微型计算机接口技术：第十章AD和DA转换

1、1第十章 A/D和D/A转换2模/数和数/模转换技术主要用于计算机控制和测量仪表以及图象、语音处理领域的应用中.模拟量：连续变化的物理量，温度、速度、流量和压力等.计算机处理这些物理量时，一般先用利用光电元件、压敏元件、热敏元件等把它们转换成模拟电流或模拟电压，然后再将模拟电流和模拟电压转换成数字量即A/D对于控制过程，计算机还应该发出信号到控制目标，计算机使用的是数字量，需要将数字量转换成模拟电流或模拟电压即D/A,才能实现CPU与被控对象之间的信息交换。10.1 概述310.1 概述图10.1 一个包含A/D和D/A转换环节的实时控制系统闭环实时控制系统410.2 数/模（D/A）转换器1

2、0.2.1 D/A转换的原理为了把一个数字量变成模拟量，必须把每一位上的代码按照位权来转换为对应的模拟量，再把各模拟量相加，这样的得到总的模拟量便对应于给定的数据。在集成电路中，常用T型网络实现数字量往模拟电流的转换，再用运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。把一个数字量转换为模拟电压，实际需要两个环节：数字量转换为模拟电流，D/A转换器完成；将模拟电流转换为模拟电压，由运算放大器完成。D/A转换器的功能：将输入的数字量转换为模拟量。510.2 数/模（D/A）转换器10.2.1 D/A转换的原理1、运算放大器的工作特点和原理运算放大器的特点：开环放大倍数非常高，一般为几千，可高达十万，所以

3、，正常情况下，运算放大器所需的输入电压非常小。输入阻抗非常大，所以输入电流极小。输出阻抗很小，所以驱动能力大。运算放大器有两个输入端，一个和输出端同相，用“+”表示，另一个和输出端反相，用“-”表示。610.2 数/模（D/A）转换器虚地：如图a，同相端接地时，反相端作为输入端，由于输入电压Vi十分小，即输入点的电位和地的电位差不多，所以可认为输入端和地短路；另一方面输入电流也非常小近似为0，故这种把输入电压近似为0输入电流也近似为0的特殊情况称为虚地。710.2.1 D/A转换的原理Ii=Vi/Ri，输入端的电阻Ri，输出端和输入端有一个反馈电阻R0由于运放输入阻抗极大，流入运放的电流几乎为

4、0，可认为输入电流Ii全部流过R0 V0=-R0*Ii=-R0 *Vi/Ri运放放大倍数为V0/Vi=-R0/Ri810.2.1 D/A转换的原理对于输入端具有4个支路的运放来说，它的输出电压 V0= -（I1+I2+I3+I4）*R0 依此类推，N个支路得运放，输出电压为n个支路电流的和与反馈电阻的乘积。910.2.1 D/A转换的原理2、由并联电阻和运算放大器构成的 D/A转换器VREF是一个有足够精度的标准电源，开关闭合对应为位1，开关从全部断开到全部闭合（0000-1111）可达到阶梯波电压（b)图10.3 (a)最简单的D/A转换器； (b) 阶梯波电压图10.3电阻的阻值为R，2R

5、，4R权电阻，电阻的误差要求又比较高，工艺上实现起来很困难，所以不实用。1010.2.1 D/A转换的原理3、T型电阻网络图10.4 采用T型电阻网络的D/A转换器11当D3D2D1D0=1111时当D3D2D1D0=0000时由此可见，输出电压与输入的二进制数有关，从而可将数字量转换成相应的模拟量。121310.2.2 D/A转换的指标性能指标：分辨率：反映了D/A转换器的灵敏度，即能够辨别的最小电压增量，常用最低有效位对应的模拟量表示，如满量程VFS，则n位D/A转换器分辨率=VFS/（ 2n -1），也有用位数来表示分辨率,如，8，10，12，16位等，位数越多，分辨率越好。转换精度：又

6、分为绝对转换精度和相对转换精度。绝对转换精度表示输出电压接近理想值的程度。转换速率和建立时间：转换率是指模拟输出电压的变换速度，单位为V/s。建立时间是指从输入数字量开始到D/A转换完成的时间。建立时间越长，转换速率越低线性误差：把偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。实际上输出特性不是理想线性。1410.2.3 D/A转换器DAC0832的工作方式和应用1、DAC0832的功能结构 DAC0832内部有一个T型电阻网络，需要外接运算放大器，才能得到模拟电压输出。1510.2.3 D/A转换器DAC0832的工作方式和应用DAC0832内部采用两级锁存器 ：在输出模拟信号的同时可采集下一个数字

7、，有效地提高转换速度；在多个D/A转换器并行工作时，可利用第二级锁存器的锁定信号来实现多个转换器的同时输出1610.2.3 D/A转换器DAC0832的工作方式和应用2、DAC0832的工作方式 由于DAC0832具有两级缓冲寄存器，所以可有三种工作方式:直通方式:两个寄存器的所有五个控制信号(ILE=1,CS=0,WR1=0,WR2=0,XFER=0)常有效，两个寄存器均处于输入直通方式。此方式不能与CPU D-BUS直接相连.单缓冲方式有三种情况:输入寄存器处于直通方式(CS、WR1、ILE常有效)，DAC寄存器受控。DAC寄存器处于通方式(XFER、WR2常有效)，输入寄存器受控。两个寄

8、存器同步受控。数据同时进入两寄存器。双缓冲方式:两个寄存器均受控，数据分时进入输入寄存 器和DAC寄存器。(需要发两个命令,第一个使数据进入输入R,第二个使数据进入DAC R.)173、DAC0832的信号（反馈电阻被制做在芯片内，用作外接运算放大器的反馈电阻，为D/A转换器提供电压输出。）18 4、DAC0832的使用 下图是DAC0832利用第一级锁存器作一级锁存外部连接图 图10.6 DAC0832的外部连接*单极性输出数模关系:Dsr为整数19DSR=80H VOUT=?DSR=00H VOUT=?DSR=FFH VOUT=?DSR=40H VOUT=?DSR=20H VOUT=?DS

9、R=10H VOUT=?DSR=01H VOUT=?2.56V0V0.64V1.28V5.1V0.32V0.02V举例: VREF= - 5.12V20DAC0832实现一次D/A转换的程序段，假设要转换的数据放在1000H单元MOVBX，1000HMOVAL，BX；数据送AL中MOVDX，PORTA；PORTA为DAC0832端口号OUTDX, AL 4、DAC0832的使用 21产生一个锯齿电压的程序段 MOVDX，PORTA；PORTA为D/A转换器 端口号MOVAL，0FFH；初值为0FFHROTATE：INCALOUTDX，AL；往D/A转换器输出数据JMPROTATE 4、DAC0

10、832的使用 0V5.1V若Vref= - 5.12v 用D/A作为信号发生器，即利用D/A转换器产生各种电压波形，如锯齿波,方波,梯形波,三角波,正弦波等.22利用延迟子程序来控制锯齿波周期。MOVDX，PORTA ；PORTA为D/A转换器端口号MOVAL，0FFH；初值ROTATE：INCALOUTDX，AL；往D/A转换器输出数据MOVCX，DATA；往CX中送延迟常数CALLDELAY；调用延迟子程序JMPROTATEDELAY：LOOPDELAYRET 4、DAC0832的使用 23 程序如下 MOV DX,02F7H MOV AL,00H LOOP :OUT DX,AL INC

11、AL JNZ LOOP DEC AL LOOP1: OUT DX,AL DEC AL JNZ LOOP1 JMP LOOP产生三角波24= -5.12V1. DAC0832的两个寄存器处于直通状态 IOUT1 IOUT2 8255APA7PA0.2000H此方式使内部的两个寄存器都处于直通状态。数据可以直接进入D/A转换器。此时，模拟输出始终跟随输入的变化。由于这种方式不能直接将0832与CPU的数据总线连接，需外接并行接口（如74LS373，8255等），故这种方式很少应用。25其控制程序MOV DX, 2000HMOV AL,80HOUT DX,AL26DAC0832的数据输入端与CPU数

12、据线直接相连2. DAC0832工作于双缓冲方式 IOUT1 IOUT2IOW2F7H2F8H27 其控制程序: MOV DX,02F7H MOV AL, 20H OUT DX,AL INC DX OUT DX, AL283. DAC0832工作于单缓冲方式，两个寄存器同步受控 IOUT1 IOUT2IOW2F7HDAC0832的数据输入端与CPU数据线直接相连上图的控制程序:MOV DX,02F7H MOV AL, 40H OUT DX,AL 29例1.一个8位的DAC,端口地址为280H, VREF=+5V, DELAY为20ms延时程序，输出信号送示波器显示。请编写产生锯齿波的程序。已知

13、下限0V，上限4V。解：1LSB= 上限电压0V对应的数据为 00H，下限电压4V对应的数据为 205=CDHV430BEGIN: MOV AL , 0FFH UP: INC AL MOV DX , 280H OUT DX , AL CALL DELAY CMP AL , 0CEH JNZ UP JMP BEGIN0V4V31START: MOV CX， 64HSTART1：MOV AL , 33H MOV DX , 320H OUT DX , AL CALL DELAY LOOP START1 MOV CX， 64H START2：MOV AL , 9AH OUT DX , AL CALL

14、DELAY LOOP START2 JMP START例：用DAC0832作信号发生器输出波形。若端口地址为320H, VREF=+5V, DELAY为20ms延时程序。是分析该程序的功能，并画出波形。32用DAC0832输出的波形为占空比1：2方波。解：1LSB=上限电压为 51 = 1V ，下限电压为 154 = 3V33H =519AH=1541V3V3310.3模/数转换器10.3.1 A/D转换涉及的参数1、分辨率：表明能够分辨最小信号的能力。可有两种表示方法：转换成数字量的位数（ 8、10、12、16位）；用满量程和位数合起来表示，则n位A/D转换器分辨率=VFS/（2n-1）。3

15、、转换精度： 由于模拟量是连续的，而数字量是离散的，一般是某个范围中的模拟量对应于某一个数字量，这有一个转换精度问题。 转换精度反映了A/D转换器的实际值接近理想值的精确程度，通常用数字量的最低有效位（LSB）来表示。设数字量的最低有效位对应于模拟量，这时我们称为数字量的最低有效位的当量(量化单位)。如果模拟量在 /2范围内都产生相对一个的唯一的数字量，那么这个A/D转换器的精度为0LSB2、转换率：用完成一次A/D转换所需要的时间的倒数来表示，转换率表明了A/D转换的速度。34例：8位ADC，量程05.12V12位ADC，量程010.24V量化单位3510.3.2 A/D转换的方法和原理实现

16、A/D转换的方法比较多，常见的有计数法、双积分法和逐次逼近法。1、计数式A/D转换3610.3.2 A/D转换的方法和原理具体工作过程: 首先启动信号S由高电平变为低电平，使计数器清0，当启动信号变为高电平时，计数器开始计数 D/A转换的输出电压Vo=0，Vi大于Vo，所以C输出为1，计数器计数,Vo不断上升，Vo大于Vi时，C为0，计数器停止计数。 C的负向跳变即A/D转换的结束信号，可用来通知其他电路，已完成A/D转换。特点:结构简单、价格低，A/D转换速度慢，特别是模拟电压比较大时，转换速度更慢。3710.3.2 A/D转换的方法和原理2、双积分式A/D转换 积分型ADC工作原理是将输入

17、电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值。双积分是一种常用的AD 转换技术,具有精度高,抗干扰能力强等优点 。但转换速度慢 。3810.3.2 A/D转换的方法和原理3、逐次逼近式A/D转换3910.3.2 A/D转换的方法和原理具体工作过程: 首先启动信号S由高电平变为低电平，使逐次逼近寄存器器清0，当启动信号变为高电平时，逐次逼近寄存器开始计数逐次逼近寄存器与普通计数器不同，它不是从低位往高位逐一进行计数和进位，而是从最高位开始、通过设置试探值来进行计数特点: A/D转换速度高404.00V10.5.2 逐次逼近式A/D转换器工作原理0 0 0 0 0 0 0 05.12V2.

18、56V 4.01V3.84V4.48V4.16V4.00V4.08V4.04V4.02V10 0 0 0 0 0 011 0 0 0 0 0 011 1 0 0 0 0 011 0 1 0 0 0 011 0 0 1 0 0 011 0 0 1 1 0 011 0 0 1 0 1 011 0 0 1 0 0 111 0 0 1 0 0 0状态线10101D7D6 D5D4 D3 D2 D1 D0转换命令4110.3.2 A/D转换的方法和原理4、用软件和D/A转换器来实现A/D转换4210.3.2 A/D转换的方法和原理逐次逼近过程的例子 4310.3.2 A/D转换的方法和原理逐次逼近过程的

19、程序段：START：XORAX，AX；累加器清零MOVBL，80H；初值为80HMOVCX，08H；计数初值为8AGAIN：ADDAL，BL；计算试探值MOVBH，AL；保留试探值OUTPORTA，AL；PORTA是锁存器的端口地址INAL，PORTS；PORTS是输入端口的地址，读取状态值ANDAL，01；只取状态位，而对其他位屏蔽JZEND1 ；如D0为0，说明试探值太小， 保存此位并转移MOVAL，BLNOTAL；求反ANDAL，BH；使这次的试探位为0MOVBH，AL；保存试探值END1： RORBL，1；右移，得到下一个试探值MOVAL，BHLOOPAGAIN；继续进行试探和测试；后

20、续程序段4410.3.3 A/D转换器和系统连接时要考虑的问题A/D转换芯片对外引脚都类似，通常涉及模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号、转换结束信号，A/D芯片和系统连接时，就要考虑这些信号的连接。输入模拟电压的连接：输入模拟电压可以使单端的，也可以是差动的 数据输出线和系统总线的连接：A/D转换芯片有两种输出方式： 具有可控的三态输出门，这时输出端可直接和数据总线相连，转换结束后，CPU执行一条输入指令，产生读信号，将数据读出。 内部有三态输出门，但不受外部控制，必须通过附加三态门电路实现A/D转换器和CPU之间的数据传输。 对于8位以上的A/D转换器和系统连接时，还要考虑A/D输出数

21、位与总线数位的对应关系4510.3.3 A/D转换器和系统连接时要考虑的问题启动信号的供给：A/D转换器的启动信号有两种形式：电平启动信号和脉冲启动信号电平启动信号整个转换过程都要保持有效脉冲启动信号可采用CPU执行输出指令时的片选信号和写信号。转换结束信号以及转换数据的读取A/D转换结束时，会输出结束信号通知CPU读取转换数据，CPU一般可采用4种方式程序查询方式中断方式CPU等待方式固定的延迟程序方式4610.3.3 A/D转换器和系统连接时要考虑的问题模拟电路和数字电路的接地问题单点接地47 ADC0809的功能结构 ADC0809是典型的8位逐次逼近式的A/D转换器，由D/A转换器、逐

22、次逼近式寄存器、比较器和其他附加部件组成，带有三态输出门，可接8个模拟输入通道。10.3.4 A/D转换器ADC0809以及用中断方式取转换结果48IN0IN7：8路模拟电压输入端 。 START：A/D转换启动信号, 常将此信号和ALE相连，从而选定某一路模拟信号输入的同时启动A/D转换A2A0：3位地址输入,用以选通8路模拟信号端口。ALE：3位地址输入的锁存控制信号,高电平 信号有效,上升沿锁存三位地址。CLK：输入时钟脉冲端，要求10KHz1.28MHz。EOC：A/D转换结束信号,它是一个上升沿跳变，可作为中断请求信号2、ADC0809的对外信号49D0D7：8位数据输出,三态输出锁

23、存,因此可与数据总线直接相连。OE ：允许数据输出信号,高电平有效, 若使OE为高电平则转换数据从D0D7输出。VREF+，VREF-：基准电压正、负端。一般正端接5V、负端接模拟地。VCC ：数字电源+5V。GND：数字电源地。508位逐次逼近式ADC。内有多路开关，因可接8路模拟电压输入，分时对8路模拟电压进行A/D转换。内部有三态的8位数据输出锁存器，因此其8位数据输出端D0 D7可与数据总线直接相连。Vref+接+5V(+5.12V)，Vref-接模拟地，可对IN0 IN7的0 +5V(+5.12V)的模拟电压进行A/D转换。此情况下的数模关系由下式给出 每位转换需要8个时钟周期，8位

24、共需64个时钟周期。若CLK=640KHz，转换时间为100 s。ADC0809的技术特点单极性：输入模拟量VSR基准电压VREF数字输出量DSC例如：VSR=1.5V，Vref +=5V，Vref -=0则 DSC=76.877H=4DH513、A/D0809在系统中的连接和中断方式设8路模拟端口地址为70H-77H，从IN2进入的模拟量的A/D转换过程：执行OUT 72h,al ;启动A/D转换转换结束后，EOC端输出上升沿，作为中断请求信号CPU响应中断，进入中断处理程序，其主要任务是 IN al，72h ;读取转换结果52选通模拟量输入通道(对有多路模拟输入的A/D)发启动转换信号判断

25、A/D转换结束。通常有下列三种方法： A/D转换的控制程序的构成：程序查询方式：A/D转换的结束信号接至微机系统的某个输入端，启动转换后，就不断查询结束信号的输入端，直至查到结束信号后，从A/D转换器读出结果。中断方式：将结束信号接至微机中断请求输入端，A/D转换结束向微机发中断求，微机在中断服务程序读取转换结果。软件延时方式：启动A/D转换后，执行延时程序等待A/D转换结束，延时时间长短由A/D转换器的转换时间耒决定，延时时间要略大于A/D转换的转换时间。5310.3.5 A/D转换器AD570以及用查询方式读取AD570内部带有三态输出门，但不是外部可控AD570的模拟输入电压可为单极性或双极性，当15脚接地为单极性输入，输入模拟电压变化范围010V， 当15脚悬空为双极性输入，输