第九章 模拟I/O接口,9.1 D/A与A/D转换器原理 9.2 典型D/A与A/D转换器集成芯片 9.3 D/A、A/D转换器与MPU的接口 9.4 模拟I/O通道,9-1,9.1.1 D/A转换器原理 9.1.2 A/D转换器原理 9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,9.1 D/A与A/D转换器原理,9-2,9.1.1 D/A转换器原理,DAC是一种把二进制数字信号转换成模拟信号(电压或电流)的电路。,DAC按转换原理不同,可分为：,解码网络各不相同。,以T型和倒T型电阻DAC在集成产品中应用较多。,9-3,1.T型电阻解码网络DAC,输出电流io等于各开关支路流入输出支路的电流之和,9.1.1 D/A转换器原理,结构特点：,节点A、B、C、D都由三条支路相交而成，而且从任一节点向三条支路看过去的等效电阻都为2R。,从任一开关Si向上看过去的等效电阻都为3R。,9-4,输出电流io为：,io=io3+io2+io1+io0,从上述结构特点可直接分析推出：,T型电阻DAC的转换原理：,9.1.1 D/A转换器原理,9-5,转换关系：,进一步得到输出电压Vo:,11.1.1 D/A转换器原理,9-6,推广到一般情况:,当输入数字量为n位时，则有：,以上两式表明:,输出电流io和输出电压Vo都与输入二进制数Dn-1Dn-2D0的大小成正比，可见实现了从数字量到模拟量的转换。,9.1.1 D/A转换器原理,当Rf=3R时,9-7,主要优点： D/A转换的结果Vo只与电阻的比值（Rf/R）有关，而不取决于电阻的绝对值。,这为集成单元的制作提供了很大方便。,主要缺点： 各位数码变化引起的电压变化到达“运放”输入端的时间明显不相同。这样,在输入数字量变化的动态过程中可能在输出端产生很大的尖峰脉冲,从而带来较大的动态误差，影响DAC的转换精度和转换速度。,T型电阻DAC的优缺点,9.1.1 D/A转换器原理,9-8,9.1.1 D/A转换器原理,2.倒T型电阻解码网络DAC,结构特点：,是对T型电阻解码网络DAC的改进,电阻网络中各支路的电流都直接流入“运放”输入端，相互间不存在传输时间差，所以转换速度较快，动态过程中输出端的尖峰脉冲较小。,9-9,io = D3I3 + D2I2 + D1I1 + D0I0,倒T型电阻DAC的转换原理：,9.1.1 D/A转换器原理,9-10,推广到n位转换器，则有：,9.1.1 D/A转换器原理,同样可见:,输出的模拟信号io和Vo与输入的数字信号的大小成正比，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,9-11,1. A/D转换的四个步骤 2. A/D转换器原理,9.1.2 A/D转换器原理,9-12,1. A/D转换的四个步骤,A/D转换的全过程通常分四步进行：,采样保持量化编码,保持-将采样得到的模拟量值保持下来,使之等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值。,9.1.2 A/D转换器原理,9-13,通常采用等时间间隔采样,为使采样保持得到的输出信号在经过信号处理后可还原成原来的模拟输入信号,要满足下列条件(采样定理): fS2fimax 其中：fS为采样频率 fimax为输入信号Vi的最高次谐波分量的频率,采样保持电路基本原理图,9.1.2 A/D转换器原理,9-14,量化-用基本的量化电平q的个数来表示采样保持的模拟电压值。,编码-把已经量化的模拟量值(一定为q的整数倍)用数码表示。,2.量化和编码,9.1.2 A/D转换器原理,9-15,S(t),Vi(t),VSH,Vq,4q,3q,2q,q,0,0,0,0,q,3q,2q,q,q,3q,4q,2q,3q,001 011 010 001 001 011 100 010 011,量化,编码,(只舍不入法),(二进制编码),(a)采样脉冲,(b)输入电压,(c)采样保持电压,(d)量化过程,采样、保持、量化、编码全过程示意图：,9.1.2 A/D转换器原理,9-16,2. A/D转换器原理,通常所说的A/D转换器,是指将采样保持后得到的模拟电压值Vi转换为数字量的电路。转换过程包括量化和编码，但实际上这两步并无明显分界。,常见的有： 并行转换式ADC 逐次逼近式ADC 计数式ADC,常见的有： 单积分式ADC 双积分式ADC V/F转换式ADC,(1)根据A/D转换原理和特点的不同，ADC可分成两类： 直接ADC Vi直接转换成数码。 间接ADC Vi中间变量数码。,9.1.2 A/D转换器原理,9-17, 基本特点： 二分搜索 反馈比较 逐次逼近, 原理框图,2.逐次逼近式ADC原理,9.1.2 A/D转换器原理,9-18,一般说来，n位ADC转换一个数需要n+1个时钟脉冲。若把将转换结果送入输出缓冲锁存器这个节拍也算在内，则需要n+2个时钟脉冲。,工作过程示意（以三位ADC为例）,9.1.2 A/D转换器原理,9-19,9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,D/A转换器的参数指标 A/D转换器的参数指标,9-20,1.DAC的基本参数,(1) 精度参数,用于表明D/A转换的精确程度,一般用误差大小表示。,精度特性常以满量程电压VFS的百分数或以最低有效位LSB的分数形式给出，有时也用二进制位数的形式给出。如：, 精度为0.1%指最大误差为VFS的0.1%。,9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,9-21,主要是建立时间或转换时间，它通常指输入数字量为满刻度值时，从输入加上到输出模拟量达到满刻度值或满刻度值的某一百分比(如90%)所需的时间。,(3)分辨率,表示DAC对微小模拟信号的分辨能力，是数字输入量的最低有效位(LSB)所对应的模拟值。分辨率通常用二进制位数表示。,(4)精度和分辨率的区别：,精度取决于构成转换器的各个部件的误差和稳定性，而分辨率则取决于转换器的位数。,(2)速度参数,9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,9-22,2.ADC的性能参数,与DAC基本参数相似，也有三类主要参数。,(1) 分辨率,ADC对Vi 微小变化响应能力的度量。它是数字输出的最低位(LSB)所对应的模拟输入电平值，即量化电平q=VFS/2n。常用ADC位数表示。,(2) 转换时间,指完成一次A/D转换所需的时间,即从输入转换启动信号开始到转换结束所经历的时间。转换时间的倒数称为转换速率。,9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,9-23,实际变换函数与理想变换函数的接近程度。通常用误差表示。, 绝对精度： 指对于一个给定的数字量输出，其实际上输入的模拟电压值与理论上应输入的模拟电压值之差。, 相对精度： 指在整个转换范围内，任一个数(不是指一个数)所对应的实际模拟输入电压与理论输入电压的差。相对精度实质上反映的是ADC的线性度好坏。,(3)精 度,9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,9-24, 数字误差即量化误差，主要由分辨率决定,属原理性误差，可通过增加位数来减小。, 模拟误差即设备误差，主要来自比较器、DAC中解码电阻、基准电压源和模拟开关等模拟电路的误差。, ADC的转换误差来源于两个方面，即： 数字误差和模拟误差,9.1.3 D/A、A/D转换器主要性能指标,9-25,9.2 典型D/A与A/D转换器集成芯片,9.2.1 典型D/A转换器芯片 9.2.2 典型A/D转换器芯片,9-26,9.2.1 典型D/A转换器芯片,1. DAC集成芯片概述 2. DAC集成芯片DAC0832 3. DAC集成芯片DAC1210,9-27,1.DAC集成芯片概述, 有单级输入缓存器的DAC,如AD7524等, 无输入缓存器的DAC, 如AD1408等, 按片内有无缓存能力, 有双级输入缓存器的DAC,如DAC0832等,DAC是一种把二进制数字信号转换成模拟信号(电压或电流)的电路。从与CPU接口的角度看，DAC芯片有以下几类：,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-28, 8位DAC，如DAC0832、AD1408等, 按位数, 串行输入DAC，如AD7543等, 串/并输入DAC，如AD7522等, 并行输入DAC, 按数字输入方式, 分辨率高于8位的DAC，如DAC1210/1209(12位)等,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-29,DAC0832是8位R-2R T型电阻解码网络芯片，转换结果以一对差动电流IO1和IO2输出。,2.DAC集成芯片DAC0832,9.2.1 典型D/A转换器芯片,（1）内部结构与外部引脚,高电平输出随输入变化，低电平锁存。,9-30,优越性：可转换和接收并行工作,利于提高速度；适于需要多个模拟输出通道同时改变输出量的应用场合。,单缓冲方式下，数据只要一写入DAC芯片就立即进行数/模转换,省去一条输出指令。,(2) 应用说明,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-31,这时得到的电压VO是单极性,极性与VR相反：, 单极性电压输出,DAC0832直接输出的信号是模拟电流IO1、IO2,为得到电压输出，应加接一级运放：,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-32, 双极性电压输出:,方法一：在单极性电压输出后再增加一级反相比例求和运放作为偏移电路。,若要得到双极性电压输出，还需在输出端引入一个偏移电路。通常有两种引入方法：,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-33,运放A2(反相比例求和电路)使A1的输出电压Vo的两倍与参考电压VR求和，即:,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-34,在第一级运放的求和点增加一个偏移电阻RB和一个偏移电压VB(=-VR)作为偏移电路。,方法二：,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-35,对应于上述双极性Vo的输入数码称为偏移二进制码,简称偏移码。相应的双极性DAC则叫偏移码双极性DAC。,偏移码和原码、补码、反码同属双极性码。四者对应关系如下(以3位码为例):, 补码输入双极性DAC：以偏移码双极性DAC为基础 构成。,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-36,(1)内部结构与外部引脚：,3. DAC集成芯片DAC1210,9.2.1 典型D/A转换器芯片,9-37,(2)使用方法,9.2.1 典型D/A转换器芯片,与8位以上的MPU接口时，使用方法与DAC0832相同，但与8位微机接口时有两点要注意：,一是必须工作于双缓冲方式,以便通过8位数据总线分两次接收来自MPU的输入数据。 二是两次写数的顺序只能是：先写高8位,后写低4位。原因是两次写入都会使低4位寄存器内容改变，而8位寄存器则不然。,9-38,集成ADC芯片概述 集成ADC芯片ADC0808/0809 集成ADC芯片AD574,9.2.2 典型A/D转换器芯片,9-39,1. 集成ADC芯片概述,ADC芯片一般都有4种基本信号引线：, 模拟信号输入端（单/双极性）, 数字量输出端（并行或串行）, 转换启动信号输入端, 转换结束信号输出端,选用ADC芯片时，除必须考虑其技术要求外，通常还需了解芯片以下两方面特性：, 数字输出方式是否有可控三态输出, 启动转换的控制方式是脉冲控制式还是电平 控制式,9.2.2 典型A/D转换器芯片,9-40,8位逐次逼近型ADC。内含一个8通道模拟多路开关和通道寻址逻辑,可作为简单的数据采集系统。,(1)主要性能指标和特性,分辨率:8位,总的不可调误差:ADC0808为1/2LSB,ADC0809为1LSB,单一电源: +5V,具有可控三态输出缓存器,启动转换控制为脉冲式(正脉冲),上升沿使内部寄存器 清零,下降沿使A/D转换开始,使用时不需进行零点和满刻度调节,转换时间:取决于芯片时钟频率(CLK=500KHz,TCONV=128S),模拟输入电压范围:单极性05V；双极性5V,10V(需外 加电路),9.2.2 典型A/D转换器芯片,2.ADC 0808/0809,9-41,(2