第十章模数数模转换

1、微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器10.1 概述概述 10.2 数数/模（模（ D/A ）转换器）转换器 10.3 模模/数（数（ A / D ）转换器）转换器微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群10.1 概述概述 生产过程中的各种参数大部分是连续变化的生产过程中的各种参数大部分是连续变化的模拟量模拟量，需要转换成离散的数字量（需要转换成离散的数字量（ 通过通过A/D转换转换 ）才能

2、输入）才能输入到计算机进行处理；而计算机处理后的数据为数字量，到计算机进行处理；而计算机处理后的数据为数字量，需经需经过过D/A转换转换变成模拟量输出，从而实现对被控对象变成模拟量输出，从而实现对被控对象的控制。的控制。 A/D 、D/A转换器是转换器是计算机与外界联系的重要接口计算机与外界联系的重要接口。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群10.1.1 一个实时控制系统一个实时控制系统 传感器 放大滤波 传感器 放大滤波 控 制 对 象 执 行 部 件 D/A 转 换 器 I/O 接 口 多路开关 采样保持

3、器 转换器 MUX S/H 接 口 I/O A/D 计 算 机 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 10.1.2 采样与量化和编码采样与量化和编码 我们经常遇到的物理参数，如电流、电压、温度、压力、速我们经常遇到的物理参数，如电流、电压、温度、压力、速度度电量或非电量都是模拟量。电量或非电量都是模拟量。模拟量模拟量的的幅度是连续分布的，幅度是连续分布的，且经常也是时间上的连续函数且经常也是时间上的连续函数。因此要将模拟量转换成数字信号。因此要将模拟量转换成数字信号需经需经采样采样 量化量化 编码编码三个基本

4、过程（三个基本过程（数字化过程数字化过程）。）。 1. 采样和量化采样和量化 在连续变化的模拟量上按在连续变化的模拟量上按等间隔等间隔地（周期地）取出其中的某地（周期地）取出其中的某一些一些瞬时值瞬时值来代表这个连续的模拟量，来代表这个连续的模拟量，这个过程就是采样这个过程就是采样。采样。采样的理论基础是的理论基础是采样定理采样定理。 采样值在采样值在时间上时间上是离散的值，但在是离散的值，但在幅度上幅度上仍然是连续变化的仍然是连续变化的模拟量。模拟量。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 采样点上采得的信号

5、值反映到数字量所表示的状态上的过采样点上采得的信号值反映到数字量所表示的状态上的过程程叫叫量化量化。在幅值上用离散值来表示在幅值上用离散值来表示。方法是用一个。方法是用一个量化电平量化电平Q去度量采样值去度量采样值u0、u1、，便得到量化的数字量。，便得到量化的数字量。U0=2.3Q 2Q 010U1=4.0Q 4Q 100U2=5.2Q 5Q 101U3=5.8Q 5Q 101采样点采样点采样值采样值量化值量化值 编码编码量化电平量化电平微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 V1V5 . 0)202120(

6、012微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群10.2 数数/模（模（ D/A ）转换器）转换器 定义：定义：数字数字模拟转换。模拟转换。把数字信号转换为模拟信把数字信号转换为模拟信号号输出的器件称为数输出的器件称为数/模转换器（简称模转换器（简称D/A转换器）。转换器）。 10.2.1 D/A转换器的原理转换器的原理10.2.2 D/A转换器的性能指标转换器的性能指标10.2.3 典型的典型的8位位D/A芯片芯片DAC0832微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换

7、器山东工商学院山东工商学院 高群高群 11.2.1 D/A转换器的原理转换器的原理权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 组成：组成：权电阻解码网络、基准源权电阻解码网络、基准源VR、模拟开关、运放。、模拟开关、运放。ai为为输入的数字量输入的数字量，Vo为为输出的模拟量输出的模拟量。ai=0，开关打向左边，电，开关打向左边，电阻接地；阻接地； ai=1，开关打向，开关打向右边，电阻接右边，电阻接VR，经过运，经过运算可得：算可得：特点：特点：V0与与VR极性相反，极性相反，RF可调整输出电压可调整输出电压V0的范的范围，制造工艺简单。围，制造工艺简单。RVRRVF)21(i1 -n0ii0d

8、 VR d1 d2 d3 d4 I4 I3 I2 I1 R 2R 4R 8R S1 S2 S3 S4 Rf If Io + A VO 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 10.2.2 D/A转换器的性能指标转换器的性能指标1. 输入数字量输入数字量 多数多数DAC只接受只接受TTL电平电平的的自然二进制编码自然二进制编码的数字量输入。的数字量输入。少数还支持少数还支持双极性编码双极性编码和和BCD编码编码输入。输入。2. 输出模拟量输出模拟量 多数多数DAC是是电流输出电流输出，芯片手册会给出，芯片手册会给

9、出参考电压参考电压VR的值，的值，这样就可以知道这样就可以知道输入的任意数字量所对应的模拟量的输出输入的任意数字量所对应的模拟量的输出。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群3. 分辨率分辨率 单位数字量（最低位单位数字量（最低位LSB）所对应模拟量增量）所对应模拟量增量。即相邻两。即相邻两个二进制码对应的输出电流（电压）之差。（个二进制码对应的输出电流（电压）之差。（除以满量程除以满量程FSR，用分数或百分数表示。比如用分数或百分数表示。比如8位位D/A的分辨率为的分辨率为1/28） 它确定了它确定了D/A产

10、生的最小模拟量变化，也可用最低位产生的最小模拟量变化，也可用最低位LSB表表示。如，示。如，n位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为1/2n 。4. 精度精度 转换器的实际输出与理论值之差转换器的实际输出与理论值之差。可分为。可分为绝对精度绝对精度和和相对相对精度精度。5. 转换时间转换时间TS（建立时间）（建立时间） D/A转换器输入的数字量发生变化后，其转换器输入的数字量发生变化后，其输出模拟量达到输出模拟量达到稳定相应值所需要的时间稳定相应值所需要的时间。 超高速：超高速： TS 100ns 较高速：较高速： TS ： 100ns 1s 高速：高速： TS ： 1s 10s 低速：低

11、速： TS 100s 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 10.2.3 典型的典型的8位位D/A芯片芯片DAC08321. 1. 性能指标性能指标 分辨率：分辨率：8位；位； 单电源单电源 ： +5V +15V； 转换速度：转换速度： 1s， 参考电压：参考电压： -10V +10V； 可可单缓冲、双缓冲或直接数字输入单缓冲、双缓冲或直接数字输入三种方式工作；三种方式工作； 二级数据锁存（第一级为输入锁存）；二级数据锁存（第一级为输入锁存）； 低功耗低功耗200mW。 20脚双列直插式封装（脚双列直插式封装

12、（DIP封装）。封装）。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 2. 内部结构及引脚内部结构及引脚131415164567DDDDDDDDQQQQQQQQDDDDDDDDQQQQQQQQ8 位D/A转换器8位DAC寄存器8 位输入寄存器(MSB)DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI019(LSB)ILECS1WR2WRXFER12181781211932010DGNDVCCAGNDRfbRfbIOUT1IOUT2VREFLE*LE*微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、

13、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群引脚：引脚：AGNDCS1WRDI3DI2DI1DI0(LSB)VREFRFBDGND1098765432120191817161514131211IOUT1IOUT2DI7(MSB)DI6DI5DI4ILEVCC2WRXFERDAC0832微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群DI7 DI0：8位数据输入端；位数据输入端；ILE：允许：允许输入数据输入数据锁存信号，高电平有效；锁存信号，高电平有效；CS：片选，低电平有效，它和：片选，低电平有效，它和ILE信

14、号一起来决定信号一起来决定WR1是否起作是否起作用；用；WR1：输入寄存器的写选通信号，必须和输入寄存器的写选通信号，必须和CS 、ILE同时有效；同时有效；XFER：传送控制信号，用来控制：传送控制信号，用来控制DAC寄存器寄存器锁存锁存 ；WR2 ：DAC寄存器的选通信号，必须和寄存器的选通信号，必须和XFER同时有效；同时有效；IOUT1：D/A转换器输出电流端之一。转换器输出电流端之一。DAC锁存的数据位为锁存的数据位为“1”的的位电流均流出此端（位电流均流出此端（为为1的各位电流之和的输出端的各位电流之和的输出端）；当）；当DAC锁锁存器各位全存器各位全1时，此输出电流最大，全时，此

15、输出电流最大，全0时输出为时输出为0；P387IOUT2 ：D/A转换器输出电流端之二。与转换器输出电流端之二。与IOUT1是互补关系；是互补关系；微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群RFB：内备的反馈电阻引出端，芯片内部已提供一个反馈电阻，：内备的反馈电阻引出端，芯片内部已提供一个反馈电阻，约约15K；VREF：基准电压源输入端，此端：基准电压源输入端，此端可以接正电压，也可接负电压可以接正电压，也可接负电压，供电阻网络用；范围为供电阻网络用；范围为-10V +10V ；VCC：芯片供电电源引入端，范围：芯

16、片供电电源引入端，范围+5V +15V ；AGND：模拟信号地，即模拟电路接地端；：模拟信号地，即模拟电路接地端；DGND：数字量地。：数字量地。注：注：有两级锁存。有两级锁存。 LE1 -输入锁存器控制端输入锁存器控制端 LE2- DAC锁存器控制端锁存器控制端微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 3. DAC0832的三种工作方式的三种工作方式（1）直通工作方式）直通工作方式要求要求CS 、ILE、WR1、WR2、XFER始终有效。始终有效。可以用在没有可以用在没有CPU的系统中的系统中。（2）单缓冲工作

17、方式）单缓冲工作方式 输入数据通过输入数据通过输入锁存器锁存输入锁存器锁存， DAC锁存器为直通锁存器为直通。当。当CS、WR1 、 ILE有效时，有效时， D/A转换就输出。转换就输出。要求要求WR2、XFER始终有效。始终有效。（3）双缓冲工作方式）双缓冲工作方式 输入数据通过输入数据通过输入锁存器、输入锁存器、 DAC锁存器两级锁存锁存器两级锁存。只有当。只有当CS 、WR1、WR2、XFER 、 ILE都有效时，都有效时，D/A转换才输出。转换才输出。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群5. DAC0

18、832与与CPU的接口的接口 （1）单缓冲方式）单缓冲方式执行如下语句即可启动执行如下语句即可启动DAC： MOV AL，12H OUT 80H，AL微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群（2）双缓冲方式）双缓冲方式 地址总线 译码器 CS1 CS2 CS3 XFER CS XFER WR2 WR1 ILE DAC 1 OA + 输出 1 DAC 禁止 WR 选通 CS XFER WR2 WR1 ILE DAC 2 OA + 输出 2 CS XFER WR2 WR1 ILE DAC 3 OA + 输出 3 微型

19、计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群6. DAC的应用的应用 （1）实现）实现D/A转换转换要会通过输入的数字量计要会通过输入的数字量计算出输出的模拟电压的值。算出输出的模拟电压的值。DAC0832的输出电压与输的输出电压与输入数字量的关系见入数字量的关系见P313程序：程序：单缓冲方式下：单缓冲方式下： MOV AL，欲转换的数值欲转换的数值 MOV DX， D/A的输入缓冲器口地址的输入缓冲器口地址 OUT DX，AL微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东

20、工商学院山东工商学院 高群高群（2）可实现函数发生器）可实现函数发生器输出方波输出方波（设（设D/A的口地址为的口地址为300H） MOV DX，300H S0: MOV AL，00H OUT DX，AL CALL DELAY MOV AL，0FFH OUT DX，AL CALL DELAY JMP S0DELAY: ;延时程序延时程序注：注： 频率由延时程序控制频率由延时程序控制300H微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群输出梯形波输出梯形波（设（设D/A的口地址为的口地址为300H） MOV DX，300

21、H T0：MOV CX，0FFH MOV AL，00H T1：OUT DX，AL LOOP T1 MOV CX，0FFH T2：INC AL OUT DX，AL LOOP T2 MOV CX，0FFH T3：OUT DX，AL LOOP T3 MOV CX，0FFH T4：DEC AL OUT DX，AL LOOP T4 JMP T0 HLT300H微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群输出三角波输出三角波（设（设D/A的口地址为的口地址为300H） MOV DX，300H R0：MOV CX，0FFH MOV

22、 AL，00H R1： INC AL OUT DX，AL LOOP R1 MOV CX，0FFH R2：DEC AL OUT DX，AL LOOP R2 JMP R0 HLT300H微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群输出锯齿波输出锯齿波（设（设D/A的口地址为的口地址为300H） MOV DX，300H MOV AL，00HST1：OUT DX，AL INC AL JMP ST1 HLT300H微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院

23、高群高群 11.3 模模/数（数（ A / D ）转换器）转换器定义：定义：模拟模拟数字转换。把数字转换。把模拟信号转换为数字信号模拟信号转换为数字信号输出的器输出的器件称为模件称为模/数转换器（简称数转换器（简称A / D转换器）。转换器）。11.3.1 A / D转换器的原理转换器的原理 按输出方式分可分为：按输出方式分可分为：并行、串行并行、串行。 按转换速度可分为：按转换速度可分为：低速、中速、高速低速、中速、高速。 按转换精度和分辨率可分为：按转换精度和分辨率可分为：8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位、位、20位、位、24位位等等。等等。 按转换原理：可将按转换原理

24、：可将A / D转换器分为：转换器分为：计数式、逐次逼近式、计数式、逐次逼近式、双积分式双积分式等。等。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器)2d2d(VVnn11Rf 其中：其中：Vf-比较器的标准电压（比较器的标准电压（ D/A转换器的输出）转换器的输出） VR-D/A转换器的基准电压转换器的基准电压微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术

25、第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群10.3.2 典型典型A / D转换器转换器ADC0809（1）性能）性能 8位位逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 8 通道通道多路开关输入切换电路。多路开关输入切换电路。 转换速度转换速度：典型值：典型值100s。转换速度取决于芯片的时钟频率，。转换速度取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围：时钟频率范围：101280KHz（典型值为（典型值为640KHz）当）当CLK=500KHz时，转换速度为时，转换速度为128s。转换结果读取方式：转换结果读取方式：延时读数、延时读数、 查询查询EOC=1、EOC申请中断申请中

26、断。 单一单一+5V供电供电, VREF=+5V 模拟输入范围为：模拟输入范围为： 05V。 具有锁存三态输出。具有锁存三态输出。微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群（2）引脚定义：）引脚定义：IN0IN7：8通道通道模拟量输入端模拟量输入端 D0D7： 8位位数字量输出端数字量输出端C、B、A：选择输入通道：选择输入通道ALE： 通道号锁存允许控制信号通道号锁存允许控制信号START：高电平：高电平启动转换启动转换OE： 允许允许A/D结果输出结果输出,高有效高有效Vcc：+5VVref+：参考电压，：参考

27、电压，+5VVref-：通常接地：通常接地CLK：时钟输入端，应：时钟输入端，应1280KHzEOC：转换结束标志转换结束标志，转换结束时为，转换结束时为 高，转换期间为低高，转换期间为低ADC080912345678910111213142827262524232221201918171615IN2IN1IN0ABCALED7D6D5D4D0REF()D2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLKVccREF(+)GNDD1微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群（3）ADC0809时序图：时

28、序图：STARTALEEOCOE通道地址D7D064CLK数据微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群（4）ADC0809与与CPU的连接：的连接：微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群（5）ADC0809的软件编程的软件编程:查询方式：查询方式：设：设：ADC0809的的8个通道口地址为个通道口地址为300H 307H，EOC经地址译经地址译码器输出（口地址为码器输出（口地址为308H）作为选通控制信号接到数据总线）作为选通控制

29、信号接到数据总线D7上。上。接线如下：接线如下：最小系统最小系统微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 程序段如下：程序段如下： MOV CX，08H ；设置；设置8个通道个通道 MOV DX， 300H ；通道口地址初值（；通道口地址初值（IN0通道地址）通道地址） MOV DI，OFFSET BUF ；内存接收缓存区首地址；内存接收缓存区首地址BUFLP0：OUT DX，AL ；主要产生；主要产生START、WR，AL为任意值为任意值 ；启动启动通道通道0输入的模拟量开始转换输入的模拟量开始转换 PUSH

30、DX MOV DX，308HLP1：IN AL，DX ；读入；读入D7D0的值，的值，EOC连到连到D7上。上。 TEST AL，80H JZ LP1 ；EOC为为0则等待则等待 POP DX IN AL，DX；转换完毕，将结果读到；转换完毕，将结果读到CPU MOV DI，AL INC DI INC DX ；下一个通道；下一个通道 LOOP LP0微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群中断方式：中断方式：设：设：ADC0809的的8个通道口地址为个通道口地址为300H 307H，EOC通过通过8259A接到接到CPU的中断请求引脚的中断请求引脚INTR上。接线如下：上。接线如下：8259A微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第十章第十章 A/D、D/A转换器转换器山东工商学院山东工商学院 高群高群 程序段如下：程序段如下