第八章数模和模数转换技术

1、第八章第八章 D/A D/A 和和A/DA/D转换技术转换技术第八章-1主要内容：主要内容： A/D、D/A转换器及其接口技术。通过本章的学习，了解模转换器及其接口技术。通过本章的学习，了解模拟输入拟输入/输出通道设计的基本原理和方法，掌握常用输出通道设计的基本原理和方法，掌握常用A/D、D/A芯芯片及其与片及其与MCS-51单片机的接口电路与程序设计。单片机的接口电路与程序设计。重点和难点重点和难点: A/D、D/A转换器芯片与转换器芯片与MCS-51的接口及其程序设计。的接口及其程序设计。 第八章-2数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n单单

2、片片机机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路被控对象被控对象 D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换成与它成正转换器的作用是将二进制的数字量转换成与它成正比的模拟量。例如：对于比的模拟量。例如：对于05V的直流电压，计算机用的直流电压，计算机用8位位数字量描述数字量描述 最小值（最小值（00000000）B = 0对应对应0V， 最大值（最大值（11111111）B

3、= 255 对应对应 5V， 中间值（中间值（01111111）B = 127 对应对应2. 5V 等等。等等。 比如比如D/A转换器收到（转换器收到（00111111）B ，应输出幅度为，应输出幅度为1.25V 的电压。的电压。8.1 MCS8.1 MCS-5151与与D/AD/A转换器的接口转换器的接口第八章-31.1.分辨率：分辨率：指指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量。转换器能分辨的最小输出模拟增量。输入的二进制数输入的二进制数每每1个最低有效位个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示一般用输入数字量的位数来表示: 如如8位、位、10位

4、位。例：一例：一个满量程为个满量程为5V的的10位位DAC，1 LSB的变化将使输出变化的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.00488V= 4.88mV2.2.转换精度：转换精度：指满量程时指满量程时D/A转换器的实际输出与理论值之间的接近程转换器的实际输出与理论值之间的接近程度。通常度。通常D/A转换器的转换精度为分辨率的一半。转换器的转换精度为分辨率的一半。3.3.转换时间：转换时间：从从D/A转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间。量达到相应的稳定值所需要的时间。第八章-4一、一、D/A

5、D/A转换器性能指标转换器性能指标 DAC0832是美国国家半导体公司采用是美国国家半导体公司采用CMOS工艺生产的工艺生产的8位位D/A转换集成电路芯片，其特点如下：转换集成电路芯片，其特点如下：1） 8位并行位并行D/A转换；转换；2）片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲、直通三种）片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲、直通三种工作方式；工作方式；3）电流输出型芯片）电流输出型芯片(需外接运放需外接运放)，电流稳定时间为，电流稳定时间为1s； 4）单电源（）单电源（+5 V+15 V，典型值，典型值+5 V）供电；）供电； 5）具有双缓冲控制输出；）具有双缓冲控制输出；6）

6、参考电压为）参考电压为-10+10V。第八章-5二、并行输入二、并行输入D/AD/A芯片芯片DAC0832DAC0832第八章-61. DAC0832的内部结构和引脚功能的内部结构和引脚功能第八章-7 DI7 DI0D/A转换器的数字量输入引脚。其中转换器的数字量输入引脚。其中DI0为最低位，为最低位，DI7为最高位。为最高位。 CS片选信号输入端，低电平有效。片选信号输入端，低电平有效。 WR1输入寄存器的写信号，低电平有效。输入寄存器的写信号，低电平有效。 ILE输入寄存器选通信号，高电平有效。输入寄存器选通信号，高电平有效。ILE信号和信号和CS、WR1共同控制选通输入寄存器。共同控制选

7、通输入寄存器。当当CS、WR1均为低电平，而均为低电平，而ILE为高电平时，为高电平时，LE1=0，输，输入数据被送至入数据被送至8位输入寄存器的输出端；位输入寄存器的输出端；当上述三个控制信号任一个无效时，当上述三个控制信号任一个无效时，LE1=1，输入寄存器，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。将数据锁存，输出端呈保持状态。第八章-8 XFER从输入寄存器向从输入寄存器向DAC寄存器传送寄存器传送D/A转换数据的控制信转换数据的控制信号，低电平有效。号，低电平有效。 WR2DAC寄存器的写信号，低电平有效。当寄存器的写信号，低电平有效。当XFER和和WR2同时同时有效时，有效时， LE

8、2=0，输入寄存器的数据装入输入寄存器的数据装入DAC寄存器，并同时寄存器，并同时启动启动一次一次D/A转换。转换。 VCC芯片电源，其值可在芯片电源，其值可在+5 +15 V之间选取，典型值取之间选取，典型值取+15 V。 AGND模拟信号地。模拟信号地。 DGND数字信号地。数字信号地。 RFB内部反馈电阻引脚，用来外接内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电转换器输出增益调整电位器。位器。 第八章-9 VREFD/A转换器的基准电压，其范围可在转换器的基准电压，其范围可在10 +10V内选定。该内选定。该端连至片内的端连至片内的R2RT型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压

9、。该型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压精度直接影响着电压精度直接影响着D/A转换精度。转换精度。 IOUT1D/A转换器输出电流转换器输出电流1，当输入全，当输入全1时，输出电流最大，约时，输出电流最大，约为为 ；当输入为全；当输入为全0时，输出电流最小，即为时，输出电流最小，即为0。 IOUT2D/A转换器输出电流转换器输出电流2，它与，它与IOUT1有如下关系有如下关系 IOUT1+IOUT2=常数常数 FBREFRV256255第八章-102. DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：直内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：直

10、通、单缓冲和双缓冲方式。通、单缓冲和双缓冲方式。u 直通工作方式直通工作方式 指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。只要数字量送到数据输入端，就立即进入存器都开通。只要数字量送到数据输入端，就立即进入D/A转转换器进行转换，这种方式应用较少。换器进行转换，这种方式应用较少。u 单缓冲方式单缓冲方式 只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通，或者将两个寄存器的控制信号预先设置成有效，使之开通，或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作

11、为一个来使用。控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。第八章-11Vout WR1 CS WR 5V+5VRfbIout2Iout1 WR2XFERDGND AGNDD0D7DI0D17VccILEVREF+_AAB DAC0832单缓冲方式第八章-12u双缓冲方式双缓冲方式 指两个寄存器分别受到控制。当指两个寄存器分别受到控制。当ILE、CS和和WR1信号均信号均有效时，有效时，8位数字量被写入输入寄存器，此时并不进行位数字量被写入输入寄存器，此时并不进行A/D转转换。当换。当WR2和和XFER信号均有效时，原来存放在输入寄存器信号均有效时，原来存放在输入寄存器中的数据被写入中的数据被写

12、入DAC寄存器，并进入寄存器，并进入D/A转换器进行转换器进行D/A转转换。在一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器换。在一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器的锁存作用，的锁存作用，8位位D/A转换器的输入数据保持恒定，因此转换器的输入数据保持恒定，因此D/A转换的输出也保持恒定。转换的输出也保持恒定。 第八章-13DAC0832双缓冲方式AB WR1 CSXFER WR 5V+5VRfbIout2Iout1 WR2DGND AGNDD0D7DI0DI7VccILEVREFVout+_A译码译码第八章-143. 电压输出电路的连接电压输出电路的连接 DAC0832以电流形式输

13、出转换结果，若要得到电压形式的以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出，需要外加输出，需要外加I/V转换电路，常采用运算放大器实现转换电路，常采用运算放大器实现I/V转换。转换。 DAC0832RFBIOUT1IOUT2RP1VOU TVOUT1DAC0832VREFRFBIOUT1RP1R0(a)(b)VOUTR32RR22R5IOUTR1R(a) 单极性输出单极性输出 (b) 双极性输出双极性输出 第八章-15u单极性输出电路单极性输出电路 输出电压为：输出电压为： REFOUTV256DV 式中式中D为输入数字量的十进制数。因为转换结果为输入数字量的十进制数。因为转换结果IOUT1

14、接运算放大器接运算放大器的反向端，所以式中有一个负号。若的反向端，所以式中有一个负号。若VREF=+5 V，当，当D=0 255(00H FFH)时，时，VOUT=-(0 4.98) V。 u双极性输出电路双极性输出电路 输出电压为输出电压为： REFOUTV128128DV 若若VREF=+5 V，当，当D=0时，时，VOUT1=0，VOUT=-5 V； 当当D=128(80H)时，时，VOUT1=-2.5 V，VOUT=0； 当当D=255(FFH)时，时，VOUT1=-5.98 V，VOUT = 4.96 V。 1. 直通方式的应用直通方式的应用第八章-16三、三、DAC0832DAC0

15、832的应用的应用 DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。式，另一个处于受控的锁存方式。第八章-172. 单缓冲方式的应用单缓冲方式的应用1）产生锯齿波的程序）产生锯齿波的程序 MOV R0，#0FEH MOV A，#00HLOOP: MOVX R0，A INC A NOP NOP SJMP LOOP1/282/283/28254/28255/280第八章-182） 产生方波的程序产生方波的程序 MOV R0，#0FEHLOOP: MOV A，#DATA1 MOVX R0，A ACALL DELAY1 MOV A，

16、#DATA2 MOVX R0，A ACALL DELAY2 AJMP LOOP第八章-193） 双缓冲工作方式应用双缓冲工作方式应用 在多路在多路D/AD/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。须采用双缓冲方式。DAC0832DAC0832采用双缓冲方式时，数字量采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和的输入锁存和D/AD/A转换输出是分两步进行的。转换输出是分两步进行的。 第一，第一， CPUCPU分时向各路分时向各路D/AD/A转换器输入要转换的数字量转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。并锁存在各自的输入寄存器中。 第二，第

17、二，CPUCPU对所有的对所有的D/AD/A转换器发出控制信号，使各路转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入输入寄存器中的数据进入DACDAC寄存器，实现同步转换输出。寄存器，实现同步转换输出。第八章-20第八章-21 MOV DPTR，#0DFFFH MOV A，#data1 MOVX DPTR，A MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#data2 MOVX DPTR，A MOV DPTR，#0BFFFH MOVX DPTR，A第八章-22第八章-238.2 MCS8.2 MCS-5151与与A/DA/D转换器的接口转换器的接口 A/D转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系

18、统之间转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理。在工业控制和数据信号，以便计算机或数字系统进行处理。在工业控制和数据采集及许多其他领域中，采集及许多其他领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成转换器是不可缺少的重要组成部分。部分。 由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D转换器。转换器。A/D转换器的主要类型有：逐位比较转换器的主要类型有：逐位比较(逐位逼近逐位逼近)型、积分型、并行比较型、计

19、数型、电压型、积分型、并行比较型、计数型、电压频率型频率型(即即V/F型型)等。选用等。选用A/D转换器时，主要应根据使用场合的具体要求，转换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、功能以及接口条件等因素决定选择何按照转换速度、精度、功能以及接口条件等因素决定选择何种型号的种型号的A/D转换芯片。转换芯片。 1.转换时间和转换速率转换时间和转换速率 A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。 第八章-242.分辨率分辨率 表示表示A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。一般用输出数字量的转换器对输入模拟信号的分辨

20、能力。一般用输出数字量的位数来表示位数来表示: 如如8位、位、10位。位。例：一个满量程为例：一个满量程为5V的的8位位ADC，能分辨的的最小模拟量是，能分辨的的最小模拟量是 5/(28-1)=5/255=0.0196V=19.6mV3.转换精度转换精度 定义为一个实际定义为一个实际ADC与一个理想与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝在量化值上的差值。可用绝对精度或相对精度表示。对精度或相对精度表示。一、一、A/D转换器的性能指标转换器的性能指标第八章-25二、逐次逼近式二、逐次逼近式A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 ADC0809是逐位逼近型是逐位逼近型8通道、通道、

21、8位位A/D转换芯片，转换芯片，CMOS工艺制造，工艺制造，双列直插式双列直插式28引脚封装。引脚封装。 ADC0809片内有片内有8路模拟开关，可输入路模拟开关，可输入8个模拟量，单极性输入，量个模拟量，单极性输入，量程为程为0 +5 V。 典型的转换速度为典型的转换速度为100 s(fclock=640KHz)。 片内带有三态输出缓冲器，可直接与片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。总线接口。 其性价比有明显的优势，是目前广泛采用的芯片之一，可应用于对其性价比有明显的优势，是目前广泛采用的芯片之一，可应用于对精度和采样速度要求不高的数据采集场合或一般的工业控制领域。精度和采样速度

22、要求不高的数据采集场合或一般的工业控制领域。 第八章-261. ADC080809的内部结构和引脚功能的内部结构和引脚功能第八章-27 IN0 IN78路模拟量输入端。路模拟量输入端。 ADDC、ADDB和和ADDA地址输入端，以选通地址输入端，以选通IN7 IN0 8路中的某一路信号。路中的某一路信号。 ALE地址锁存允许信号，有效时将地址锁存允许信号，有效时将ADDC、ADDB和和ADDA锁存。锁存。 CLOCK外部时钟输入端。允许范围为外部时钟输入端。允许范围为10 1280 kHz。时钟频率越低，转换速度就越慢。时钟频率越低，转换速度就越慢。 STARTA/D转换启动信号输入端。有效信

23、号为一正转换启动信号输入端。有效信号为一正脉冲。在脉冲的上升沿，脉冲。在脉冲的上升沿，A/D转换器内部寄存器均被清零，转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始在其下降沿开始A/D转换。转换。 第八章-28 EOCA/D转换结束信号。在转换结束信号。在START信号上升沿之后不久，信号上升沿之后不久，EOC变为低电平。当变为低电平。当A/D转换结束时，转换结束时，EOC立即输出一正阶跃信号，可用来立即输出一正阶跃信号，可用来作为作为A/D转换结束的查询信号或中断请求信号。转换结束的查询信号或中断请求信号。 OE输出允许信号。当输出允许信号。当OE输入高电平信号时，三态输出锁存器将输入高电平信号时

24、，三态输出锁存器将A/D转换结果输出到数据量输出端转换结果输出到数据量输出端D7 D0。 D7 D0数字量输出端。数字量输出端。D0为最低有效位为最低有效位(LSB)，D7为最高有效位为最高有效位(MSB)。 VCC与与GND电源电压输入端及地线。电源电压输入端及地线。 VREF(+)与与VREF(-)正负基准电压输入端。正负基准电压的典型值分正负基准电压输入端。正负基准电压的典型值分别为别为 +5 V和和0 V。 第八章-29 ADC0809与与MCS-51连接可采用连接可采用延时延时方式、方式、查询查询方式和方式和中断中断方式。方式。 首先用指令选择首先用指令选择0809的一个模拟输入通道

25、，当执行的一个模拟输入通道，当执行 MOVX DPTR，A单片机的写信号有效，产生一个启动信号给单片机的写信号有效，产生一个启动信号给0809的的 START脚，对选中通脚，对选中通道转换。道转换。 转换结束后，转换结束后，0809发出转换结束发出转换结束EOC信号，该信号可供查询，也可作信号，该信号可供查询，也可作为向单片机发出的中断请求信号；当执行指令：为向单片机发出的中断请求信号；当执行指令： MOVX A，DPTR单片机发出读信号，加到单片机发出读信号，加到OE端高电平，把转换完毕的数字量读到端高电平，把转换完毕的数字量读到A中。中。第八章-30三、三、ADC0809ADC0809与与

26、MCS-51MCS-51单片机接口单片机接口1. 延时方式延时方式 启动转换后，延时等待一段时间，等待转换结束后直接启动转换后，延时等待一段时间，等待转换结束后直接读取数据。无需查询读取数据。无需查询EOC状态，编程简单，但占用时间较长状态，编程简单，但占用时间较长 ! 第八章-31延时方式编程延时方式编程 MAIN: MOV R1，#data ;置数据区首地址置数据区首地址 MOV DPTR，#7FF8H ; 指向通道指向通道IN0 LOOP: MOVX DPTR，A ;启动启动A/D转换转换 MOV R6，#20H ;软件延时，等待转换结束软件延时，等待转换结束DELAY: NOP ; 延

27、时时间，视延时时间，视CLK时钟时钟 NOP 频率而定频率而定 NOP DJNZ R6，DELAY MOVX A，DPTR ;读取转换结果读取转换结果 MOV R1，A ;存储转换结果存储转换结果第八章-322. 查询方式查询方式 启动转换后读取连续启动转换后读取连续EOC引脚电平，直到引脚电平，直到EOC变为变为高电平后读取高电平后读取ADC0809转换数据。转换数据。. .87518751ADC0809ADC0809ALEALEP P0.70.7P P0.00.0P P2.7WRWRRDRDCKCKD DQ QQ QA A0 0A A1 1A A2 2D D0 0D D7 7A AB BC CCLKCLKSTARTSTARTALEALEOEOEEOCEOC. .ININ0 0ININ1 1ININ7 7ININ6 6ININ5 5ININ4 4ININ3 3ININ2 2+ + +74LS 373. .P1.0第八章-33查询方式编程查询方式编程 ORG 0000H AJMP START ORG 0050H START: MOV DPTR，#7FF0H ；试分析如何读取通道试分析如何读取通道2？ MOVX DPTR，A ；启动；启动A/D转换转换 LOOP：JB P1.0，LOOP ；等待转换；等待转换LOOP1: JNB P