第10章-ADDA及其应用课件.ppt

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1、源点教育专业IC、嵌入式教育机构,AD/DA及其应用,10.1 概述10.2 多路开关及采样-保持器10.3 D/A转换器及其接口10.4 A/D转换器及其接口,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,嵌入式系统与A/D、D/A转换器,单片机作为嵌入式控制器可以灵活地嵌入在仪表、家电和各种智能化设备中。在这些嵌入式系统中，单片机对输入的信号进行采集、进行相应的分析、运算，产生对应的输出操作。在系统的输入端，往往都是一些模拟信号或者是非电量的信号，同时系统输出的执行机构也往往要用模拟量（电流、电压）来驱动。所以作为一个完整的嵌入式系统就应当包含：A/D转换、微控制器和D/A转换器等。A/D、D/A转换

2、器的应用使CPU与输入、输出连成一个有机的整体，使单片机具有了真正意义上的“微控制器”的作用。,10.1 概述,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,单片机在嵌入式系统中的应用示意图,MCS-51,D/A转换器,控制执行机构,被控实体,A/D转换器,多路开关,传感器1,传感器2,传感器n,控制执行机构,温度、压力、流量等信号,模拟信号,模拟信号,数字信号,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,10.2.1多路开关及采样-保持器,A.采样定理,离散系统的几种采样形式：,周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即tk+1-tk=T,T为采样周期,多阶采样:(tk+1-tk)周期性重复,随机采样：没有固定的采样

3、周期，根据需要选择采样时刻,10.2 多路开关及采样-保持器,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,图10.1 采样前后波形的变化,采样的过程实际是连续信号的离散化过程，一般采样都是采样周期采样的多，比如x(t)是连续变化的信号量，如果每隔一小段时间去读它的一次，取一个值，所读的过程就是采样过程。不难发现，读的间隔时间越短，即采样的频率越高，得到的离散信号函数x/(t),就越接近输入信号函数x(t)但并不是说采样频率越高越好，如果采样频率太高，会把过多的时间浪费，而失去了实时控制的机会。因此，如何确定采样频率是非常关键。,A.采样定理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,采样定理（香农定理）：fs2

4、fmax,则由x/(t)可完全恢复出x(t),由于所有的信号并非都是“有限带宽”，在实际应用中，往往所取的实际采样频率fs比两倍fmax大，一般fs至少取4fmax,10倍也是经常的。在工程上，T经常采用经验数据。,A.采样定理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,B.多路开关,在微机测量和控制中，经常需要多路和多参数的采集和控制，如果每一路都采用放大，采样/保持，A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件，阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难。所以，通常采用共用的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计，往往采用多路模拟开关。,多路开关：把多个

5、模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，完成多到一的转换；,反多路开关（多路分配器）：把经计算机处理，且由于D/A转换器转换成模拟信号 按一定的顺序输出不同的控制回路中，完成一到多的转化。,单向多路开关:只能做多路开关或只能做反多路开关,双向多路开关：既能做多路开关也能做反多路开关,10.2 多路开关及采样-保持器,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,常用多路开关（类型）：（1）机器触点式多路开关：干黄管，水印继电器 优点：体积小，切换速度快，噪音小，寿命长 缺点：工作频率低，在通电的时候存在抖动现象，因此一般用于低速度高精度检测系统中。（2）模拟电子开关：晶体管开关，场响应管 优点：切换速度快

6、，无抖动，易于集成 缺点：导通电阻大，输入电压，电流容量小（3）半导体多路开关：特点：尺寸小，电平与TTL兼容，转换速度快，寿命长,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,常用的半导体多路开关芯片,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,1 CD4051,CD4051是单端8通道多路开关，左边有4位输入控制端，3个通道选择输入端A,B,C用来选择8个通道之一被接通，INH是禁止输入端，当INH=“1”,所有通道断开，禁止模拟量输入，当INH=“0”,通道接通，允许模拟量输入。上面是8个输入输出通道，右边第3脚是公共输入端。逻辑电平转换单元完成TTL到CMOS的转换；二进制3-8

7、译码器用来选择输入端A,B,C的状态进行译码,以控制开关电路TG，使某一路接通，从而将输入和输出通道接通。VDD正电源，VSS接地，VEE一般接负电源,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,1 CD4051,CD4051引脚图,CD4051真值表,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,例1 若VDD=+5V VSS=0V,VEE=-5V说明：只要对此模拟开关施加05V数字控制信号，就可以控制幅度范围为：-5V+5的模拟信号,例2 按一般的要求第7脚VEE要接负电源，但是实验表明，CD4051在VEE接地的情况下仍可以通过-0.1+VCC的信号，这样可省去负电源变换器，即缩小

8、成本又降低功耗。该方法只适合用于：控制0到5V的模拟信号。,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,2 多路开关的扩展,在实际应用当中，往往由于被测参数比较多，使用一个多路开关不能满足通道的要求，这时可以把多路开关进行扩展。扩展的基本思想是，这几个一起扩展的多路开关，只能是在某一时刻，只有一个处于工作状态，而其他必须处于停止状态。这种方法在数字电路里经常用到。书上举例了两个CD4051的扩展电路。,用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,CD4097,IN/OUT0,IN/OUT1,IN/OUT2,IN/OUT3,IN/OUT4,

9、IN/OUT5,IN/OUT5,IN/OUT7,IN/OUT0,IN/OUT1,IN/OUT2,IN/OUT3,IN/OUT4,IN/OUT5,IN/OUT5,IN/OUT7,3.CD4097,X,Y,VDD,X O/I,Y O/I,A,B,C,INH,VSS,CD4097是双向双8通道的模拟开关，双通道多路开关的原理是每当接到选通信号是，X,Y两通道同步切换，且两个通道均受同一组选择控制信号C,B,A的控制。它主要用于两个信号的同步输入，如差动放大器的输入。,B.多路开关,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,C.采样/保持器,采样-保持器简称S/H,主要用来保持采样信号不变，以便A/D转换，特

10、别是适用于参数变化很快，多个通道输入的场合。,S/H有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。在采样方式中，采样-保持器的跟随模拟量输入电压变化。在保持状态是，采样-保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤消为止。,采样,保持,采样,保持,采样,S/H,VIN,VOUT,工作方式,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,采样/保持器的工作原理:最简单的采样/保持器是由开关和电容组成，如下图所示。,最简单的采样/保持器,C.采样/保持器,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,常用的采样/保持器:随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD58

11、2、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。,下面以LF198/298/398为例，介绍集成电路S/H的工作原理。,C.采样/保持器,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,采样保持器LF198的原理框图和引脚图教材P33页,引脚功能说明：VIN:模拟量电压输入;VOUT:模拟量电压输出偏置（offset）:调整采样保持器的偏差CH:接保持电容V+,V-:采样保持器的电源引脚逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样保持器的工作方式。,C.采样/保持器,源点教育专业IC、嵌入式教育

12、机构,当逻辑引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则开关S断开，电路进入保持状态。它可以接成差动形式，也可以将参考电平直接接地，然后，在引脚端用一个逻辑电平控制。,LF198,Vin,Vout,To A/D,+10,-10,参考电平直接接地,典型应用电路,CH,150P,C.采样/保持器,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,10.3.1 D/A转换器原理,D/A 转换器,D7:D0,t,V,数字量 输入,模拟量 输出,10.3 D/A转换器及其接口,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,D/A转换的组成:参考电源、数字开关控制、模拟转换、数

13、字接口和运算放大器组成；电阻解码网络是D/A转换器的核心（数字开关和模拟转换）；两种电阻解码网络：权电阻网络，R-2R梯形电阻网络。,模拟转换,数字开关控制,数字量,参考电源,放大器,模拟电压输出,I,10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,+,-,R,Rf,i,i,Vi,Vo,运放的放大倍数足够大时，认为放大器输入电流为零，V-=V+=0;,Vo=-Rf i,Vo=,Rf,R,Vi,式中：Rf为反馈电阻 R为输入电阻,10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,+,-,R1,Rf,i,Vi,Vo,若输入端有n个支路，则输入电压Vi和输出电压有下

14、面关系：,Rn,Ri为第i个支路的输入电阻,10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vi为一个基准电压 Vref,则：,如果每支路由一个开关 Si控制，Si=1表示合上，Si=0表示断开，则上式变换为,Si=1,该项对Vo有贡献 Si=0,该项对Vo无贡献,10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,Si=1,该项对Vo有贡献 Si=0,该项对Vo无贡献,+,-,2R,Rf,i,Vref,Vo,S1,4R,S2,8R,S3,16R,S4,32R,S5,64R,S6,128R,S7,256R,S8,n=8,权电阻

15、网络,10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,如果用8位二进制代码来控制S1-S8(di=1时表示 Si闭合；di=0时表示Si断开),那么根据二进制代码的不同，输出电压Vo也不同，这就构成了8位的D/A转换器。对于8位的D/A转换器有,同样,对于n位的D/A转换器，它的任意二进制码，它的输出模拟电压为：,10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,课本列出R-2R T型网络解码原理图，得出的结论跟权电阻网络解码是一样的。由于权电阻网络各位的权电阻值(2iRi)不同，要求的电阻种类多，电阻精度控制要求的工艺很高，所以用的比较少，而R-2R T型网

16、络解码，只用到两种电阻R和2R，这很容易满足，所以，大多数D/A转换器都采用这种解码方式。,电压输出型的D/A转换器：内带电压放大器电流输出型的D/A转换器:内部不带放大器（用的时候需要外接运放，把它转换成D/A转换器),10.3.1 D/A转换器原理,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,T型电阻网络构成的D/A转换器,分析0,1,2,3各点对地的电阻（=R）分析各点电压和I3,I2,I1,I0电流：因为I3=I总1/2 所以I3=VR/(2 R)=U2=VR/2 所以I2=VR/(22R)=U1=U2/2=VR/4 所以I1=VR/(42R)=U0=U1/2=VR/8 所以I0=VR/(82R

17、)=,R,R,R,R,R,2R,2R,2R,2R,VR,3,2,1,0,I3,I2,I1,I0,Iout,I out=I3+I2+I1+I0,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,R,R,R,R,R,2R,2R,2R,2R,VR,I3,I2,I1,I0,b3 b2 b1 b0 四位DAC寄存器,Rf,IRf,Iout1,Vout,电流/电压变换,返回,Vout=-IoutRf,Iout2,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,10.3.2 D/A转换器的性能指标,l分辨率（Resolution）分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。l转换精度（Conversio

18、n Accuracy）指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。l偏移量误差（Offset Error）偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。l线性度（Linearity）线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。,返回本节,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,1.常用DA转换芯片A.TLC5615 10位B.AD420 16位(带4-20mA及0-5V输出功能),10.3.3 D/A转换器的应用,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,10.3.3 D/A转换器的应用,1.TLC5615简介TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串

19、行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。TLC5615引脚说明 TLC5615有小型和塑料DIP封装，DIP封装的TLC5615芯片引脚排列如图所示。,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,1.TLC5615简介,引脚功能说明如下：脚1 DIN：串行数据输入端；脚2 SCLK：串行时钟输入端；脚3 CS：芯片选用通端，低电平有效；脚4 DOUT：用于级联时的串行数据输出端；脚5 AGND：模拟地；脚6 REFIN：基准电压输入端；脚7 OUT：输出；脚8 VDD：电源；,

20、源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TLC5615的时序图,1.TLC5615简介,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,由时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。当片选CS为高电平时，串行输入数据DIN不能由时钟同步送入移位寄存器；输出数据DOUT保持最近的数值不变而不进入高阻状态。由此要想串行输入数据和输出数据必须满足两个条件：第一时钟SCLK的有效跳变；第二片选CS为低电

21、平。这里，为了使时钟的内部馈通最小，当片选CS为高电平时，输入时钟SCLK应当为低电平。,2.TLC5615时序分析,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,串行数模转换器TLC5615的使用有两种方式，即级联方式和非级联方式。如不使用级联方式，DIN只需输入12位数据。DIN输入的12位数据中，前10位为TLC5615输入的D/A转换数据，且输入时高位在前，低位在后，后两位必须写入数值为零的低于LSB的位，因为TLC5615的DAC输入锁存器为12位宽。如果使用TL5615的级联功能，来自DOUT的数据需要输入16位时钟下降沿，因此完成一次数据输入需要16个时钟周期，输入的数据也应为16位。输入的

22、数据中，前4位为高虚拟位，中间10位为D/A转换数据，最后2位为低于LSB的位即零。,2.TLC5615时序分析,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,3.TLC5615与89C51接口,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TLC5615采用非级联方式，将要输入的10位数据存在R0、R1寄存器中，其D/A转换程序如下:DADIN bit P3.2 DASCLK bit P3.7 DACS bit P3.6 MAIN:MOV R0,#03H MOV R1,#0ffH CLR DACS;片选有效 LCALL WRdata;；DIN输入12位数据 CLR DASCLK;；时钟低电平 SETB DACS;；

23、片选高电平，输入的12位数据有效 LCALL DELAY AJMP MAIN,4.TLC5615的编程,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,WRdata:MOV A,R0 SWAP A RL A RL A MOV R2,#2 NOP;；空操作 LOOP:CLR DASCLK;；时钟低电平 RLC A;；数据送入位标志位CY MOV DADIN,C;；数据输入有效 SETB DASCLK;；时钟高电平 DJNZ R2,LOOP;；循环送数,4.TLC5615的编程,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,MOV A,R1 MOV R2,#8LOOP1:CLR DASCLK;；时钟低电平 RLC A;；数

24、据送入位标志位CY MOV DADIN,C;；数据输入有效 SETB DASCLK;；时钟高电平 DJNZ R2,LOOP1;；循环送数 MOV R2,#2LOOP2:CLR DASCLK;；时钟低电平 CLR C;；数据送入位标志位CY MOV DADIN,C;；数据输入有效 SETB DASCLK;；时钟高电平 DJNZ R2,LOOP2;；循环送数 RET;返回,4.TLC5615的编程,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,概述:A/D 将连续的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机处理，常用于数据采集系统。1.类型：并列式 计数型 双积分型 逐次逼近型：简单，便宜，用得比较多2.工作原理

25、类似于天平称重物的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称重物。例如：用8个砝码20g,21g 27g,可以称出1-255g之间的物体，现有一物体，用砝码称出其重量(设176g),10.4 A/D转换器及其接口,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,并列式:转换速度快;电路较复杂;计数型:转换速度根据输入模拟电压相关,电压越高,转换时间越长;电路相对简单;双积分型:转换速度较慢;精密度高,稳定性好;噪声免役力好,抗干扰能力强;逐次逼近型:转换速度较快;电路相对简单;,各转换方式的特点,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,双积分型A/D 转换器工作原理,1双积分型A/D转换器工作原理 双积分型A/D转换

26、是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或BCD码输出。因此，双积分型A/D转换器转换时间较长，一般要大于4050ms。图10-2给出了微机控制的双积分电路原理图。其工作原理可由图10-3所示的工作波型图予以说明。,返回本节,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,图10-2 双积分ADC电路原理图,返回本节,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,2MC14433与MCS-51单片机的接口,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,37109与MCS-51单片机接口,返回本节,源点教育专业IC、嵌入式教育机构

27、,比较器,D/A,逐次逼近寄存器（SAR),控制逻辑,Vx,模拟量输入,数字输出,启动信号,转换结束,VC,逐次逼近型A/D转换器原理图,逐次逼近型A/D转换器原理图,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,逐次比较式A/D转换器原理,控制电路,N位D/A转换网络,N位寄存器SAR,模拟电压输入VX,A/D转换数据输出,启动 时钟 状态,+-,1，N位寄存器首先形成10000000；经DAC转换后送比较器与VX相比较；2，若VXVS时,比较器通知N位寄存器保留最高位“1”。若VXVS时,比较器通过控制器将最高位“1”清除（因为VX小于量程的一半127）。3，N位寄存器对次高位置1，再重复上面的过程，

28、确定该位是“1”或“0”。4，经过8次比较确定了N位计数器从D7D0的8位数据。整个过程由输入一个“启动”信号开始，到“状态”端输出一个标志信号结束。,比较器,VX,VS,返回,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,对于一个模拟信号转换成数字信号所要求的基本部件有：模拟多路转换器与信号调节电路。采样/保持电路。A/D转换器。通道控制电路,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,DGND,AGND,模拟量输入信号的连接 输入信号要符合A/D转换器的量程要求，如果要多路输入的话要有多路开 关。选择合适的系统采样速度 参考电平 在一些单，双极性模拟量都能接收的A/D转换器，参考电源由两个：VREF和VREF。

29、当模拟量输入信号为单极性时，VREF接参考电源的正极和VREF接模 拟地；当模拟 量信号为双极性时，VREF接参考电源的正极和VREF接负极性端 接地问题 A/D转换器通常有数字地和模拟地，设计电路时，两个要分开，最后用一 根导线或零欧电阻把他们相连。,A/D接口设计要注意的几个问题,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,A/D转换器的应用,TCL549简介 TLC548，TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行AD换器芯片，它以位开关电容逐次逼近的方法实现转换，可与通用微处理器、控制器通过IO CLOCK、CS、DATA OUT三线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转

30、换时间最长17us，TLC548允许的最高转换速率为45500次s，TLC549为40000次s。,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TCL549产品特性,CMOS技术8位转换结果 与微处理器或外围设备接口差分基准电压输入 系统等 转换时间：最大17us 每秒访问和转换次数：达到40000 片上软件控制采样和保持功能 全部非校准误差：0.5LSB 宽电压供电：36V低功耗：最大15mW 5V供电时输入范围：05V 输入输出完全兼容TTL和CMOS电路 全部非校准误差：1LSB 工作温度范围：070（TLC549）;-4085（TLC549I）,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TCL549内部

31、结构和引脚,芯片包含内部系统时钟、采样和保持电路、位转换电路、输出数据寄存器以及控制逻辑电路，它采用、和 三根线实现与微控制器或微处理器进行串行通讯，其中和 作为输入控制，芯片选择端低电平有效，当为高电平时 输入被禁止，且输出处于高阻状态，其工作过程见下文工作时序及其说明部分。,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TCL549内部结构和引脚,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TLC549各引脚功能如下：,REF：正基准电压输入端，.5.。REF：负基准电压输入端，.，且要求。由以上两项可以看出，TLC549可以使用差分基准电压，这是该芯片的重要特性，利用这个特性TLC549可能测量到的最小量值达

32、1000mv/256，也就是说信号不经放大也可以得到位的分辨率，因此可以简化电路、节省成本。：模拟信号输入端，当 电压时，转换结果为全“”()，电压时，转换结果为全“”()。：芯片选择输入端，要求输入高电平，输入低电平.。,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,：转换结果数据串行输出端，与电平兼容，输出时高位在前，低位在后。：外接输入输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。：系统电源。GND：地.,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,TLC549时序图,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,上图中当变为低电平后，芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位()自 端输出，接着

33、要求自 端输入个外部时钟信号，前个 信号的作用，是配合 输出前次转换结果的 位，并为本次转换做准备：在第个 信号由高至低的跳变之后，片内采样保持电路对输入模拟量采样开始，第个 信号的下降沿使片内采样保持电路进入保持状态并启动开始转换。转换时间为个系统时钟周期，最大为。直到转换完成前的这段时间内，的控制逻辑要求：或者保持高电平，或者 时钟端保持个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自的 端输入个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次转换开始。,TLC549时序说明,源点教育专业IC、嵌入式教育机构,DOUT EQU P3.5 CLK EQU P3.4 CS EQU P3.3 org 0000had:SETB P2.7 mov a,#0 setb DOUT;T1-DOUT setb CS;INT1-CS clr CLK;T0-CLK clr CS acall read setb CS lcall HBCD acall display acall delay sjmp ad,TLC549程序,