單晶片實作講義 微電腦控制界面- (數位類比轉換)

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1 單晶片實作講義 微電腦控制界面- (數位類比轉換)
單晶片實作講義 微電腦控制界面- (數位類比轉換)

2 數位類比轉換概論 單晶片處理數位訊號(0與1),真實世界以類比的信號存在，為使能取得這些類比信號加以處理、顯示，則必須藉由類比/數位轉換器-ADC(Analog to Digital Converter)，做類比/數位訊號的轉換 單晶片控制外部的類比訊號驅動裝置，需要將數位訊號經由數位/類比轉換器-DAC(Digital to Analog Converter)轉換成類比訊號。

3 DAC轉換器原理-加權電阻式DAC轉換器
利用一組電阻，每個電阻值為2的倍數，如，i=0，1，2…。透過輸入位元控制每個電阻的導通或斷開，給出不同以2i權重組合而成的輸出電流值，經由OP放大器得出近似類比訊號的輸出電流。圖中左端的的開關，相當n個位元的數位式訊號輸入端(0或1)，Vout輸出端的電壓值可由下列公式計算得出 以8個位元的數位訊號輸入( )為例， 若輸入數位訊號為 ，輸出端電壓為

4 DAC轉換器原理-R-2R梯形式DAC轉換器
電阻值有R與2R兩種。圖中顯示4位元的輸入B0，B1，B2，B3，組合成16種輸入情況，每一種組合對應一種類比輸出電壓。B0~B3的輸入訊號由0000變化到1111時，四位元的輸出電壓為各位元的輸出總和，一般通式寫成，

5 DAC轉換器特性 解析度(Revolution)：數位輸入端的n位元數, 表示可轉換為2n類比訊號資料。n越高，類比訊號資料越精細，解析度越高。例如8位元的DAC (n=8)，可分割為28=256的解析度 線性度(Linearity)：數位輸入訊號由小變大時，轉換的類比訊號保持直線遞增特性，以免出現偏差。目前DAC轉換器的線性誤差規格為±1LSB，或±1/2LSB。 穩態時間(settling Time)：DAC轉換器需要一段轉換時間，才能得到穩定類比訊號，稱為穩態時間。一般穩態時間越短越好，表示轉換速度快，響應佳。一般穩態時間規格約在150ns。 精確度(Accuracy)：DAC轉換器的精確度取決於理想輸出訊號與實際輸出訊號之間的誤差值。不同型號與規格的DAC轉換器，具有不同的精確度。精確度越高，這個誤差值就越小。以DAC0800為例，在工作範圍內精確度為±0.1%(滿刻度)。

6 常用的DAC用IC 8位元數位/類比轉換-DAC0800 12位元數位/類比轉換-AD7541 14位元數位/類比轉換-AD7536
多通道型的Quad 12位元AD7564 Octal-12位元數位/類比轉換AD7568

7 ADC轉換器原理 -8位元的連續漸近法 連續漸近暫存器- SAR(Successive Approximation Register)，以及電壓比較器。當SC啟動轉換時，SAR利用2分法搜尋技術，先取一個數位的中間值，如 (即D7=1，其餘為零)。經由DAC轉換後，由Vout輸入比較器，並與輸入類比訊號Vin做電壓的比較。若Vout<Vin時，則D7保持不變，若Vout>Vin時，D7=0。接著設定D6=1，重複上述比較與修正過程，直到D7~D0位元都確定為止，EOC發出完成轉換訊號，將轉換好的D7~D0數位資料輸出。

8 ADC轉換器特性 解析度(Revolution)：對類比訊號進行取樣 (Sampling)。取樣率(Sampling rate)越高，則類比訊號越不容易失真，亦即解析度越高。例如V=0~5V電壓量測範圍，8位元ADC轉換器 (n=8)，分割為28=256解析度，量測電壓的最小刻度即為 例如ADC0804的解析度為8位元。AD571為12位元高解析度 穩態時間(settling Time)：類比訊號轉換成穩定數位訊號所需時間。穩態時間越短越好。一般規格的穩態時間約在100μs。 類比訊號輸入：ADC轉換器可讀取做轉換的電壓範圍。例如ADC0804的電壓輸入範為在0~5V

9 8位元DAC0800 DAC0800是一顆具有16支接腳，8位元電流輸出型的數位/類比轉換器(DAC Converter)。快速的穩態時間(Settling time) 100ns是其重要特色。解析度為1/256，即數位輸入訊號每增加一個位元(LSB)，類比輸出電流就會增加滿刻度值(FS)的1/256。例如當數位訊號為FFH(255)時，類比訊號為滿刻度值的255/256。若輸入訊號為80H(128)時，類比訊號為滿刻度的一半，即128/256。

10 DAC0800接腳圖與功能 DAC0800是一顆16支接腳，8位元電流輸出型的 DAC。快速的穩態時間100ns。解析度為1/256.工作電壓範圍: ±4.5V to ±18V 號 接腳 功能 1 VLC 電源接地: 0V /電源接正: +5V 3 VEE 負電源輸入端, 範圍-1.8V~-4,5V 2, 4 Iout, Iout  類比電流輸出接腳(2,4為互補關係) 5~12 B1~B8 數位訊號輸入端,B1:MSB;B8:LSB 13 V+ 正電源輸入端, 範圍4.5V~-4,5V 14,15 VR+, VR 參考輸出入電壓:調整滿刻度輸出電流大小 16 COMP 頻率補償:接一電容以防高頻振盪

11 DAC0800電路圖

12 DAC0800輸出電壓分析 參考電壓VR+, VR用來調整滿刻度(FS)輸出電流大小，例如Vref=5V，Rref=5K，則滿刻度電流大小IFS為 類比輸出端Vout接 一OP放大器LM358與電阻R3=5K(或一可變電阻)，則類比輸出為Vout

13 數位輸入轉換類比輸出 觀察數位類比轉換最簡單的方式是，使用指撥開關的數位編碼資料，轉換成類比訊號輸出。例如8位元的指撥開關輸入數位編碼資料，00H~0FFH，若直接送到DAC0800的類比輸出資料，則會對應輸出電壓Vout=0~ VFS (全刻度電壓)。若VFS =5V，則指撥開關為00H，對應輸出電壓輸出Vout=0；指撥開關為FFH，對應輸出電壓輸出Vout=5V。

14 類比輸出波形訊號

15 八位元數位/類比轉換-ADC0804 ADC0804是一顆8位元的類比數位轉換IC，相關的還包括ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804、ADC0805等，其中以ADC0804最具代表性。主要的特性包括下列： 8位元解析度 差動式類比電壓輸入。 是滿刻度誤差在±1 LSB 工作溫度範圍內，非線性誤差: ±0.1%(滿刻度) 穩態時間(轉換時間)為100μs 與TTL與CMOS可直接匹配。

16 DAC0804的基本電路

17 LCD內部結構與功能 參考電壓VR+, VR用來調整滿刻度(FS)輸出電流大小，例如Vref=10V，Rref=5K，則滿刻度電流大小IFS為

18 LCG暫存器選擇與控制 R/W D/I CS1 CS2 作用 1 寫入控制指令到左半部指令暫存器 寫入資料到左半部顯示RAM
1 寫入控制指令到左半部指令暫存器 寫入資料到左半部顯示RAM 讀取左半部指令暫存器 讀取左半部RAM顯示的資料 讀取右半部指令暫存器 讀取右半部RAM顯示的資料

19 ADC0804接腳圖與功能 號 接腳 功能 1 VLC 電源接地: 0V /電源接正: +5V 3 VEE
2, 4 Iout Iout 5~12 B1~B8 數位訊號輸入端,B1:MSB;B8:LSB 13 V+ 正電源輸入端, 範圍4.5V~-4,5V 14,15 VR+, VR 參考輸出入電壓:用來調整滿刻度輸出電流大小 16 COMP 頻率補償:接一電容以防高頻振盪

20 ADC0804的基本電路

21 週期性的方波訊號 範例10-2流程圖/程式

22 週期性的方波訊號 範例10-2結果展示 前半週期電壓準位在Vout=0V， 後半週期的電壓準位Vout=3V。 週期時間T~20ms。

23 類比輸出波形訊號 數位類比轉換的另一種應用範例就是透過數學函數運算或編碼，輸出各種數學函式波形F(t)，
，若取樣點數為N，t為每個取樣點，即t=0,1,2…N。 例如弦波(SIN, COS)

24 指撥開關選擇波型訊號輸出 範例10-3流程圖

25 指撥開關選擇波型訊號輸出 範例10-3程式

26 波形訊號選擇 範例10-3結果展示

27 時間延遲法讀取類比訊號 範例10-5程式

28 中斷法讀取類比訊號 範例10-6程式

29 簡易電壓表 範例10-7程式

30 AD590溫度量測顯示在LCD 範例10-8程式

31 DAC0804的基本電路

32 AD590溫度量測顯示在LCD 範例10-8程式