三线加/减式接口来控制X9314的输出电压，即可调节音频功率放大器的增益。此外，只需增加振荡电路及门电路后，X9314还可配按键开关，实现手动控制增益。若采用LM380型音频功率放大器并使用+12V电源，则最大输出功率可提高到1W。4.X9312与89C2051单片机的接口电路见图14-16所示。工作原理：AT89C2051是美国ATMEL公司生产的一种低电压、低成本、高性能8位单片机。X9312型数控电位器与AT89C2051单片机的接口电路。X9312的CS、U/D、INC控制端分别接AT89C2051的P1.5、P1.6、P1.7口线。由R1、C1构成上电复位电路。C2、C3和石英晶体JT构成晶振电路，因单片机I/O口内部已经有上拉电阻，故上电时上述控制端均为高电平，X9312处于待机状态图14-16 X9312与89C2051单片机的接口电路
