第8章_微机原理及单片机 AD和DA转换器

1、Page 1Page 2第第8 8章章 A/D A/D和和D/AD/A转换器转换器DAC0832Page 3了解了解DAC0832DAC0832的结构和工作原理。的结构和工作原理。理解理解D/AD/A转换器的编程及其应用。转换器的编程及其应用。了解了解ADC0809ADC0809转换器的结构和工作原理。转换器的结构和工作原理。理解理解A/DA/D转换器的编程及其应用。转换器的编程及其应用。Page 4Page 5 数字量（Digit）和模拟量（Analog）为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，需要把模拟量转换成便于数字计算机存储和输出，需要把模拟量

2、转换成便于数字计算机存储和加工的数字量（加工的数字量（A/DA/D转换，转换，ADCADC），），或者把数字量转或者把数字量转换成模拟量换成模拟量( (D/AD/A转换，转换，DAC)DAC)。Page 6模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道工工业业生生产产过过程程温度温度流量流量传感传感器器变送变送器器多多路路开开关关采采样样保保持持器器A/D转转换器换器数数字字量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电压电压量量信号信号处理处理信号信号处理处理Page 71 传感器（变送器） 把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、把外部

3、的物理量（例如：声音、温度、压力、流量等）转换成电流或电压信号。流量等）转换成电流或电压信号。2 A/DA/D转换器转换器 将电压表示的模拟量转换成数字量，送计算机将电压表示的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。处理，它是输入通道的核心环节。Page 83 信号处理 传感器输出的信号比较微弱，需要经过传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大放大获得获得ADCADC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，需要加接的影响，需要加接滤波滤波电路，滤去干扰信号。电路，滤去干扰信

4、号。4 多路开关多路开关 需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用路模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用一个一个ADCADC进行进行A/DA/D转换。转换。Page 95 采样/保持器 A/DA/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/ /保持保持电路电路。 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保持电路采集输入信号( (采样采样) )。 转换进行过程中，它向转换进行过程中，它向A/DA/D转换器保持固定的输出转换器保

5、持固定的输出( (保保持持) )。6 D/AD/A转换器转换器 D/AD/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。转换器将成数字量转换成模拟量输出。Page 10数/模（D/A）转换Page 11 数字量是由一位一位的数字量是由一位一位的二进制二进制数位构成的数位构成的，每个数位都代表一定的权。每个数位都代表一定的权。 把一个数字量变成模拟量把一个数字量变成模拟量，必须把每一位上必须把每一位上的代码按照权来转换为对应的模拟量的代码按照权来转换为对应的模拟量，再把各模再把各模拟量相加拟量相加，这样这样，得到的总的模拟量便对应得到的总的模拟量便对应于于给给定的数据定的数据。 通常用通常用T T型网络实

6、现数字量向模拟电流的转型网络实现数字量向模拟电流的转换；再利用运算放大器将电流信号转换为电压信换；再利用运算放大器将电流信号转换为电压信号。号。Page 12RfA-+模拟量模拟量输出输出运算运算放大器放大器Vo权电阻权电阻位切换开关位切换开关d3d2d1d0VR二进制输入二进制输入2R4R8RR权电阻权电阻D/AD/APage 13D/AD/A转换的主要性能指标转换的主要性能指标（1 1）分辨率）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。分辨率用输入二进制数的有效位数表示。 在分辨率为在分辨率为n n位的位的D/AD/A转换器中，输出电压能转换器中，输出电压能区分区分2 2n n个不同的输

7、入二进制代码状态，能给出个不同的输入二进制代码状态，能给出2 2n n个个不同等级的输出模拟电压。不同等级的输出模拟电压。（2 2）精度）精度 精度是指某一数字量的理论输出值和经精度是指某一数字量的理论输出值和经DACDAC转转换的实际输出值之差。换的实际输出值之差。Page 14（3 3）线性误差线性误差指数字量变化时，指数字量变化时，D/AD/A转换器输出的模拟量按比例转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。关系变化的程度。（4 4）转换时间转换时间指数字量从输入到完成转换、输出达到最终值并指数字量从输入到完成转换、输出达到最终值并稳定为止所需的时间。稳定为止所需的时间。Page 15Pa

8、ge 16DAC0832DAC0832主要特性：主要特性：1.1.分辨率分辨率8 8位；位；2.2.电流建立时间电流建立时间1 1SS；3.3.数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；4.4.输出电流线性度可在满量程下调节；输出电流线性度可在满量程下调节；5.5.逻辑电平输入与逻辑电平输入与TTLTTL电平兼容；电平兼容；6.6.单一电源供电（单一电源供电（5 5V V15V15V）；）；7.7.低功耗，低功耗，2020mWmW。Page 17DAC0832DAC0832内部结构内部结构8 8位位输入输入寄存器寄存器8 8位位DACDAC寄存器寄存器8

9、8位位D/AD/A寄存器寄存器D DI I7D7DI I0 0ILEILELE1LE1LE2LE2CSCSWR1WR1WR2WR2XFERXFERVREFVREFIOUT2IOUT2IOUT1IOUT1RFBRFBAGNDAGND( (模拟地模拟地 ) )Page 188 8位输入寄存器位输入寄存器用于存放用于存放CPUCPU送来的数字量，使输入数字量得到缓送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由冲和锁存，由LE1LE1加以控制。加以控制。8 8位输入寄存器位输入寄存器用于存放待转换的数字量，由用于存放待转换的数字量，由LE2LE2控制。控制。8 8位位D/AD/A寄存器寄存器由由8 8位

10、位T T型电阻网络和电子开关组成，电子开关受型电阻网络和电子开关组成，电子开关受8 8位位DACDAC寄存器的输出控制，寄存器的输出控制，T T型电阻网络能输出型电阻网络能输出与数字量成正比的模拟电流。与数字量成正比的模拟电流。Page 19T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换就是要将数字量转换就是要将数字量D D转换成与之成正比的模转换成与之成正比的模拟量拟量V V，即：即：V= RV= RD D ，其中其中R R为比例系数。为比例系数。数模转换（数模转换（D/AD/A）电路形式是多种多样的，多数电路形式是多种多样的，多数采用采用T T型电阻解码网络型电阻解码网络。Page 20在在T

11、 T型解码网络中，有一个标准电源型解码网络中，有一个标准电源V VREFREF。二进制数二进制数的每一位的每一位didi（i=0,1,2i=0,1,2）对应一个电阻对应一个电阻2 2R R，并由该并由该二进制值二进制值didi控制一个双向电子开关控制一个双向电子开关KiKi。Page 21n 从从A点看：点看： I0=VA/(2R); I1=2I0n B点左边的网络电路可简化一个点左边的网络电路可简化一个2R的等效电阻，与的等效电阻，与A点点同样原理可得同样原理可得 ： I1=VB/(2R); I2=2I1n 最后将整个网络电路等效为一个阻值为最后将整个网络电路等效为一个阻值为R的电阻，则由的

12、电阻，则由H点：点：I =VREF/R I7=I/21、 I6=I/22、 I5=I/23、 I4=I/24、 I3=I/25、 I2=I/26、 I1=I/27、 I0=I/28n 当输入数据为当输入数据为11111111时，总电流：时，总电流： Io1=I/28*(27+26+25+24+23+22+21+20)Page 22n 输出电压：输出电压： Vo = -Io1*Rfb =-(VREF/R)/28) *(27+26+25+24+23+22+21+20)*Rfbn 推广到一般情况，对于推广到一般情况，对于n位二进制数位二进制数D， 其输出电其输出电压为：压为： V=(VREF *Rf

13、b) /(R*2n )*DPage 23DAC0832DAC0832的引脚信号的引脚信号20201919181817171616151514141313121211111 12 23 34 45 56 67 78 89 91010 V VCCCC ILEILE WR2WR2 XFERXFER DI4DI4 DI5DI5 DI6DI6 DI7DI7IOUT1IOUT1IOUT2IOUT2 CSCS WR1WR1 AGNDAGNDDI3DI3DI2DI2DI1DI1DI0DI0VREFVREFRFBRFBDGNDDGNDPage 24n D0D7：8位数据输入线位数据输入线n ILE: 数据锁存允

14、许控制信号输入线，高电平有效；数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；n CS: 片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；有效；n WR1: 为输入寄存器的写选通信号。为输入寄存器的写选通信号。n XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。数据传送控制信号输入线，低电平有效。 n WR2：为为DAC寄存器写选通输入线。寄存器写选通输入线。n Iout1:电流输出线。当输入全为电流输出线。当输入全为1时时Iout1最大。最大。 n Iout2: 电流输出线。其值与电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。之和为一常数。Page 25DAC0832

15、DAC0832的工作方式的工作方式直通方式直通方式当当ILEILE接高电平，接高电平，CSCS、WR1WR1、WR2WR2和和XFERXFER都接数字地都接数字地时，时，DACDAC处于直通方式，处于直通方式，8 8位数字量一旦到达位数字量一旦到达DI7DI7DI0DI0输入端，就立即加到输入端，就立即加到8 8位位D/AD/A转换器，被转换成转换器，被转换成模拟量。模拟量。单缓冲方式单缓冲方式 只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存器数据，而用另一个锁存器数据，DACDAC就可处于单缓冲工作就可处于单缓冲工作方式。方式。Page 2

16、6+-Voport数数 据据 线线地址地址译码译码PC总线总线IOWA0A9D0D7+5VCSDAC0832DI0DI7IOUT1IOUT2RFBXFER WR2WR1ILE单缓冲工作方式单缓冲工作方式: : 输入寄存器输入寄存器工作于工作于受控受控状态状态DACDAC寄存器寄存器工作于工作于直通直通状态状态Page 27D/A转换转换IOUT2DI7DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&输入输入寄存寄存RFB-+VoIOWA9A0D7D0+5VPC总线总线port地址地址译码译码DAC寄存寄存转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：MOV AL, da

17、ta ;取数字量取数字量MOV DX, portOUT DX, ALPage 28port数数 据据 线线地址地址译码译码PC总线总线IOWA0A9D0D7+5VXFERDAC0832DI0DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS WR1WR2ILE单缓冲工作方式单缓冲工作方式 : 输入寄存器输入寄存器工作于工作于直通直通状态状态DAC寄存器寄存器工作于工作于受控受控状态状态Page 29IOUT2DI7DI0LECSWR1ILE&输入输入寄存寄存VoD7D0+5VPC总线总线portWR2IOWA9A0XFERD/A转换转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存寄存地址地址译码译码&

18、amp;转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：MOV AL, data ;取数字量取数字量MOV DX, portOUT DX, ALPage 30双缓冲方式双缓冲方式 把把DAC083DAC0832 2的输入锁存器和的输入锁存器和DACDAC寄存器都接成受控锁寄存器都接成受控锁存方式。这种方式适用于多路存方式。这种方式适用于多路D/AD/A同时进行转换的同时进行转换的系统。系统。DAC0832PC总线总线数数 据据 线线WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2CS地地址址译译码码A0A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAG

19、NDPage 31IOUT2DI7DI0LECSWR1ILE&输入输入寄存寄存VoD7D0+5VPC总线总线port2WR2IOWA9A0XFERD/A转换转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存寄存地地址址译译码码&port1转换一个数据的程序段转换一个数据的程序段：MOV AL, data ;取数字量取数字量MOV DX，port1OUT DX, AL ;打开第一级锁存打开第一级锁存MOV DX, port2OUT DX, AL ;打开第二级锁存打开第二级锁存Page 32当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。思考思考

20、：相应的程序如何编写？：相应的程序如何编写？地地址址译译码码port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换转换DI7DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换转换DI7DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7D0A9A0IOWPC总线总线+5v+5vPage 33例例1 连线如图，计算当数字量为连线如图，计算当数字量为0CDH时的输出时的输出Vo。数据线数据线WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地地址址译译码码A0A9XFERVREF-5Vport1port2转换一个数据的程序段：转换一个数

21、据的程序段：MOV AL, 0CDHMOV DX，port1OUT DX, ALMOV DX, port2OUT DX, ALPage 34DAC0832DAC0832的应用的应用DAC0832D7-D0D7-D0PORT0PORT1译码器CSXFERWR1WR2IOWILEVref+5VIout1Iout2Rfb模拟地R2RVref-+2RVout-+地址M/IOPage 35输出锯齿波的程序段MOVMOVAL,0AL,0J1J1： CALL CALL OUTPUTOUTPUT；输出当前值输出当前值INCINCALAL；产生下一个输出值产生下一个输出值JMPJMPJ1J1Page 36输出三

22、角波的程序段S0S0： MOVMOVALAL， 0 0；ALAL中置初值中置初值0 0，S1:S1:CALLCALL OUTPUTOUTPUT；输出三角波的上升段输出三角波的上升段INCINCALALJNJNC CS1S1S S2 2： CALLCALL OUTPUTOUTPUT；输出三角波的下降段输出三角波的下降段DECDECALAL；产生下降段下一个值产生下降段下一个值JNZ JNZ S2S2； JMPJMPS1S1；下降段结束，下降段结束，；输出下一个三角波；输出下一个三角波 Page 37OUTPUTOUTPUTPROCPROC NEARNEAR MOVMOVDX, PORT0DX,

23、PORT0 ；DAC0832DAC0832端口地址端口地址 OUTOUTDX, ALDX, ALINCINCDXDXOUTOUTDX, AL DX, AL PUSHPUSH AXAXMOVMOVAX, NAX, N；延时的时间常数延时的时间常数WT: WT: DECDECAXAXJNZJNZWT WT ；延时延时POPPOPAXAXRETRETOUTPUTOUTPUTENDPENDP子程序子程序“OUTPUT”OUTPUT” Page 38A/D 转换Page 39信号变换中的采样、量化和编码由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的的A/DA/

24、D转换过程为：转换过程为： 取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。 模拟信号数字信号采样保持量化编码Page 401. 采样和保持采样：采样：模拟信号的大小随着时间不断地变化，模拟信号的大小随着时间不断地变化，A/DA/D转换转换实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。采样保持：采样保持：对于变化较快的输入模拟信号，对于变化较快的输入模拟信号，A/DA/D转换前转换前可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值。信号值。采样定理：采样定理：采样频率要高于或至少等于输入信号最高采样频率要高于或

25、至少等于输入信号最高频率的频率的2 2倍。实际应用中，采样频率可以达到信号最高倍。实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的频率的4 48 8倍。倍。Page 41量化：量化：量化是把采样量化是把采样值取整为最小单位值取整为最小单位的整数倍。的整数倍。编码：编码：把量化的数值用二进制代码表示。把量化的数值用二进制代码表示。 2. 量化和编码0 01 12 23 34 45 56 67 7 待待转转换换模模拟拟量量转转换换后后数数字字量量0 00 00 00 00 01 10 01 10 0 0 01 11 11 10 00 01 10 01 11 11 10 0Page 42000001010

26、011100101110111t0 t1 t2 t3t4 t5t6t7t8 t9t采样量化结果采样量化结果量化区间量化区间010 101 110 111 111 110 100 011010 001V(t)Page 43A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1、分辨率n ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。n 常用二进制的位数表示。n 例如12位ADC的分辨率就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的1/212。 一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化最小值是10V1/212=2.4mV。Page 442、量化误差n 量化误差是ADC的有

27、限位数对模拟量进行量化而引起的误差。n 实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。Page 45Page 463、偏移误差n 偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。n 假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。Page 474、绝对精度n 在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。5、转换速率n ADC的转换速

28、率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。n 而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。Page 48A/D 转换原理这种方式的转换中有这种方式的转换中有两个积分时间两个积分时间：T0T0：用模拟输入电压对电容积分（充电）的时间这个时间用模拟输入电压对电容积分（充电）的时间这个时间是固定的；是固定的；T1T1：以电容充电后的电压为初值，对参考电源以电容充电后的电压为初值，对参考电源V VRefRef反向积反向积分，也就是积分电容被放电至零所需的时间。分，也就是积分电容被放电至零所需的时间。1.双积分型双积分型A/D转换器转换器Page 49 双积分型双积分型A

29、/D转换器转换器基准电压基准电压输入电压输入电压KVout-+。积分器积分器CFR检零检零比较器比较器数据输出数据输出(a) 双积分双积分A/D转换器结构转换器结构VA1VA2V1V2V1V2T0T2T1t(b) 模拟信号大小与积分时间的关系模拟信号大小与积分时间的关系时钟时钟控制逻辑控制逻辑计数器计数器VRefViPage 50 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器8位D/A转换器逐次逼近寄存器缓冲寄存器控制电路D7D0CLK启动信号转换结束比较器：ViV0输出为“1” ViV0输出为“0”Vi输出模拟电压V0+-逐次逼近式A/D转换器Page 51典型A/D转换器芯片ADC0809

30、 逐次逼近型逐次逼近型8位位A/D转换芯片；转换芯片； 片内有片内有8路模拟开关，可以同时连接路模拟开关，可以同时连接8路模拟量；路模拟量； 单极性，量程为单极性，量程为05V； 典型的转换速度典型的转换速度 100s； 片内有三态输出缓冲器，可直接与片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接；总线连接； 有有较高的性能价格比较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求适用于对精度和采样速度要求 不高的场合或一般的工业控制领域不高的场合或一般的工业控制领域。Page 52n ADC0809的内部逻辑结构8路模拟开关地址锁存译码电子开关逐次逼近寄存器控制与时序解码网络START CLK三态门V

31、CCGNDVREF(+)VREF(-)OEEOCIN0IN7ADDCADDBADDAALEADC0809引脚与内部结构Page 53n ADC0809引脚功能如下：n IN0IN7：模拟量输入，用于输入被转换的模拟量。n ALE：通道锁存信号，高电平有效。在高电平时将通道选择ABC锁存。 n A、B、C：通道选择，用于选择模拟通道。被选模拟通道与ABC的关系如下表所示。n D0D7：数字量输出，是转换后的数字量。n START：启动转换信号，正脉冲启动ADC0809开始转换。n EOC：转换结束信号，高电平时表示转换结束，通知CPU可以读数据。Page 54Page 55n OE：输出允许信号

32、，由CPU送来，高电平时数据出现在D0D7数据线上。n CLK：工作时钟输入端。其频率为640kHz。n Vcc：工作电源，+5V。n GND：地线。n VR+、VR-：参考电压输入端。通常情况下VR+与Vcc相连， VR-与GND相连。 Page 56A/D转换器接口基本原理与方法转换器接口基本原理与方法（1） ALE信号锁存地址信号信号锁存地址信号ADDAADDC。（2） START脉冲启动脉冲启动A/D转换转换（3） 转换完成后，转换结束信号转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平：变为高电平： 可以作为状态信号由可以作为状态信号由CPU查询；查询； 可以作为中断请求信号通知可以作为中断请求信号通知CPU。（4） CPU在查询式在查询式I/O程序或中断服务程序中：程序或中断服务程序中： 执行输入指令（读执行输入指令（读ADC0809数据端口）；数据端口）； 该指令经地址译码电路