第八章数模和模数转换器ppt

1、第第8 8章、模章、模/ /数和数数和数/ /模转换模转换l8.1 概述l8.2 数/模（D/A）转换器l8.3 模/数（A/D）转换器l8.4 采样保持电路l8.5 多路转换模拟开关http:/ 8.1 概述概述模拟量：连续变化的物理量。如温度、速度、流量、压力等。模拟量：连续变化的物理量。如温度、速度、流量、压力等。模拟量模拟量I/OI/O接口的作用：接口的作用：l实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 l计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量 二进制数、十进制数二进制数、十进

2、制数l工业生产过程的闭环控制工业生产过程的闭环控制模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量模拟量输入模拟量输入(数据采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(过程控制过程控制)计算机计算机 模拟量转化为数字量的步骤：模拟量转化为数字量的步骤：利用光电元件、压敏元件、热敏元件等传感器可把模拟量变成模拟电流和模拟利用光电元件、压敏元件、热敏元件等传感器可把模拟量变成模拟电流和模拟电压。电压。对模拟电流和模拟电压进行采样，得到对应的离散脉冲序列。对模拟电流和模拟电压进行采样，得到对应的离散脉冲序列。用模用模/ /数转换器将离散脉冲变为离散的数字信号。数转换器

3、将离散脉冲变为离散的数字信号。数字量转换为模拟量为上述的反过程数字量转换为模拟量为上述的反过程: :传感器执行部件控制对象运放 A/D微机系统功放 D/A模拟量数字量模拟量数字量模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传传感感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道模拟量I/O通道的组成

4、8.2 8.2 数数/ /模（模（D/AD/A）转换器）转换器一、运算放大器的工作特点和原理一、运算放大器的工作特点和原理1 1、特点：、特点：开环放大倍数高，则所需输入电压小。开环放大倍数高，则所需输入电压小。 输入阻抗非常大，则输入电流小。输入阻抗非常大，则输入电流小。 输出阻抗很小，驱动能力非常大。输出阻抗很小，驱动能力非常大。2 2、电路符号、电路符号3 3、运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压V VO O与输入电压与输入电压V Vinin的关系为：的关系为：反向输入同向输入+VOfOinRV = -VRVinRf VOR 式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入

5、电阻 4 4、若输入端有、若输入端有n n个支路个支路, , 则输出电压则输出电压V VO O与输入电压与输入电压V Vi i的关的关系为：系为：V4 V3 V2 V1 R4 R3 R2 R1 i4 i3 i2 i1R0V0Vo = R0 ( +)V4 V3 V2 V1R4 R3 R2 R1二、由二、由T型电阻网络和运算放大器构成的型电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器转换器1、一个简单的、一个简单的D/A转换器转换器VREFD0 D1 D2 D3R 2R 4R 8RR0Vo则可得到则可得到Vo的输出表达式为：的输出表达式为：Vo= R0VREF ( D0 +D1 +D2+D3） R 20

6、21 22 23则根据则根据D3D0的的16种组合，可得到种组合，可得到16个个Vo的值，每个值依次递增的值，每个值依次递增1，可得到一，可得到一个阶梯波电压。（若基准电压个阶梯波电压。（若基准电压VREF0）则）则其中，其中， Vomin = 0； Vomax = (1 2 4) VR2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关S Si i控制，控制，S Si i=1=1表示表示S Si i合上，合上，S Si i=0=0表示表示S Si i断断开，则：开，则：n0irefii=11V = -SV

7、22 2、D/AD/A转换器的性能与技术指标转换器的性能与技术指标l分辨率（分辨率（Resolution）输入的二进制数每输入的二进制数每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位位例：一个满量程为例：一个满量程为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=0.04888V=48.88mVl转换精度（误差）转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差。实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶一般用最小量化阶来度

8、量，如来度量，如1/2 LSB1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR0.05% FSR(LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range)(LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range)l转换时间转换时间从开始转换到与满量程值相差从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时所对应的模拟量所需要的时间间tV1/2 LSBtCVFULL3 3、为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的、为控制电阻网络各支路电阻值的精

9、度，实际的D/AD/A转换器采用转换器采用R-R-2R2R梯形电阻网络梯形电阻网络( (见下图见下图) )，它只用两种阻值的电阻，它只用两种阻值的电阻(R(R和和2R)2R)。k0k1k2k32R2R2R2R2RRRRVREFRVoDCBAD/A转换器的原理图（1）T型电阻网络Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络电阻网络基准电压基准电压电子开关电子开关D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S

10、3D3a2RVREF阻抗阻抗2R运算放大器运算放大器虚地虚地D/A转换器的原理图（3）VaVREFVbVREF/2VcVREF/4VdVREF/8I0Vd/2RVREF/（82R）I1Vd/2RVREF/（42R）I2Vd/2RVREF/（22R）I3Vd/2RVREF/（12R）D/A转换器的原理图（4）Iout1I0I1I2I3VREF/2R（1/81/41/21）RfbRVoutIout1RfbVREF（20212223）/24Vout（D/2n）VREF输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期锯齿波周期8.2 .2 8

11、.2 .2 数数/ /模转换器件和有关电路模转换器件和有关电路一、不带数据输入寄存器的一、不带数据输入寄存器的D/AD/A芯片的使用芯片的使用 要求在要求在D/AD/A转换器的前面增加一个数据锁存器，再与总线相连。转换器的前面增加一个数据锁存器，再与总线相连。 当待转换的数据量加到输入端时，在输出端也随之建立相应的电当待转换的数据量加到输入端时，在输出端也随之建立相应的电流或者电压，对于没有数据输入寄存器的流或者电压，对于没有数据输入寄存器的D/A转换器来说，随着输入转换器来说，随着输入数据的变化，输出电流或者输出电压也随着变化；同理当输入数据消数据的变化，输出电流或者输出电压也随着变化；同理

12、当输入数据消失时，输出电流或输出电压也消失，而在实际的控制系统中，为了便失时，输出电流或输出电压也消失，而在实际的控制系统中，为了便于控制一个对象，往往要求转换以后的电流量或电压量能保持一段时于控制一个对象，往往要求转换以后的电流量或电压量能保持一段时间，所以在间，所以在D/A前加一个数据锁存器，再与总线相连。前加一个数据锁存器，再与总线相连。数据总线D70 D/AVREFVo74LS273CLKM/IOWR地址译码二、带有数据输入寄存器的二、带有数据输入寄存器的D/A芯片的使用芯片的使用 以以DAC0832为例来具体介绍。为例来具体介绍。1、DAC0832的功能示意图的功能示意图DAC083

13、2的数字接口l组成：T型电阻网络电子开关注意：不包含运放l8位数字输入端DI0DI7（DI0为最低位）l输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*lDAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*DAC0832DAC0832的工作方式：的工作方式：l单缓冲方式单缓冲方式使输入锁存器或使输入锁存器或DACDAC寄存器二者之一处于直通寄存器二者之一处于直通。CPUCPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。只需一次写入即开始转换。控制比较简单。l双缓冲方式（标准方式）双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤：转换要有两个步骤：l将数据写入输入寄存器将数据写入输入寄存器 CS#=0

14、CS#=0、WR1#=0WR1#=0、ILE=1ILE=1l将输入寄存器的内容写入将输入寄存器的内容写入DACDAC寄存器寄存器 WR2#=0WR2#=0、XFER#=0 XFER#=0 优点：数据接收与优点：数据接收与D/AD/A转换可异步进行；转换可异步进行； 可实现多个可实现多个DACDAC同步转换输出同步转换输出分时写入分时写入、同步转换同步转换l直通方式直通方式使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。不能直接与数据总线连接，需外加并行接口不能直接与数据总线连接，需外加并行接口( (如如74LS37374L

15、S373、82558255等等) )。直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE1，直通（输出等于输入）LE0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式lLE1LE21l输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：单缓冲方式lLE11，或者LE21l两个寄存器之一始终处于直通状态l另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入输入

16、寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式l两个寄存器都处于受控（缓冲）状态l能够在对一个数据进行D/A转换的同时，输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的模拟输出lIout1、Iout2电流输出端lRfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）lVREF参考电压输入端10V10VlAGND模拟信号地lVCC电源电压输入端5V15VlDGND数字信号地单极性电压输出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_A

17、GNDADIVREF单极性电压输出：例子设 VREF5VlDFFH255时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98VlD00H时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0VlD01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I2011OUT232OUT2REF1RVIRVRVI双极性电压输出：公式取 R2R32R1得 Vout2（2Vout1VREF）因 Vout1（D/28）

18、VREF故 Vout2（D27）/27）VREF双极性电压输出：例子设 VREF5VlDFFH255时，最大输出电压：Vmax（255128）/1285V4.96VlD00H时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5VlD81H129时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREFNoImage下面举例说明如何编写D/A转换程序。 NoImage 8.3 8.3 模模/ /数（数（A/DA/D）转换器）转换器8. 3. 1 A/D8. 3. 1 A/D转换所涉及的参数转换所涉及的参数 A/DA/D转换是指通过一定的电路将模拟量转变

19、为数字量。转换是指通过一定的电路将模拟量转变为数字量。1 1、转换精度、转换精度 由于模拟量是连续的，而数字量是离散的，所以一般是某个范围的模由于模拟量是连续的，而数字量是离散的，所以一般是某个范围的模拟量对应于某一个数字量。转换精度反映了拟量对应于某一个数字量。转换精度反映了A/DA/D转换器的实际输出接近转换器的实际输出接近理想输出的精确程度，常用数字量的最低有效位理想输出的精确程度，常用数字量的最低有效位LSBLSB来表示，设数字量来表示，设数字量的最低有效位对应于模拟量的最低有效位对应于模拟量，我们称，我们称为数字量的最低有效位的当量。为数字量的最低有效位的当量。则若模拟量在则若模拟量

20、在/2/2范围内都产生相对应得唯一的数字量，则这个范围内都产生相对应得唯一的数字量，则这个A/D A/D 转换器的精度为转换器的精度为 0LSB0LSB。 2 2、转换率、转换率 用完成一次用完成一次A/DA/D转换所需要的时间的倒数来表示，转换率表示了转换所需要的时间的倒数来表示，转换率表示了A/DA/D转转换的速度。换的速度。3 3、分辨率、分辨率 表明了能够分辨最小的量化信号的能力，通常用位数来表示。表明了能够分辨最小的量化信号的能力，通常用位数来表示。8.3.2 A/D8.3.2 A/D转换的方法和原理转换的方法和原理 方法有：计数法、双积分法、逐次逼近法方法有：计数法、双积分法、逐次

21、逼近法1 1、计数式、计数式A/DA/D转换转换 原理图如下：原理图如下：2、双积分式、双积分式A/D转转换换 常用于数字式电表常用于数字式电表 原理图如下：原理图如下：3 3、逐次逼近式、逐次逼近式A/DA/D转换（二分法、对半搜索法）转换（二分法、对半搜索法） A/DA/D转换集成电路芯片通常都采用这种方式。转换集成电路芯片通常都采用这种方式。 电路图为：电路图为：4 4、用软件和、用软件和D/AD/A转换器来实现转换器来实现A/DA/D转换转换 电路图为：电路图为：程序段为： START：XOR AX ， AX ；AX=0 MOV BL ， 80H ；初值为10000000 MOV CX

22、 ， 08H ；计数8次 AGAIN：ADD AL ， BL ；试探值送AL MOV BH ， AL ；保留试探值 OUT PORT ， AL ；输出到D/A IN AL ， PORT ；比较后，读状态值 AND AL ， 01H ；取D0位 JZ END1 ；D0为0，转向END1 MOV AL ， BL D0为1，表示VOVX， NOT AL 则相应位清0 AND AL ， BH MOV BH ， AL END1： ROR BL ， 1 ；D0为0，试探值循环右移 MOV AL ， BH 得到下一个试探位 LOOP AGAIN ADC芯片与主机的连接lADC芯片相当于“输入设备”，需要接口

23、电路提供数据缓冲器l主机需要控制转换的启动l主机还需要及时获知转换是否结束，并进行数据输入等处理l与主机的连接可分成两种方式q直接相连：用于输出带有三态锁存器的ADC芯片q通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片转换结束信号的处理v不同的处理方式对应程序设计方法不同 查询方式把结束信号作为状态信号 中断方式把结束信号作为中断请求信号 延时方式不使用转换结束信号 DMA方式把结束信号作为DMA请求信号典型的典型的A/DA/D转换器简介转换器简介nADC0809ADC0809n8 8通道（通道（8 8路）输入路）输入n8 8位字长位字长 n逐位逼近型逐位

24、逼近型n转换时间转换时间100s 100s n内置三态输出缓冲器内置三态输出缓冲器START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开关关逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态三态输出输出锁存锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1D7D7D0D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0IN0IN7IN7：8 8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC：通道地址

25、（通道选择）：通道地址（通道选择）ALEALE：通道地址锁存：通道地址锁存STARTSTART：启动转换：启动转换EOCEOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请：转换结束，可用于查询或作为中断申请OEOE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）CLKCLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz10KHz1.2MHz1.2MHz）V VREFREF(+)(+)、V VREFREF(-)(-)：基准参考电压：基准参考电压ADC芯片的应用l例1 编程启动、转换结束中断处理l例2 编程启动、转换结束查询处理例1：中断方式D0D7220hIRQ2A0A9译码译码VccD0D7EOCADDA

26、ADDBADDCALE模拟输入模拟输入（05V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-) IOR IOW;数据段数据段adtemp db 0;给定一个临时变量给定一个临时变量;代码段代码段;设置中断向量等工作设置中断向量等工作sti;开中断开中断mov dx,220hout dx,al;启动启动A/D转换转换;其他工作其他工作例1 主程序 例1：中断服务程序（1）adint procsti;开中断开中断push ax;保护寄存器保护寄存器push dxpush dsmov ax,data ;设置数据段设置数据段DSmov ds,axmov dx,220

27、hin al,dx;读读A/D转换的数字量转换的数字量mov adtemp,al ;送入缓冲区送入缓冲区mov al,20h;发送发送EOI命令命令out 20h,alpop ds;恢复寄存器恢复寄存器pop dxpop axiret;中断返回中断返回adintendp例1：中断服务程序（2）例2：查询方式8通道通道模拟输入模拟输入（05V）VccD7A3A9D0D7D0D7OEEOCA0A1A2ADDAADDBADDC 译码译码500KHzCLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE+5VIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7220h227h238h23fh IOR

28、 IOW例2：启动转换;数据段数据段counter equ 8bufdb counter dup(0);数据缓冲区数据缓冲区;代码段代码段mov bx,offset bufmov cx,countermov dx,220h ;从从IN0开始转换开始转换start1: out dx,al;启动启动A/D转换转换push dx例2：查询读取mov dx,238h ;查询是否转换结束查询是否转换结束start2: in al,dx;读入状态信息读入状态信息test al,80h;D71，转换结束否，转换结束否?jz start2;没有结束，继续查询没有结束，继续查询pop dx;转换结束转换结束in

29、 al,dx;读取数据读取数据mov bx,al;存入缓冲区存入缓冲区inc bxinc dxloop start1;转向下一个模拟通道转向下一个模拟通道D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译译码码器器ADC0809n一个连接实例一个连接实例程序如下：程序如下：n用延时等待的方法用延时等待的方法MOVMOV DX, start_port DX, start_portOUTOUT DX, AL DX, AL; ;启动转换启动转换CALLCALL DELAY_1MS DELAY_1MS; ;延时延时1ms1msMOVMOV DX, oe_port DX, oe_portININ AL, DX AL, DX; ;读入结果读入结果n用查询用查询EOCEOC状态的方法状态的方法MOVMOVDX, start_portDX, start_portOUTOUTDX, ALDX, AL; ;启动转换启动转换LL: MOVLL: MOVDX, eoc_portDX, eoc_portININAL, DXAL, DX; ;读入读入EOCEOC状态状态ANDAN