B11第8章数模转换

第8章模/数和数/模转换8.1概述8.2

数/模（D/A）转换器8.3

模/数（A/D）转换器模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量18.1概述

数字量数字量模拟量微型计算机系统多路开关放大器放大器物理量1物理量2物理量n放大器传感器传感器传感器A/D转换器采样保持器受控对象控制信号模拟量D/A转换器放大驱动电路…2传感器测量物理量并转换成电信号（模拟电压或电流）放大器传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围多路开关多个现场信号分时连接到A/D转换器采样保持器周期性采样连续信号，并在A/D转换时保持不变放大驱动电路采用功率放大器，驱动受控设备38.2

数/模（D/A）转换器1.D/A转换的基本原理2．D/A转换器的指标3.D/A转换器DAC083241.D/A转换的基本原理数字量→按权相加→模拟量＝1×23＋1×22＋0×21＋1×201101B＝135DAC的核心部件一般需要外接解码网络电子转换开关运算放大器精密电压基准源DAC一般包含集成ADC芯片内部一般含有：解码网络电子转换开关缓冲寄存器不同的DAC的差别主要表现在：

采用不同的解码网络。6T型电阻解码网络D/A转换器RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络基准电压电子开关Iout1Iout27T型电阻解码网络D/A转换器RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF虚地运算放大器等效电阻为RIout1Iout28说明：支路电流Ii或者流入地或者流入虚地，其值恒定不变。当Ii流入虚地时，它成为IOUT1的一部分流经反馈电阻，形成输出电压的一部分。任一节点（a、b、c、d）向右看去的等效电阻均为R，且两个支路的电阻相等均为2R，即电流I每经一个节点即平均分流一次。9电路中总电流I及各节点的支路电流：I=VREF/RI3=I/2I2=I3/2=I/22I1=I2/2=I/23

I0=I1/2=I/24Iout1=I3+I2+I1+I0 =VREF/R×(1/2+1/22+1/23+1/24)

Rfb=R

Vout=-Iout1×Rfb =-VREF×[(23+22+21+20)/24]Vout=-(D/2n)×VREF102．D/A转换器的指标1）分辨率反映D/A转换的灵敏度，是指D/A转换器能够辨别的最小电压增量，通常用最低有效位对应的模拟量表示。例如，电压满量程是10V，8位D/A转换器分辨率为39.2mV。在工程中，直接以DAC能转换的二进制位数表示分辨率。如8、10、12、14、16位DAC。112）转换精度表示输出电压接近理想值的程度。绝对转换精度用数字量的最低有效位（LSB)的一半表示。

即：相对转换精度绝对转换精度相对于满量程输出的电压值表示。

即：

123）转换速率和建立时间转换速率是指模拟输出电压的变化速度。建立时间是指输入代码为全1时，输出模拟量达到满量程值的时所需时间。4）线性误差输出特性偏离理想转换特性的最大值。一般用折合的输入数字量表示。

例：线性误差小于。13建立时间示意图

14线性误差示意图

理想曲线线性误差实际曲线数字入模拟出153.D/A转换器DAC08321）DAC0832的引脚及内部结构2）DAC0832的工作方式3）DAC0832的电压输出电路4）DAC0832的应用161）DAC0832的引脚及内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI7～DI0D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER17DAC0832的内部结构说明DAC0832内部含有：二级锁存器

（8位输入寄存器、8位DAC寄存器）一个（R－2R）T型解码网络DAC0832为电流输出型芯片转换结果以一对差动电流IOUT1和IOUT2输出当外接运算放大器时才能得到模拟电压。DAC0832能直接与微机接口芯片内部具有二级锁存器数据输入电平与TTL电平相兼容18LE2LE1DAC0832输入寄存器DI7～DI0D/A转换器DAC寄存器Iout12）DAC0832的工作方式三种工作方式：两级锁存、一级锁存和无锁存。（1）两级锁存方式两个寄存器异步受控于系统对一个数据进行D/A转换的同时可输入另一个数据。19（2）一级锁存方式两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态亦可两个寄存器同步受控于系统。LE2LE1DAC0832输入寄存器DI7～DI0D/A转换器DAC寄存器Iout120（3）无锁存方式两个寄存器都是直通锁存器LE1＝1、LE2＝1直通（输出等于输入）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI7～DI0D/A转换器DAC寄存器Iout1213）DAC0832的电压输出电路（1）单极性输出电路Vout=-Iout1×Rfb=-(D/28)×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF22当VREF固定为某一极性时，输出模拟电压的极性是固定的。设

VREF=-5VD=FFH=255时，最大输出电压：

Vmax=(255/256)×5V=4.98VD=00H时，最小输出电压：

Vmin=(0/256)×5V=0VD=01H时，一个最低有效位（LSB）电压：

VLSB=(1/256)×5V=0.02V23（2）双极性输出电路R1（R）R3(2R)R2(2R)RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1+I2=024输出模拟电压与输入数字量D的关系:R2=R3=2R1得Vout2=-(2Vout1+VREF)因Vout1=-(D/28)×VREF故

Vout2=(D-27)/27×VREF25Vout2=(D-27)/27×VREFVREF固定在某一极性，输出信号有正或负两种可能。当D>=128（80H）时，Vout2与VREF同极性当D<128时，Vout2与VREF反极性DAC0832接成双极性电压输出形式后，输入8位数字位的最高位实际为符号位当VREF为正时，D7=1表示正，D7=0表示负当VREF为负时，D7=0表示正，D7=1表示负。26双极性输入输出的对应关系

输入数字量D VREF=+5VVREF=-5V００００００００ －5V＋5V ０００００００１

－4.96V＋4.96V

…０１１１１１１１

－0.04V＋0.04V １０００００００0V0V １００００００１

＋0.04V－0.04V

…

１１１１１１１０ ＋4.92V－4.92V １１１１１１１１ ＋4.96V－4.96V 274）DAC0832的使用例：如图，DAC0832工作于单缓冲方式，双极性电压输出。要求：(1)编写程序，实现从Vout2输出锯齿波；(2)编写程序，实现从Vout2输出正弦波；(3)阅读程序段，判断从Vout2输出的波形。2829(1)输出锯齿波CODESEGMENT ASSUMECS：CODESTART：MOVCL，0 MOVDX，290HLLL： MOVAL，CL OUTDX，AL INCCL MOVAH，1 INT16H JELLL MOVAH，4CH INT21HCODEENDS ENDSTART输入数字量NVREF=5V时VO理想值 ００００００００–5V ０００００００１

–4.96V

…０１１１１１１１

–0.04V １０００００００

0V １００００００１+0.04V

…

１１１１１１１０+4.92V １１１１１１１１

+4.96V 30(2)输出正弦波DATASEGMENTSINDB80H,96H,0AEH,0C5H,0D8H,0E9H,0F5H,0FDHDB0FFH,0FDH,0F5H,0E9H,0D8H,0C5H,0AEH,96HDB80H,66H,4EH,38H,25H,15H,09H,04HDB00H,04H,09H,15H,25H,38H,4EH,66HDATAENDS CODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART：MOVAX，DATAMOVDS，AXLL：MOVSI，OFFSETSINMOVBH，3231LLL：MOVAL，[SI]MOVDX，290HOUTDX，ALMOVAH，1INT16HJNEEXITMOVCX，30DELAY：LOOPDELAYINCSIDECBHJNZLLLJMPLLEXIT：MOVAH，4CHINT21HCODEENDSENDSTART32(3)阅读程序段，判断输出波形。MOVDX，290HMOVAL，0FFHLOOP1：INCALOUTDX，ALCALLDELAYCMPAL，0FFHJNELOOP1LOOP2：DECALOUTDX，ALCALLDELAYCMPAL，0JNELOOP2JMPLOOP1DELAYPROCMOVCX，20HLOOP3：LOOPLOOP3RETDELAYENDP338.3

模/数（A/D）转换器1．A/D转换的基本原理2．A/D转换器的指标3．A/D转换器ADC0809341.A/D转换的基本原理A/D转换的全过程采样保持量化编码由采样保持电路完成由A/D转换电路同时完成采样：将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。保持：将采样得到的模拟量值保持下来使之等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值。35采样器输入输出波形36量化：用基本的量化电平q的个数表示采样——保持电路得到的模拟电压值。2q3q1q4q4q量化方法：四舍五入或只舍不入由量化产生的误差称为量化误差，它是原理性误差4q3q2q1q37编码：把已量化的模拟数值用二进制编码、BCD码或其他编码表示。例如：用二进制编码表示2q3q1q4q010011001100

若将一个模拟电压用二进制表示，需要一套标准电压，各电压之间存在二进制关系，最小值为量化电平。38A/D转换器将模拟电压信号进行量化、编码，转换为N位二进制数字量信号。常用的A/D转换技术计数器式双积分式逐次逼近式用软件和D/A转换器实现单片集成ADC通常是逐次逼近式ADC。39逐次逼近式A/D转换器基本原理从最高位开始逐位试探40收到启动信号，逐次逼近寄存器清0，使输出电压V0为0，启动信号结束后开始转换。8位A/D转换器转换过程逐次逼近寄存器D7置1，10000000产生模拟电压V0VINV0，D7=1保留下来VINV0，D7=0逐次逼近寄存器D6置1，x1000000产生模拟电压V0VINV0，D6=1保留下来VINV0，D6=041……逐次逼近寄存器D0置1，xxxxxxx1产生模拟电压V0VINV0，D0=1保留下来VINV0，D0=0经过8次比较后，逐次逼近寄存器中得到的值就是转换后的数字量。当转换结束后，控制电路送出一个结束信号控制将逐次逼近寄存器中的数字量送入输出缓冲寄存器，得到数字量输出。42①D7置1②D7清0/置1，D6置1③D6清0/置1，D5置1④D5清0/置1，D4置1⑤D4清0/置1，D3置1⑥D3清0/置1，D2置1⑦D2清0/置1，D1置1⑧D1清0/置1，D0置1⑨D0清0/置1N位A/D转换器完成一次数据转换需要进行N次比较，一般需要N+1个CLK周期。432.A/D转换器的指标1）分辨率ADC的分辨率是指它能够分辨最小的量化信号的能力，一般用位数来表示。例如，电压满量程是5V，8位A/D转换器分辨率为19.6mV。442）转换精度反映实际输出接近理想输出的精确程度。通常用数字量的最低有效位（LSB）来表示。数字量的最低有效位的当量Δ：LSB对应的模拟量。模拟量在范围内对应产生一个数字量，

则精度为：模拟量在范围内对应产生一个数字量，则精度为：3）转换率1秒时间内能完成转换的次数。453．A/D转换器ADC08091）ADC0809的引脚及内部结构2）ADC0809与主机的连接及使用3）ADC0809应用举例461）ADC0809的引脚及内部结构ADC0809地址锁存和译码OE通道选择开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三态锁存缓冲器DACVcc比较器CLKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC47（1）ADC0809的引脚IN0～IN7：8路模拟量输入线

模拟电压输入范围为0～5V。ADDA～ADDC：3根地址输入线ALE：地址锁存允许信号

上升沿锁存。START：启动转换信号

上升沿复位SAR，下降沿启动控制逻辑，开始A/D转换工作。EOC：转换结束信号

在START信号上升沿之后的0～8个时钟周期内，EOC信号由高变低，以指示转换工作正在进行中，当转换完成，EOC再变为高电平。48OE：输出允许，高电平有效

当该信号有效时，打开芯片的三态门使转换结果送至数据总线。D0～D7：8位数字量输出线CLK：外部时钟输入线

要求时钟频率不能高于640KHZ。VREF（+）、VREF（-）：基准电压输入线

提供模拟信号的基准电压，一般单极性输入时，VREF（+）接+5V，VREF（-）接地。49（2）内部结构ADC0809的内部由三部分组成：8路模拟量输入选择与地址锁存电路8位三态输出锁存缓冲器典型8位逐次逼近ADC8路模拟量输入选择与地址锁存电路实现地址信号ADDA～ADDC的输入、锁存及译码，选中一路模拟量信号送逐次逼近ADC。508位三态输出锁存缓冲器完成对转换数字量的锁存与缓冲。在A/D转换结束，控制逻辑把逐次逼近寄存器中的8位二进制数打入锁存缓冲器，同时发出转换结束信号EOC。8位逐次逼近ADC由比较器、256R电阻网络、树型开关、逐次逼近寄存器和控制与时序电路组成。该部分完成对某一路模拟量的8次比较，在逐次逼近寄存器中获得与被转换的模拟量相对应的8位二进制数。256R电阻网络和树型开关组成片内D/A转换器。51（3）ADC0809的转换时序D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)转换启动信号转换结束信号52（4）ADC0809的转换公式输出数字量输入模拟电压53单极性转换示例基准电压VREF(+)=5V，VREF(－)=0V输入模拟电压Vin=1.5V N=(1.5-0)/(5-0)×256 =76.8≈77=4DH54双极性转换示例

基准电压VREF(+)=+5V，VREF(－)=-5V

输入模拟电压Vin=-1.5VN=(-1.5+5)/(5+5)×256=89.6≈90=5AH552）ADC0809与主机的连接及使用D0～D7200h～207hIRQ2A3～A9译码VccD0～D7EOCADDAADDBADDC模拟输入（0～5V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN3OESTARTGNDVREF(-)

IOR

IOWALED0/A0D1/A1D2/A256（1）产生ALE和START有效信号ADC0809的ADDC、ADDB、ADDA连至系统数据总线的低三位D2～D0时，CPU执行下列程序段：MOVDX，200HMOVAL，03HOUTDX，ALADC0809的ADDC、ADDB、ADDA连至系统地址总线的低三位A2～A0时，CPU执行下列程序段：MOVDX，203HMOVAL，03HOUTDX，AL57（2）CPU读取ADC0809的转换结果通过识别EOC信号，读ADC0809端口获得转换结果。若DX中存放了ADC0809的端口地址（如200H），CPU执行指令：INAL，DX数据传送方式中断方式程序查询方式定时方式58①中断方式将EOC接至8259A，即将EOC作为CPU的中断请求信号，上升沿触发，以中断方式请求CPU读取转换结果。数据段

adtempdb0 ；给定一个临时变量代码段；设置中断向量等工作

sti

；开中断

movdx,200h outdx,al

；启动A/D转换

…… ；其他工作59Adintproc

sti

pushax pushdx pushds

movax,data

mov

ds,ax

movdx,200h inal,dx

mov

adtemp,al

moval,20h out20h,al popds

popdx popax

iret

Adint

endp60②程序查询方式将EOC通过三态门接至系统的一根数据总线上如D0。CPU查询D0位是否为低电平，若为低电平，再查询D0位是否为高电平，若是则表明转换结束，CPU再执行读ADC0809端口的指令即可。61VccD7A3～A9D0～D7D0～D7OEEOCA0A1A2ADDAADDBADDC

译码500KHzCLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE+5VIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7220h～227h238h～23fhIORIOW62数据段adtempdb0 代码段

movax,data

mov

ds,ax

movdx,220hstart1: outdx,al

pushdx

movdx,238hstart2: inal,dx

testal,80h

jnzstart2 start3:inal,dx

testal,80h

jzstart3 popdx

inal,dx

mov

adtemp,al63③定时方式已知完成一次A/D转换所需的时间，可用定时器定时大于或等于该转换时间，等待定时时间一到即读取转换结果，或定时申请中断读取转换结果。也可在启动ADC0809后，用软件延时一个固定时间，然后读取转换结果。这种方式不用考虑转换结束信号EOC。64（3）ADC0809通过8255A与主机的连接653）ADC0809应用举例例1：参图，编程采样ADC0809的八路模拟量并将采样到的数据存放到数据段3000H开始的单元中。66

MOVBX，