微机原理与接口技术：8 - 数模D/A模数A/D的基本原理和典型芯片(DAC0832, ADC0809)

模拟量的输入输出

Goal:

1. 了解 模拟量输入输出通道及其各主要部件的功能
2. 理解 D/A converter的基本工作原理及DAC0832芯片的应用
3. 了解 A/D converter的基本工作原理
4. 掌握 ADC0809芯片与系统的连接方法及数据采集程序的设计

8.1 模拟量的输入输出通道

模拟量的输入通道

1. 传感器(Sensor) - 将现场的某些非电物理量转换为电信号量

2. 变送器 - 将传感器的输出信号转换成统一单位/范围的电信号

3. 信号处理环节

4. 多路模拟开关 - 就是个 multiplexer

5. 采样保持电路(sample holder) - input模拟信号连续变化, A/D转换需要时间, 要保证在转换过程中输入信号保持在其采样时的值不变.

6. A/D 转换器

模拟量的输出通道

同样在D/A转换的过程中要求整个转换过程中带转换的数字量不变, 要用锁存器锁存DB来的数字信号.

8.2 D/A 转换器

DAC的抽象结构:

首先 callback 一下运放的一些性质:

对于运放来说, 输入电压 $V_o$ 与输入电压 $V_i$ 之间的关系:

$$V_o=-\frac{R_f}{R_i}{V}_i$$

若输入端有n个支路, 构成多路输入,如图所示, 其输出电压变成:

$$V_o=-R_f\sum _{j=1}^n\frac{1}{R_j}{V}_i$$

工业中直接制造高阻值的精密电阻比较困难, 一般用 R-2RT型电阻网络 来代替 权电阻网络, 如图所示:

输入电压 $V_o$ 为:

$$V_o=\frac{-D}{2^j}\times \frac{R_f}{R}\times V_{ref}$$

DAC的主要技术指标

1. 分辨率 Resolution : 一个 n 位的DAC, 分辨率为:
   $$1/(2^n-1)$$

2. 转换精度 Conversion accuracy : maximum deviation of the actual output value and the theoretical value.

3. 转换时间 Conversion time :

DAC 工作方式

1. 单缓冲工作方式 : 单缓冲工作方式是使输入寄存器或DAC寄存器中的任意一个工作在直通状态, 而另一个工作在受控锁存状态.

2. 双缓冲工作方式 : 数据接收和启动转换可以异步进行, 可以在D/A转换的同时接收下一个数据, 提高了模/数转换的速度.

8.3 A/D 转换器

ADC 其实与DAC相关性很大, 一个ADC芯片的核心往往就是一个DAC, 一个ADC的工作方式有点类似逆向DAC的一个作用来从模拟量转换成数字量.

working principal

逐位反馈型 ADC 的工作原理类似于用天平称重. 在转换开始前, 复位SAR, 然后设其最高位为1(e.g. [10000000B]) 就像天平称重时先放上最重的砝码一样

然后经D/A转换输出相应的模拟量 $V_c$ , 与模拟输入电压 $V_i$ 相比较, 若$V_i>V_C$ -> 保留该位1. 继续进行下一位的比较, 直到SAR的所有位都被确认.

e.g. 以一个12位 ADC 为例:

这样, 4.5V模拟量就转换成了数字量 111001100101B

ADC 的主要技术指标

1. 精度 Accuracy

   1. 量化误差

   如图所示一个3位的A/D转换器的转换特性:

   

   当模拟量的值在0~0.5V范围内 -> 数字量输出为000B; 而在0.5~1.5V范围内 -> 数字量输出为001B

   这样在给定数字量情况下, 实际模拟量与理论模拟量之差最大为 ±0.5V

   这种误差是由转换特性造成的, 是一种原理性误差, 也是无法消除的误差. 从图中可以发现,数字量的每个变化间隔为1V,就是说模拟量在1V内的变化,不会使数字量发生变化.

   这个间隔称为量化间隔(也称为当量),用 $\Delta$ 表示, 在数学上的定义为

   $$\begin{array}{rl}\Delta & =\frac{输入满度电压值}{A/D转换器的最大数字量输出}\\ & =\frac{V_{max}}{2^n-1}\end{array}$$

   量化误差就等于一般的量化间隔$\Delta$.

   $$量化误差=.5\times 量化间隔$$

   E.g. 对于一个 12位 ADC, 它的量化间隔 $\Delta$ 为:

   $$\Delta =\frac{5V}{4095}=1.22mV$$

   一个 ADC 的量化间隔 由该 ADC 的位数决定.

2. 转换时间 Conversion time : 指完成一次转换所需要的时间.

3. 输入动态范围 Input dynamic range : 量程, 就是能转换的模拟电压的范围.

典型 A/D 转换器芯片 ADC0809

1 - ADC0809 的引线及内部结构

1. $D_0\tilde{}{D}_7$ : output data wire(tri-state)
2. $I{N}_0\tilde{}I{N}_7$ : 8 channel analog input.
3. $ADDA,ADDB,ADDC$ : 通道地址选择, 用于选择8路中的一路输入.
4. $START$ : start convension, falling-edge trigger
5. $EOC$ : Convension end flag signal, can be used for query or interrupt.
6. $ALE$ : channel addr latch, used to latch ADDX 端的地址输入, 上升沿有效
7. $OE$ : output enable,
8. $CLK$ : (10KHz ~ 1.2MHz)

ADC0809内部结构框图:

2 - ADC与系统的连接