数模转换与模数转换接口及其应用学习教案.pptx
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1、会计学1数模转换与模数转换接口数模转换与模数转换接口(ji ku)及其及其应用应用第一页,共78页。一、概述一、概述一、概述一、概述(i sh)i sh)1 1、模拟量与数字量、模拟量与数字量、模拟量与数字量、模拟量与数字量n n模拟量模拟量模拟量模拟量连续连续连续连续(linx)(linx)变化的物理量。变化的物理量。变化的物理量。变化的物理量。例如例如(lr):电压、电流、压力、温度、位移、流量等。:电压、电流、压力、温度、位移、流量等。例如:二进制数例如:二进制数00101110l数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量。第1页/共78页第二页,共78页。2、模拟量输入输
2、出通道、模拟量输入输出通道(tngdo)控控制制对对象象温度温度(wnd)(wnd)流量流量(liling)(liling)传感传感器器传感传感器器多多路路开开关关采采样样保保持持器器A/D转转换器换器数字量数字量微微机机系系统统控制控制数字量数字量I/O接口接口锁锁存存器器D/A转换转换放大放大驱动驱动模拟量模拟量模拟电量模拟电量信号信号处理处理信号信号处理处理非电量非电量第2页/共78页第三页,共78页。1 1、传感器(变送器)、传感器(变送器)、传感器(变送器)、传感器(变送器)把外部的物理量(例如:声音、温度、压力、流量把外部的物理量(例如:声音、温度、压力、流量 等)转换成电流或电压
3、等)转换成电流或电压(diny)信号。信号。2、信信号号处处理理(xn ho ch l)传感器输出的信号比较微弱,需要经过放大传感器输出的信号比较微弱,需要经过放大(fngd),获得,获得ADC 所要求的输入电平范围。所要求的输入电平范围。安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的 影响,需要加接滤波电路,滤去干扰信号。影响,需要加接滤波电路,滤去干扰信号。第3页/共78页第四页,共78页。3、多多路路开开关关(kigun)(Multiplexer)需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用
4、多路 模拟开关,轮流模拟开关,轮流(lnli)接通其中的一路,使多个模拟信号接通其中的一路,使多个模拟信号共用共用 一个一个ADC进行进行A/D转换。转换。4、A/D转换器(转换器(Analog Digit Converter,ADC)将模拟量转换成数字量,送计算机处理,它是输入通道的核心将模拟量转换成数字量,送计算机处理,它是输入通道的核心环节。环节。AD转换器输入模拟信号通常转换器输入模拟信号通常(tngchng)有以下几种电压范围:有以下几种电压范围:单极性单极性05V、010V、020V;双极性双极性2.5V、5V、10V等。等。第4页/共78页第五页,共78页。5 5、采采采采 样样
5、样样(c(c i i ynyn)/)/保保保保 持持持持 器器器器(Sample Sample HolderHolder)A/D转换期间,保持输入信号不变的电路称为采样转换期间,保持输入信号不变的电路称为采样/保持电路。保持电路。转换开始之前,采样转换开始之前,采样/保持电路采集输入信号(采样);保持电路采集输入信号(采样);转换进行过程转换进行过程(guchng)中,它向中,它向A/D转换器保持固定的输出转换器保持固定的输出(保持)。(保持)。6、D/A转换器(转换器(Digit Analog Converter,DAC)D/A转换器将成数字转换器将成数字(shz)量转换成模拟量输出。量转换
6、成模拟量输出。第5页/共78页第六页,共78页。1)传感器的定义 传感器(Sensor/Transducer)是借助检测元件接收一种形式的信息,并按一定(ydng)的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前,经传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量物理量电量电量(dinling)传感器传感器3 3、常用、常用、常用、常用(chn(chn yn yn)传感器传感器传感器传感器第6页/共78页第七页,共78页。2)传感器的构成)传感器的构成(guchng)传感器一般由敏感元件(yunjin)、转换元件(yunjin)和辅助元件(
7、yunjin)组成。被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息 敏感元件:直接感受被测量敏感元件:直接感受被测量(cling),并输出与被测量,并输出与被测量(cling)成确定关系成确定关系 的某一物理量的元件。的某一物理量的元件。转换元件转换元件:是指传感器中能将敏感元件的是指传感器中能将敏感元件的输出量输出量转换为转换为 适于传输和测量的适于传输和测量的电信号电信号部分。部分。辅助元件辅助元件:信号调节和转换的元件信号调节和转换的元件。第7页/共78页第八页,共78页。(1 1)温度)温度(wnd)(wnd)传感器传感器 热电
8、偶,利用金属的温差产生电动势;热电偶,利用金属的温差产生电动势;热电阻,利用导体的电阻值随温度热电阻,利用导体的电阻值随温度(wnd)(wnd)变化进行测温;变化进行测温;热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度(wnd)(wnd)变化测温;变化测温;两种不同类型的金属导体两端,分别接在一起构成闭合回两种不同类型的金属导体两端,分别接在一起构成闭合回路,当两个结点温度路,当两个结点温度(wnd)(wnd)不等有温差时,回路里会产生热不等有温差时,回路里会产生热电势,电势,形成电流,这种现象称为热电效应。形成电流,这种现象称为热电效应。3)传感器的分类)传感器的分类(
9、fn li)第8页/共78页第九页,共78页。(2 2)湿度传感器)湿度传感器 能感受能感受(g(g nshu)nshu)气体中水蒸气的含量,把湿度的变化转换成气体中水蒸气的含量,把湿度的变化转换成电量电量 变化的传感器。变化的传感器。湿敏电阻是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中湿敏电阻是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子(聚苯乙烯、聚酰亚胺)薄膜电容制湿敏电容一般是用高分子(聚苯乙烯、
10、聚酰亚胺)薄膜电容制成,当环境湿度改变时,湿敏电容的介电常数变化,使其电成,当环境湿度改变时,湿敏电容的介电常数变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比,利用这容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比,利用这一特性即可测量湿度。一特性即可测量湿度。毛发毛发(mof)湿度计湿度计干湿球湿度计干湿球湿度计第9页/共78页第十页,共78页。(3 3)气敏传感器)气敏传感器 气敏传感器是把某种气体的成分、浓度等参数转换气敏传感器是把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻成电阻(dinz(dinz)变化量,再转换为电流、电压信号,变化量,再转换为电流、电压信号,来检测特定气体的传感器。
11、来检测特定气体的传感器。主要包括:半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传主要包括:半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等。感器和电化学气敏传感器等。主要应用:一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤主要应用:一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤气检测、氟利昂检测、酒精检测等。气检测、氟利昂检测、酒精检测等。第10页/共78页第十一页,共78页。(4 4)压电式和压阻式传感器压电式和压阻式传感器压电式和压阻式传感器压电式和压阻式传感器 压电式传感器是利用(lyng)某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。某些物质如石英,当受到外力时,不仅几何尺寸发生变化,而且内部极化,表面上有
12、电荷出现,形成电场;当外力消失时,材料又重新回复到原来(yunli)状态,这种现象称为压电效应。第11页/共78页第十二页,共78页。半导体单晶硅、锗等材料,受到作用力时,它的电阻率(电半导体单晶硅、锗等材料,受到作用力时,它的电阻率(电半导体单晶硅、锗等材料,受到作用力时,它的电阻率(电半导体单晶硅、锗等材料,受到作用力时,它的电阻率(电阻)会发生变化,这种效应阻)会发生变化,这种效应阻)会发生变化,这种效应阻)会发生变化,这种效应(xioyng)(xioyng)称为压阻式效应称为压阻式效应称为压阻式效应称为压阻式效应(xioyng)(xioyng),可做成压阻式,可做成压阻式,可做成压阻式
13、,可做成压阻式传感器。传感器。传感器。传感器。高压高压(goy)进气进气口口低压低压(dy)进气进气口口小型压阻式压力传感器小型压阻式压力传感器小型压阻式压力传感器小型压阻式压力传感器第12页/共78页第十三页,共78页。(5 5)光纤传感器)光纤传感器)光纤传感器)光纤传感器 利用光导纤维的传光特性,把被测量转换为光特性(强度利用光导纤维的传光特性,把被测量转换为光特性(强度利用光导纤维的传光特性,把被测量转换为光特性(强度利用光导纤维的传光特性,把被测量转换为光特性(强度(qingd)(qingd)、相位、频率、波长)改变的传感器。、相位、频率、波长)改变的传感器。、相位、频率、波长)改变
14、的传感器。、相位、频率、波长)改变的传感器。第13页/共78页第十四页,共78页。(6 6)光电码盘式传感器光电码盘式传感器光电码盘式传感器光电码盘式传感器 码盘式角度码盘式角度(jiod)-数字传感器数字传感器 码盘式传感器是建立在编码器的基础上的,它能够将角度码盘式传感器是建立在编码器的基础上的,它能够将角度(jiod)转换为数字编码,是一种数字式的传感器。转换为数字编码,是一种数字式的传感器。码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,码道的码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,码道的条数就是条数就是(jish)数码的位数,每位码道上都有按一定数码的位数,每位码道上都有按一定规律排列的
15、透光和不透光部分,即亮区和暗区。规律排列的透光和不透光部分,即亮区和暗区。第14页/共78页第十五页,共78页。由光源由光源1发出的光线,经透镜发出的光线,经透镜2变成一束平行光照射在码盘变成一束平行光照射在码盘3上,通过透光部分的光上,通过透光部分的光线经狭缝线经狭缝4照射到光电元件照射到光电元件5上,光电元件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗上,光电元件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号,前者为区的光电元件输出的信号,前者为“1”,后者为,后者为“0”。当码盘旋转至不同当码盘旋转至不同(b tn)位位置时,光电元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表
16、了码盘轴置时,光电元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的角位移大小。的角位移大小。第15页/共78页第十六页,共78页。二、二、二、二、D/AD/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术转换器及其接口技术转换器及其接口技术2.1 D/A转换器转换器 2.1.3 D/A2.1.3 D/A转换器的主要转换器的主要(zhyo)(zhyo)技术参数技术参数2.1.2 R-2R 2.1.2 R-2R 倒倒T T型电阻型电阻(dinz)(dinz)网络网络D/AD/A转转换器换器2.1.1 D/A2.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理第16页/共78页第十七页,共78页
17、。2.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小,转换成相应的模拟将输入的每一位二进制代码按其权的大小,转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量就与数字量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量就与数字量成正比,这样便实现量成正比,这样便实现(shxin)了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。第17页/共78页第十八页,共78页。解:当输入解:当输入解:当输入解:当输入(shr)(shr)为为为为0000000100000001时:时:时:时:因此,当输入因此,当输入因此,当输入因此,当输入(shr)(shr)数字
18、量为数字量为数字量为数字量为0000100100001001时:时:时:时:即和输入即和输入即和输入即和输入(shr)(shr)数字量数字量数字量数字量0000100100001001相对应的模拟输出电压为相对应的模拟输出电压为相对应的模拟输出电压为相对应的模拟输出电压为45mV45mV。例例1、一个、一个8位位D/A转换电路,输入为转换电路,输入为00000001时,时,输出电压输出电压(diny)为为5mV,则输入数字量为,则输入数字量为00001001时,时,输出电压输出电压(diny)有多大?有多大?第18页/共78页第十九页,共78页。D/A转换转换器的基本器的基本(jbn)组组成成
19、:存放存放(cnfng)数字量的数字量的各位数码各位数码由输入数字由输入数字(shz)量控制量控制产生权电流产生权电流将权电流相加产将权电流相加产生与输入成正比生与输入成正比的模拟电压的模拟电压根据输入的数字量的方式分,可分为:根据输入的数字量的方式分,可分为:串行串行DAC:串行输入方式的:串行输入方式的D/A转换器。转换器。并行并行DAC:并行输入方式的:并行输入方式的D/A转换器。转换器。第19页/共78页第二十页,共78页。分分别别从从虚虚线线A、B、C、D处处向向左左看看的的二二端端网网络络等等效效电电阻阻都都是是R。不不论论模模拟拟开开关关接接到到运运算算(yn sun)放放大大器
20、器的的反反相相输输入入端端(虚虚地地)还还是是接接到到地地,即即不不论论输输入入数数字字信信号号是是1还还是是0,各各支支路路的的电电流不变。流不变。从参考电压从参考电压UR处输入的电流处输入的电流IR为:为:2.1.2 R-2R 倒倒T型电阻型电阻(dinz)网络网络D/A转换转换器器参考参考(cnko)电压电压模拟开关模拟开关第20页/共78页第二十一页,共78页。各支路(zh l)电流IR为:第21页/共78页第二十二页,共78页。第22页/共78页第二十三页,共78页。8位位D/A转换器的输入转换器的输入(shr)/输出关系输出关系000000001000000011111110000
21、000011000000111111111模拟量模拟量 数字数字(shz)(shz)量量MSB MSB LSBLSB第23页/共78页第二十四页,共78页。当当n=3时时,DAC的的输输出出(shch)与与输输入入转转换换特特性性图图,输出输出(shch)为阶梯波。为阶梯波。第24页/共78页第二十五页,共78页。(1)分辨率)分辨率 分辨率是指分辨率是指D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。最最小小输输出出电电压压就就是是对对应应于于输输入入数数字字量量最最低低位位为为1,其其余余(qy)各各位位均均为为0时时的输出电压。的输出电压。最大输出电
22、压就是对应于输入数字量全部为最大输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。时的输出电压。10位位D/A转换器的分辨率为:转换器的分辨率为:2.1.3 D/A转换器的主要转换器的主要(zhyo)技术参数技术参数分辨率可用输入分辨率可用输入(shr)二进制数的有效位数二进制数的有效位数n表示。表示。第25页/共78页第二十六页,共78页。(2 2 2 2)转换精度)转换精度)转换精度)转换精度 D/A D/A D/A D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与
23、理想值之差。理想值之差。理想值之差。理想值之差。(3 3 3 3)输出建立时间)输出建立时间)输出建立时间)输出建立时间(shjin)(shjin)(shjin)(shjin)从输入数字量起,到输出电压或电流达到稳定值所需要从输入数字量起,到输出电压或电流达到稳定值所需要从输入数字量起,到输出电压或电流达到稳定值所需要从输入数字量起,到输出电压或电流达到稳定值所需要的时间的时间的时间的时间(shjin)(shjin)(shjin)(shjin),称为输出建立时间,称为输出建立时间,称为输出建立时间,称为输出建立时间(shjin)(shjin)(shjin)(shjin)。第26页/共78页第二
24、十七页,共78页。2.2 并行并行8位位D/A转换芯片转换芯片AD558及其接口及其接口(ji ku)1、AD558的内部结构框图的内部结构框图AD558的输出的输出模拟模拟(mn)电压范围电压范围为为 02.56V分辨率分辨率=2.56V/256第27页/共78页第二十八页,共78页。2、AD558与PC机的连接(linji)图 第28页/共78页第二十九页,共78页。用用AD588产生产生(chnshng)锯齿波模拟锯齿波模拟信号。信号。第29页/共78页第三十页,共78页。CODE SEGMENTASSUME CS:CODESTART:MOV CX,256MOV AL,0LOOP1:OU
25、T 30C,AL;输出AL内容CALL DELAY;延时INC AL;AL内容加1LOOP LOOP1;循环(xnhun)256次JMP START;重新输出下一个锯齿波用用AD588产生锯齿产生锯齿(jch)波模拟信号波模拟信号程序:程序:第30页/共78页第三十一页,共78页。3、串行8位D/A转换器TLC5620 n n TLC5620 TLC5620是一个是一个是一个是一个4 4路串行路串行路串行路串行8 8位电压输出型数模转换器位电压输出型数模转换器位电压输出型数模转换器位电压输出型数模转换器(DACDAC),带有缓冲参考电压输入(高阻抗)。),带有缓冲参考电压输入(高阻抗)。),带
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