数模和模数转换

1、第第12章章 数数/模和模模和模/数转换数转换 12.1 概概 述述 12.2 D/A转换器转换器 12.3 A/D转换器转换器 12.1 概概 述述 n包含A/D和D/A转换器的测控系统的构成框图 ADC ADC 数字量 数字量 模拟量 模拟量 非电模拟信号 非电模拟信号 放大滤波 放大滤波 传感器 传感器 微 机 系 统 执 行 部 件 多 路 开 关 采 样 保 持 多 路 开 关 控 制 对 象 图图12.1 包含包含ADC和和DAC的测控系统构成图的测控系统构成图 概概 述述 nD/A和A/D转换主要分为以下三类： n数字/电压(电流)和电压/数字转换； n数字/频率(脉宽)和频率(

2、脉宽)/数字转换； n数字/转角和转角/数字转换。 概概 述述 nA/D转换的三个关键过程： n采样： 由传感器，放大电路，滤波电路，多路开关以 及采样保持电路构成采样过程。 n量化： 把采样到的模拟信号转换为数字量。 n编码： 编码是将量化后的数字量用相应的二进制编码 表示出来的过程 。 12.2 D/A转换器转换器 n12.2.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 数字量是由一位一位的数位构成的，每一位 都代表一个确定的权。为了把一个数字量变为模 拟量，必须把每一位的代码按其权值转换为对应 的模拟量，再把每一位对应的模拟量相加，这样 得到的总模拟量便对应于给定的数据。 多数D/A转换

3、器把数字量变成模拟电流，如 果将其转换成模拟电压还要使用电流/电压转换器 （I/V）来实现。 D/A转换电路转换电路权电阻网络权电阻网络 + _ A 0 2 R 1 2 R n-2 2 R n-1 2 R f R IN vo VREF D 0 D 1Dn-1Dn-2 LSBMSB I0I1In-2In-1 Dn-2Dn-1 S0S1Sn-2Sn-1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 D R V IIII D R V D R V D R V D R V I n REF nn n REF n REF n REF n REF N 1 0121 0 1 1 2 2 1 1 0 2 2222 R

4、RV K DKRIv n fREF fNo 1 2 D V v RR n REF o f 1 2 : 则 如果 D/A转换器电路转换器电路T形电阻网络形电阻网络 R R R 2R f R 2R 2R 2R 2R 2R REF V 0 D 1 D 2 D 3 D o v vi 0 S 1 S 2 S 3 S + _ A D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 D R RV R R D V R R vv n fREFf n REF f io 23 -= 2 23 -= 2 -= 1 - D V DDDD V DDDD V v REFREF REF i 30 0 1 1 223 3 3 031221

5、30 23 =)2+2+2+2( 23 = ) 2 1 + 2 1 + 2 1 + 2 1 ( 3 = 12.2.2 D/A转换器的性能指标转换器的性能指标 1输入数字量 2单级DAC的输出电压 3DAC的分辩率 4转换精度 5转换速率 6建立时间 7线性误差 1主要特性主要特性 n输入端具有双重缓冲功能 双缓冲 数字输入方式： 单缓冲 直 通 n所有通用微处理器可直接连接。 n满足TTL电平规范的逻辑输入 n分辩率为8位，满刻度误差，建立时间为1s，功耗20mW。 n电流输出型D/A转换器。 DAC0832是是8位位D/A转换器，是转换器，是DAC0800系列的一种。系列的一种。 DAC08

6、32与微机接口方便，转换控制容易，且价格便宜，与微机接口方便，转换控制容易，且价格便宜， 因此在实际中得到广泛的应用。因此在实际中得到广泛的应用。 12.2.3 典型的典型的D/A转换器转换器DAC0832 2内部结构及引脚功能内部结构及引脚功能 n内部结构内部结构 LE2LE1 Rfb AGND DAC0832 Vcc ILE VREF 输入输入 寄寄 存存 器器 DGND DI0DI7 D/A 转转 换换 器器 DAC 寄寄 存存 器器 Iout2 Iout1 CS WR1 WR2 XFER 典型的典型的D/A转换器转换器DAC0832 n引引 脚脚 及及 功功 能能 图12.4 DAC0

7、832内部结构和外部引脚 DAC0832DAC0832 I IOUT2 OUT2 I IOUT1 OUT1 DIDI 7 7( (MSB) MSB) DIDI 6 6 DI DI 5 5 DIDI 4 4 XFERXFER WR WR 2 2 ILEILE V VCC CC2020 1919 1717 1616 1414 1313 1515 1111 1212 1818 7 7 8 8 1010 9 9 6 6 5 5 3 3 4 4 2 2 1 1 DI 0DI 0( (LSB) LSB) DIDI 1 1 DIDI 2 2 R R FBFB D D GNDGND V VREF REF A

8、A GNDGND DIDI 3 3 WRWR 1 1 CSCS 典型的典型的D/A转换器转换器DAC0832 DI0 DI7 数据输入线数据输入线 ILE 数据允许锁存数据允许锁存 CS 输入寄存器选择输入寄存器选择 WR1 输入寄存器的写选通输入寄存器的写选通 WR2 DAC寄存器的写选通寄存器的写选通 XREF 数据传送信号数据传送信号 Vref 基准电源输入基准电源输入 Rfb 反馈信号输入（内有反馈电阻）反馈信号输入（内有反馈电阻） Iout1、Iout2 电流输出电流输出 Vcc、AGND、DGND 电源、地电源、地 典型的典型的D/A转换器转换器DAC0832 3工作方式工作方式

9、直通方式：直通方式：两个寄存器都不锁存两个寄存器都不锁存 三种工作方式三种工作方式 单缓冲方式：单缓冲方式：有一个寄存器锁存有一个寄存器锁存 双缓冲方式：双缓冲方式：两个寄存器都锁存两个寄存器都锁存 直通方式：直通方式：两个寄存器均处于直通状态，数据直接送入D/A转换 电路进行D/A 转换。这种方式可用于不采用微机的数字控制系 统中。 控制引脚的连接: ILE=“1”, CS=WR1=WR2=XFER=“0” 单缓冲方式：单缓冲方式：两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过 一级缓冲送入D/A转换电路。这种方式只需要执行一次写操作， 即可完成D/A转换。 第1级缓冲,第2级直通: ILE=“

10、1”, CS接译码输出 , WR1接 IOR；WR2=XFER=“0” 控制引脚的连接: 第1级直通,第2级缓冲: ILE=“1”, CS= WR1=“0”, WR2接IOR, XFER接译码输出 两级同时选通(相当于1级): ILE=“1”, CS和XFER接译码同一 输出端WR1和WR2接IOR n双缓冲方式：双缓冲方式： 两个寄存器都处于缓冲状态，输入数据需经过两 级缓冲才能送入D/A转换电路。这种方式需要执行两次 写操作，才能完成D/A转换。 控制引脚的连接: ILE=“1” CS和XFER接译码输出的不同输出端 WR1和WR2接IOR 典型的典型的D/A转换器转换器DAC0832 4

11、D/A转换器的应用转换器的应用 nDAC0832的外部连接图 图12.5 DAC0832的外部结构 接成单缓冲方式接成单缓冲方式 输出 DGND WR2 XFER IOUT2 I OUT1 RFB M/IO CS WR1 译 码 地址总线 数据总线D0D7 DAC0832 ILE Vcc 典型的典型的D/A转换器转换器DAC0832 n利用D/A转换器产生一个锯齿电压的程序 MOV DX，PORTA ；PORTA为D/A转换器 端口地址 MOV AL，0FFH ；初值为0FFH LOP1：INC AL OUT DX，AL ；往D/A转换器输出数据 JMP LOP1 n逐次逼近式逐次逼近式A/D

12、转换器的转换原理转换器的转换原理 A/D转换器的转换原理是建立在逐次逼近的基础上进 行的，即把输入电压Vi和一组参考电压分层得到的量化电压 进行比较，比较从最大的量化电压开始，由粗到细逐次进 行，由每次比较的结果来确定相应的位是1还是0，不断比 较，不断逼近，直到两者的差别小于某一误差范围时即完 成了一次转换。 12.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 A/D转换的基本方法有很多，有计数法、逐次逼近法、 双斜积分法和并行转换法 。广泛采用的是逐次逼近法。所 以在此仅介绍逐次逼近式A/D转换器的原理和应用。 12.3 A/D转换器转换器 A/D转换器转换器 n逐次逼近A/D转换器的原

13、理如图12.6所示（下页） n逐次逼近A/D转换器的组成： 由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较 器A、缓冲器等组成。SAR中包含一个移位寄存 器、一个数据寄存器及决定去/留码的逻辑电路 等几个部分，它们在时钟脉冲CLK的作用下有次 序的进行操作。 A/D转换器转换器 CLK A Vi VR D/A 输出 数据 缓冲器 SAR 图图12.6 12.6 逐次逼近逐次逼近A/D转换器的原理转换器的原理 n性能指标性能指标 n分辨率 n转换精度 n转换时间 n输入电压范围 n输出数据格式 n参考电压范围 14.3.2 典型的典型的A/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 n分辨率：8位

14、。 n总的不可调误差：1LSB。 n转换时间：100s。 n单一电源：5V。 n模拟电压输入范围：在单电源5V 下，05V； n具有可控的三态输出缓冲器。 n启动转换控制为脉冲式（正脉冲）。 n使用时不需进行零点和满刻度调节。 1. 主要特性主要特性 ADC0809的的内部结构内部结构 ADC0809 地址锁存地址锁存 和译码和译码 OE 通道通道 选择选择 开关开关 ADDA ADDB ADDC IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8位位 三态三态 锁存锁存 缓冲器缓冲器 DAC Vcc 比较器比较器 CLOCKSTART GND VREF(+) VREF(-)

15、ALE 逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器SAR 定时和控制定时和控制 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EOC 2.内部结构与外部引脚内部结构与外部引脚 ADC0809的的外部引脚外部引脚 IN0IN7：8路模拟量输入端路模拟量输入端 D0D7：8位数字量输出端位数字量输出端 ADDC、ADDB、ADDA：地址输入线，用于选择输入通道地址输入线，用于选择输入通道 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效地址锁存允许信号，输入，高电平有效 START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效转换启动信号，输入，高电平有效 EOC：A/D转换结束信号，输出，高电平有效转换结束信号，输出，

16、高电平有效 OE：数据输出允许信号，输出，高电平有效数据输出允许信号，输出，高电平有效 CLK：转换时钟输入端转换时钟输入端 Vref(+)：正的基准电压输入端正的基准电压输入端 Vref(-)：负的基准电压输入端负的基准电压输入端 典型的典型的A/D转换器转换器ADC0809ADC0809 3. .工作时序和工作过程工作时序和工作过程 图图12.8 12.8 ADC0809ADC0809的工作时序图的工作时序图 100 s 2s+8T最大 200ns最小 转换完成 启动转换 D0D7 OE EOC ADDA、ADDB、ADDC SATRT/ALE WR ADC0809的工作过程的工作过程 通

17、道选择地址有效（通道选择地址有效（ ADDA、ADDB、ADDC） 地址锁存（地址锁存（ ALE信号信号有效有效） 启动转换（启动转换（STARTSTART有效）有效） 转换结束转换结束(EOC(EOC信号有效）信号有效） 读转换数据（读转换数据（OEOE信号有效）信号有效） 典型的典型的A/D转换器转换器ADC0809ADC0809 n（1）固定延时等待法 启动软件延时等待读转换数据（即无条件I/O）。 n（2）中断响应法 启动CPU转去执行其他程序并等待A/D转换完毕 A/D转换完毕向CPU提出中断请求CPU响应中断请求， 读转换数据。（即中断I/O） n（3）查询法 启动CPU对EOC进行状态采样，未转换完继续采 样转换完，则读转换数据I/O 。（即查询I/O） 。 4. A/D转换器同微处理器的时间配合问题转换器同微处理器的时间配合问题 5ADC0809与与CPU的连接的连接 IOR IOW 220H 227H ALE CLOCK START OE 外 部 时 钟 可 连 接 8 路 模 拟 信 号 IN4 IN5 IN7 IN6 IN2 IN3 IN1 IN0 8088 系 统 PC总 线 图图12.9 ADC0809与与CPU的连接的连接 典型的典型的A/D转换器转换器ADC0809ADC0809 6A/D转换器的应用 n启