可编程计数器定时器825Read课件.ppt
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1、1、概述、概述2、D/A转换原理转换原理3、A/D转换原理转换原理4、常用、常用D/A芯片举例芯片举例5、常用、常用A/D芯片芯片 在自动控制和测量系统中,被控制或被测量在自动控制和测量系统中,被控制或被测量的对象,如温度、压力、流量、速度、电压等都的对象,如温度、压力、流量、速度、电压等都是随时间连续变化且数值也连续可变的物理量。是随时间连续变化且数值也连续可变的物理量。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。常这种连续变化的物理量通常称为模拟量。常以模拟电压或电流的形式输出,执行部件所要求以模拟电压或电流的形式输出,执行部件所要求的控制信号一般也都是模拟电压或电流。的控制信号一般也都是模拟电压
2、或电流。当计算机参与控制时,计算机要求的输入信号为当计算机参与控制时,计算机要求的输入信号为“数字量数字量”。把模拟量变换成数字量这一转换过程称为把模拟量变换成数字量这一转换过程称为A/D转换。转换。能将模拟量转换为数字量的器件称为模能将模拟量转换为数字量的器件称为模/数转换器数转换器(Analog Digital Converter),简称),简称ADC。经计算机处理后的结果是数字量,不能用它去直经计算机处理后的结果是数字量,不能用它去直接控制执行部件,需要先把它转换为模拟量,这接控制执行部件,需要先把它转换为模拟量,这个过程称为个过程称为D/A转换。转换。将数字量转换为模拟量的器件称为数将
3、数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器模转换器(Digital Analog Converter),简称),简称DAC。D/A转换是转换是A/D转换的逆过程。这两个互逆的转换转换的逆过程。这两个互逆的转换过程通常会出现在一个控制系统中。过程通常会出现在一个控制系统中。1、D/A转换的基本原理转换的基本原理 D/A转换器是一种把数字量转换为模拟量的线转换器是一种把数字量转换为模拟量的线性电子器件,它将计算机产生的控制量转换成性电子器件,它将计算机产生的控制量转换成模拟信号,用于驱动外部执行机构。模拟信号,用于驱动外部执行机构。采样:周期性地从被测对象得到一个电压的瞬时采样:周期性地从被测对象得
4、到一个电压的瞬时值,一个精确的模拟量值,一个精确的模拟量 量化:把采样所得的精确的模拟量量化为一个对量化:把采样所得的精确的模拟量量化为一个对应的数字量,一个离散的数字量应的数字量,一个离散的数字量 编码:根据计算机处理的数据格式进行编码,通编码:根据计算机处理的数据格式进行编码,通常把离散的数字量用二进制表示常把离散的数字量用二进制表示 采样、量化和编码必须统一规划采样、量化和编码必须统一规划 例:例:被采样的电压值范围被采样的电压值范围-5V +5V 用用8位二进制数表示位二进制数表示 则:则:-5V +5V的电压范围将等分为的电压范围将等分为256个等级个等级 在此范围内的任一电压值都将
5、被量化为一个在此范围内的任一电压值都将被量化为一个8位二进制数位二进制数 可把可把-5V +5V比作比作 0V 10V,并量化为,并量化为256个等级个等级 即:即:00000000 11111111,10/256=0.039V为一个等级为一个等级 电压模拟量电压模拟量二进制量化值二进制量化值电压模拟量电压模拟量二进制量化值二进制量化值0V000000005V100000000.039V000000015.039V100000010.078V000000105.078V10000010 4.92V011111109.92V111111004.96V011111119.96V11111111D/
6、A转换器的原理转换器的原理 D/A转换器的性能指标转换器的性能指标 DAC0832 D/A转换器转换器 12位位D/A转换器转换器DAC的接口(略)的接口(略)D/A转换器(转换器(Digital to Analog Convertor)数数-模模 模拟控制模拟控制 实时控制实时控制 输出电压输出电压=B(0 1)x 参考电压参考电压 如参考电压为如参考电压为5V,B=0.66,则输出电压为,则输出电压为3.3V B通常用二进制数表示,或通常用二进制数表示,或8位,或位,或12位位 二进制加权电阻网络二进制加权电阻网络 OA为运算放大器;为运算放大器;+为同向输入端,为同向输入端,-端为反向输
7、入端,两端为反向输入端,两端间阻抗即输入阻抗很高,可认为是等电位即端间阻抗即输入阻抗很高,可认为是等电位即A点为虚地点点为虚地点-+OAVoutb3b2b1b0R8R4R2R四位四位DAC寄存器寄存器0 10 10 10 1S3S2S1S0AIout1Iout2VrefI0I1I2I3IRfRf设设Vref=-10V 四位四位DAC寄存器即寄存器即b3 b0为为1101 I0=Vref/(8R)、I2=Vref/(2R)、I3=Vref/R 即:即:Iout1=I0+I2+I3=Vref=1.625Vref/R 根据基尔霍夫定律,根据基尔霍夫定律,Irf=-Iout1 若取若取Rf=R、则、则
8、Vout=Irf*R=-1.625Vref=16.25V 由于电阻均为集成电路电阻,上例中仅使用四位,如位数由于电阻均为集成电路电阻,上例中仅使用四位,如位数较多,制作精度很难保证,所以更常用的是较多,制作精度很难保证,所以更常用的是T型电阻网络型电阻网络 12181RRRT型电阻网络型电阻网络 根据基尔霍夫定律根据基尔霍夫定律Irf=-Iout1-+OARRRRVrefVoutb3b2b1b02R2R2R2R四位四位DAC寄存器寄存器0 10 10 10 1S3S2S1S0IRfRfAIout1Iout2I0I1I2I3R图中:图中:设设b3 b0=1101 Iout1=I3+I2+I0RV
9、refI16138133若取若取Rf=R;则;则VoutVRVrefRIRf125.81613RVIref23232II 431II 830II 分辨率(分辨率(Resolution)分辨率最小增量分辨率最小增量 8位表示位表示12位表示位表示最大值最大值1-2-80.99609375 1-2-120.999755859375最小值最小值0000最小可表示值最小可表示值2-80.003906252-120.000244140625转换精度(转换精度(Conversion Accuracy)通常为分辨率的一半通常为分辨率的一半 偏移量误差(偏移量误差(Offset Error)调零调零 线性度(
10、线性度(Linearity)取决于电阻的精度取决于电阻的精度 芯片简介芯片简介 DAC0832采用了二次缓冲输入数据方式(输入寄存器及采用了二次缓冲输入数据方式(输入寄存器及DAC寄存器)。可以在输出的同时采集下一个数字量,以提高寄存器)。可以在输出的同时采集下一个数字量,以提高转换速度。能够用于需要同时输出多个参数的模拟量系统。转换速度。能够用于需要同时输出多个参数的模拟量系统。二进制加权电阻网络二进制加权电阻网络-+OAVoutb3b2b1b0R8R4R2R四位四位DAC寄存器寄存器0 10 10 10 1S3S2S1S0AIout1Iout2VrefI0I1I2I3IRfRfT型电阻网络
11、型电阻网络-+OARRRRVrefVoutb3b2b1b02R2R2R2R四位四位DAC寄存器寄存器0 10 10 10 1S3S2S1S0IRfRfAIout1Iout2I0I1I2I3RDAC 0832内部结构框内部结构框DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFERM3M1LE2LE18位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换电路转换电路VrefIout2Iout1RfbAGNDDGNDVcc1314151645671918171120101282139DAC0832M2DAC0832的引脚图的引脚图1234567891020191
12、817161514131211VCCILEWR2XFERDI4DI4DI6DI7Iout2Iout1CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VrefRfbDGNDDAC0832电源线(电源线(4条)条)Vcc 电源输入线电源输入线+5V +15V Vref 参考电压参考电压 -10V +10V DGND 数字量地数字量地 AGND 模拟量模拟量地地数字量输入线(数字量输入线(8条)条)DI7 DI0:与:与CPU的数据总线相连的数据总线相连 输出线(输出线(3条)条)Rfb 运算放大器反馈线,接运算放大器输出端运算放大器反馈线,接运算放大器输出端 Iout1、Iout2 模拟电流输出线模拟电
13、流输出线 Iout1+Iout2为一常数,通常接运算放大器的输入端为一常数,通常接运算放大器的输入端 控制线(控制线(5条)条)CS 片选,低电平有效片选,低电平有效 ILE 允许数字量输入,当允许数字量输入,当ILE高电平时,允许高电平时,允许8位输入寄存位输入寄存器输入数字量器输入数字量 XFER 传输控制输入,低电平有效传输控制输入,低电平有效 WR1、WR2 写命令输入写命令输入 WR1:控制数字量输入到:控制数字量输入到8位输入寄存器位输入寄存器 M1=ILE*M2=ILE*CS*WR1 当当ILE=1、CS=0、WR1=0 时时M1为为 1;此时,即在写脉冲有效期间,此时,即在写脉
14、冲有效期间,“直通直通”当上述条件有一个不满足,则当上述条件有一个不满足,则M1为为 0;此时,在此时,在0832 DI7 DI0上的数据被锁存进上的数据被锁存进 8位输入寄存器位输入寄存器 WR2:控制:控制D/A转换时间转换时间M3=WR2*XFER 当当WR2=0、XFER=0时,时,M3为为 1;此时此时8位位DAC寄存器的输出跟随输入变化寄存器的输出跟随输入变化(D触发器的触发器的Q端跟随端跟随D端变化);端变化);当当M3为为 0 时,时,8位输入寄存器的内容被锁存进位输入寄存器的内容被锁存进8位位DAC寄存器寄存器数数/模转换器芯片的输出电路模转换器芯片的输出电路电流输出转换为电
15、压输出电流输出转换为电压输出iRvout)/1(12RRiRvout反向电压输出反向电压输出同向电压输出同向电压输出单极性输出电路单极性输出电路RfbVoutRIout2Iout1111298Vref+5VRfbDAC08320 -5VOA256VrefBVout式中式中B为八位二进制数,为八位二进制数,0 B 255,Vref为参考电压为参考电压所以,当所以,当Vref为为+5V时,时,Vout为为 0 -5V单极性输出单极性输出 双极性输出电路双极性输出电路DAC0832RfbVref98112R12Vout1Vout2RRGI1I2I3CPU来来OA1OA2Vout=(B-128)Vre
16、f128数数/模转换器与微处理器的接口模转换器与微处理器的接口D/A转换器只有数据输入线,选片和写入控制线与微处转换器只有数据输入线,选片和写入控制线与微处理器有关。因此微处理器的接口比较简单,直接把数据输理器有关。因此微处理器的接口比较简单,直接把数据输出给出给D/A转换器。若转换器。若D/A转换器芯片内带有锁存寄存器,微转换器芯片内带有锁存寄存器,微处理器就把处理器就把D/A芯片当作一个并行输出端口;芯片当作一个并行输出端口;若若D/A转换器芯片内无锁存寄存器,微处理器就把转换器芯片内无锁存寄存器,微处理器就把D/A芯片当作一个并行输出的外设,二者之间还需增加并行输芯片当作一个并行输出的外
17、设,二者之间还需增加并行输出的接口。数出的接口。数/模转换器接口是通过模转换器接口是通过D/A转换器来实现模拟转换器来实现模拟输出,有时我们简称为输出,有时我们简称为“模出模出”。DAC0832的内部结构的内部结构 DAC0832的引脚功能的引脚功能 DAC0832作单极性电压输出作单极性电压输出 DAC0832作双极性电压输出作双极性电压输出 DAC0832的工作方式及应用举例的工作方式及应用举例8位位 D/A转换电路转换电路8位位 T型电阻网络和电子开关型电阻网络和电子开关 需外接运算放大器需外接运算放大器 DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFERM3
18、M1LE2LE18位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换电路转换电路VrefIout2Iout1RfbAGNDDGNDVcc1314151645671918171120101282139DAC0832M2P416 图图12 14 DAC0832的引脚图的引脚图1234567891020191817161514131211VCCILEWR2XFERDI4DI4DI6DI7Iout2Iout1CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VrefRfbDGNDDAC0832v电源线(电源线(4条)条)Vcc 电源输入线电源输入线+5V +15V Vref 参考电压参考电压 -
19、10V +10V DGND 数字量地数字量地 AGND 模拟量地模拟量地v数字量输入线(数字量输入线(8条)条)DI7 DI0:与:与CPU的数据总线相连的数据总线相连 v输出线(输出线(3条)条)Rfb 运算放大器反馈线,接运算放大器输出端运算放大器反馈线,接运算放大器输出端 Iout1、Iout2 模拟电流输出线模拟电流输出线 Iout1+Iout2为一常数,通常接运算放大器的输入端为一常数,通常接运算放大器的输入端 v控制线(控制线(5条)条)CS 片选,低电平有效片选,低电平有效 ILE 允许数字量输入,当允许数字量输入,当ILE高电平时,允许高电平时,允许8位输位输入寄存器输入数字量
20、入寄存器输入数字量 XFER 传输控制输入,低电平有效传输控制输入,低电平有效 WR1、WR2 写命令输入写命令输入 WR1:控制数字量输入到:控制数字量输入到8位输入寄存器位输入寄存器 M1=ILE*M2=ILE*CS*WR1 当当ILE=1、CS=0、WR1=0 时时M1为为 1;此时,即在写脉冲有效期间,此时,即在写脉冲有效期间,“直通直通”当上述条件有一个不满足,则当上述条件有一个不满足,则M1为为 0;此时,在此时,在0832 DI7 DI0上的数据被锁存进上的数据被锁存进 8位输入寄存器位输入寄存器 WR2:控制:控制D/A转换时间转换时间M3=WR2*XFER 当当WR2=0、X
21、FER=0时,时,M3为为 1;此时此时8位位DAC寄存器的输出跟随输入变化寄存器的输出跟随输入变化(D触发器的触发器的Q端跟随端跟随D端变化);端变化);当当M3为为 0 时,时,8位输入寄存器的内容被锁存位输入寄存器的内容被锁存进进8位位DAC寄存器寄存器 RfbVoutRIout2Iout1111298Vref+5VRfbDAC08320 -5VOA式中式中B为八位二进制数,为八位二进制数,0 B 输入输入?把当前最高位置把当前最高位置1产生模拟输出产生模拟输出把当前最高位清把当前最高位清0把高位指针右移把高位指针右移是字尾吗是字尾吗?运算结果运算结果YNNY0.50.750.6250.
22、68751 2 3 4vt输入模输入模拟电压拟电压如输入模拟电压为如输入模拟电压为0.6875V,进行进行4位二进制的位二进制的A/D转换转换 置置1000,结果,结果 输入输入 置置1010,结果,结果 输入输入 置置1011,结果,结果=输入输入 转换速度(转换速度(Conversion Rate)一次一次A/D转换所需时间的倒数转换所需时间的倒数 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器转换器0809的转换时间的转换时间约约100us 12位快速逐次逼近式位快速逐次逼近式A/D转换器转换器574A的转换时间的转换时间约约25us 转换精度(转换精度(Conversion Accuracy)
23、模拟误差:比较器误差、电阻网络中电阻值误差、电源波模拟误差:比较器误差、电阻网络中电阻值误差、电源波动等固定误差动等固定误差 数字误差:丢码误差、量化误差等非固定误差数字误差:丢码误差、量化误差等非固定误差 通常,位数越多,误差越小通常,位数越多,误差越小 模拟量是连续的模拟量是连续的 数字量是离散的数字量是离散的如满量程为如满量程为5V,用,用8位转换器时,分辨率为位转换器时,分辨率为5/255,则量化误差,则量化误差为为5/510 A/D转换器的性能指标转换器的性能指标分辨率分辨率 分辨率是指分辨率是指ADC对输入电压微小变化响应能力的度量。对输入电压微小变化响应能力的度量。绝对精度绝对精
24、度绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码,实际需要的模拟输入值与绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码,实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。理论上要求的模拟输入值之差。相对精度相对精度相对精度(又称线性度)是指满刻度值校准后,任意数字输出所对应的相对精度(又称线性度)是指满刻度值校准后,任意数字输出所对应的实际模拟输入值(中间值)与理论值(中间值)之差。实际模拟输入值(中间值)与理论值(中间值)之差。转换时间转换时间转换时间是指转换时间是指ADCADC完成一次转换所需的时间,即从启动信号开始到转换结完成一次转换所需的时间,即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需的时间
25、。通常为微秒级。束并得到稳定的数字输出量所需的时间。通常为微秒级。量程量程量程是指所能转换的输入电压范围量程是指所能转换的输入电压范围数数/模转换器的性能指标模转换器的性能指标分辨率分辨率 分辨率是最低有效位(分辨率是最低有效位(LSB)所对应的模拟量的大小。所对应的模拟量的大小。精度精度 精度反映精度反映D/A转换的精确度。转换的精确度。建立时间建立时间 建立时间定义为:在数字输入端输入满量程代码的变化后,建立时间定义为:在数字输入端输入满量程代码的变化后,DAC的模拟输出稳定到最终值的模拟输出稳定到最终值1/2LSB时所需的时间。时所需的时间。0809的内部结构的内部结构 0809的引脚功
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