数模和模数转换

第7章数/模和模/数转换1、概述2、D/A转换原理3、A/D转换原理4、常用D/A芯片5、常用A/D芯片概述在自动控制和测量系统中，被控制或被测量的对象，如温度、压力、流量、速度、电压等都是随时间连续变化且数值也连续可变的物理量。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。常以模拟电压或电流的形式输出，执行部件所要求的控制信号一般也都是模拟电压或电流。当计算机参与控制时，计算机要求的输入信号为“数字量”。把模拟量变换成数字量这一转换过程称为A/D转换。能将模拟量转换为数字量的器件称为模/数转换器（AnalogDigitalConverter），简称ADC。概述经计算机处理后的结果是数字量，不能用它去直接控制执行部件，需要先把它转换为模拟量，这个过程称为D/A转换。将数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器（DigitalAnalogConverter），简称DAC。D/A转换是A/D转换的逆过程。这两个互逆的转换过程通常会出现在一个控制系统中。概述模拟接口电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工业生产过程传感器放大滤波多路转换&采样保持A/D转换放大驱动D/A转换输出接口微型计算机执行机构输入接口物理量变换信号处理信号变换I/O接口输入通道输出通道D/A转换器原理D/A转换器是一种把数字量转换为模拟量的线性电子器件，它将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出，用于驱动外部执行机构。D/A转换常用的方法是加权电阻网和T型电阻网法。1、加权电阻网D/A转换：加权电阻网D/A转换就是用一个二进制数字的每一位代码产生一个与其相应权成正比的电压（或电流），然后就将这些电压（或电流）叠加起来，就可得到该二进制数所对应的模拟量电压（或电流）信号。D/A转换器原理2、T型电阻网D/A转换T型电阻网D/A转换的组成是（1）输入数据控制的开关组（2）R-2R电阻网络（3）由运算放大器构成的电流－电压转换电路这种转换方法与上述加权电阻网络法的主要区别在于电阻求和网络的形式不同，它采用分流原理来实现对相应数字位的转换。加权电阻网D/A转换将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。å=----=×+×++×+×=1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dDL加权电阻网D/A转换要把数字量转变为模拟量，必须先把每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟分量，然后将各模拟分量相加，所得到的总的模拟量便对应于给出的数字量。如：D/A转换器的基本原理运算放大器的特点：1、它的开环放大倍数很高，正常情况下所需的输入电压非常小；2、它的输入阻抗很高，输入端相当于将一个很小的电压加在一个很大的阻抗上，因此输入电流i极小；3、它的输出阻抗很小，所以驱动能力强；如下图所示，同相接地，反相端为输入端时，由于Vi很小，则输入点的电位近似于地电位，且输入电流也非常小，可以假定其为0，把这种特殊的情况称为虚地。ViVOD/A转换器的基本原理G点为运算放大器的虚地，输入电流：输出电压VO与输入电压Vi的关系为：式中：Ro为反馈电阻

Ri

为输入电阻ViRo

VOGRiIiViIi=RiViVo=-RO×RiD/A转换器的基本原理

若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vin的关系为：Vin式中：Ri

为第i支路的输入电阻Rf

VO∑R1Rn…权电阻解码网络D/A转换器OA为运算放大器；+为同向输入端，-端为反向输入端，两端间阻抗即输入阻抗很高，可认为是等电位即A点为虚地点-+OAVoutb3b2b1b0R8R4R2R四位DAC寄存器01010101S3S2S1S0AIout1Iout2VrefI0I1I2I3IRfRf权电阻解码网络D/A转换器设Vref=-10V四位DAC寄存器即b3~b0为1101I0=Vref/(8R);I2=Vref/(2R);I3=Vref/R即：Iout1=I0+I2+I3

=Vref×(1/8+1/2+1)/R =1.625Vref/R根据基尔霍夫定律，Irf=-Iout1若取Rf=R、则Vout=Irf*R =-1.625Vref =16.25(伏)要把一个数字量变为模拟量，实际上要经过两个环节：一是以电阻解码网络为核心的部分，它把数字量转换为模拟电流；二是以运算放大器为核心，再把模拟电流变为模拟电压。权电阻解码网络D/A转换器在权电阻解码网络中，如采用独立的权电阻，那么对于一个8位的D/A转换器，需要8个阻值相差很大的电阻（R，2R，4R，…，128R）。由于电路对这些电阻的误差要求较高，因此使制造工艺的难度也相应增加。在实际使用中，使用更多的是T形电阻解码网络。T形电阻解码网络D/A转换器根据基尔霍夫定律Irf=-Iout1-+OARRRRVrefVoutb3b2b1b02R2R2R2R四位DAC寄存器01010101S3S2S1S0IRfRfAIout1Iout2I0I1I2I3R图中：Vref＝－10V设b3~b0=1101Iout1=I3+I2+I0

若取Rf=R；则VoutD/A转换器的主要技术指标分辨率（Resolution）分辨率是指最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量所有有效位全为1）之比。该参数是DAC对微小输入量变化的敏感程度的描述。对于一个N位的D/A转换器，它的分辨率为1/(2N-1)。如8位的D/A转换器，其分辨率为1/255。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。建立时间是指当输入数字量从0变化到最大时，其模拟输出达到满刻度值±1/2LSB（最低有效位）精度时所需要的时间。tV1/2LSBtCVFULL转换精度某一数字量的理论输出值和经D/A转换器转换的实际输出值之差。一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2LSB，也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR(LSB-LeastSignificantBit,FSR-FullScaleRange)精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果发生影响的最小输入量。线性度指当数字量发生变化时，D/A转换器的输出量按比例关系变化的程度。理想的D/A转换器是线性的，但实际有误差。温度系数在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。用于说明转换器受温度变化影响的特性。A/D转换原理采样保持器采样保持器是A/D转换系统中的一个重要的部分，它能辅助A/D转换器更好地完成模/数转换的工作，特别是对工作频率较高的模拟信号进行转换，更是必须在A/D转换前加入采样保持器，使在A/D转换期间输入的模拟信号保持不变，以保证转换的精度。采样保持器电路工作状态1、采样状态：（S闭合）输出随输入信号的变化而变化。2、保持状态：（S打开）输出保持为采样到的某个模拟量值，以提供给后面的量化编码部件。采样保持电路由输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、保持电容和控制开关组成。在采样周期，控制开关S闭合，输入放大器的输出端给保持电容C快速充电到输入电压值。然后控制开关S断开，进入保持状态，此时，由于运算放大器的输入阻抗很高，保持电容对它泄放的漏电流极小，因此在保持期间，输出放大器的输出电压值可以维持不变，而A/D转换器则对采样保持器的输出进行量化和编码。采样保持器的主要参数①捕捉时间：当置于采样方式时，保持器跟踪模拟输入信号到满量程并稳定在误差范围内所花费的时间。②孔径时间：指控制开关从闭合到断开所花费的时间。③电压衰减率：在进入保持阶段后，由于控制开关及保持电容等各种泄漏通道造成的输出电压的下跌。A/D转换原理A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出A/D转换原理模拟信号（A）转换成数字信号（D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。时间离散→采样定理辐值离散→量化编码采样采样是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。①在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。②采样后保持原信号特征。采样定理：采样频率大于2倍输入信号频率的最大值。保持模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。取样保持电路及输出波形①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于τ，则有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样②采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持量化和编码为了产生量化编码，在设计（或选择）AD器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。如量化单位用△表示，量化过程为：把要转换的模拟量除△，得：①整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。②余数部分，即量化误差。误差处理：四舍五入——误差小。只舍不入——误差大。量化单位越小→转换位数越多→量化误差越小。例子例：被采样的电压值范围-5V~+5V，用8位二进制数表示则： -5V~+5V的电压范围将等分为256个等级 在此范围内的任一电压值都将被量化为一个8位二进制数 可把-5V~+5V比作0V~10V，并量化为256个等级即：00000000–11111111，10/256=0.039V为一个等级电压模拟量二进制量化值电压模拟量二进制量化值0V000000005V100000000.039V000000015.039V100000010.078V000000105.078V10000010……………………4.92V011111109.92V111111004.96V011111119.96V11111111A/D转换器及其基本原理A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。直接法是通过一套基准电压与采样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。间接法是将采样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。常见的A/D转换器A/D转换的方法较多，有计数式、逐次逼近式、双积分式以及并行式转换等。计数式最简单，但转换速度很低；并行转换速率最快，但需要的器件多，价格高；逐次逼近式A/D转换器的速度较高，比较简单，而且价格适中；双积分式A/D转换器精度高，抗干扰能力强，但速度低，一般用在要求精度高，但速度不高的场合。计数器式线性逼近原理:(n:DAC位数)1.

计数器清0。2.

计数增1,Vo与Vi比较。3.

若

Vo<Vi，则转2。4.转换结束，从计数器读取转换结果。特点：平均转换时间较长;Vi信号越高,转换时间越长。ViVo时间电压逼近波形图时钟复位数字输出比较器模拟输入计数器D/A转换器转换结束逐次逼近式A/D转换器电路内部由4个部分组成：逐次逼近寄存器、D/A转换器、电压比较器和控制逻辑电路。其主要原理为：从高位到低位逐位设定逐次逼近寄存器的值，再经D/A转换器产生相应的电压，然后送到比较器与输入电压进行比较，根据比较结果调整并确定逐次逼近寄存器的数值。输出缓冲寄存器控制逻辑电路逐次逼近寄存器8位

D/A转换器电压比较器CLK启动信号转换结束ViVoD7D6D5D4D3D2D1D0工作原理在进行逐次逼近转换前，先将逐次逼近寄存器的各位清0。转换时，寄存器先由最高位开始置1，这就相当于取最大允许电压的1/2与输入模拟电压比较，如果“低于”输入模拟电压，该位的“1”被保留；如果高于输入模拟电压，该位的1被清除。然后，次高位再置1，相当于在1/2的范围中再作对半的搜索，再比较，以决定该位的1是清除还是保留，直到最低位D0的值确定。逐次逼近法也常称为二分搜索法或对半搜索法。逐次逼近A/D转换器的特点1、转换时间固定，即n位的转换结果就需要做n次的转换测试。2、转换时间的长短取决于转换结果的数字量位数和时钟周期。3、转换精度主要取决于内置的D/A转换器和比较器的精度。一个实际逐次逼近型A/D转换器的工作原理①转换开始前先将逐次逼近寄存器清“0”；②开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，经偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比较器中与uI′进行比较。若uI′＜uo′，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，说明数字还不够大，应将这一位保留。③然后，按同样的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型转换例子例：若UREF＝-4V，n＝4。当采样保持电路输出电压uI′=2.49V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。解：量化单位为偏移电压为Δ/2＝0.125V转换的结果为：d3d2d1d0＝1010。双积分式A/D转换器电路由积分器、比较器、计数器和标准电源等部件组成。其基本原理为：电路先对未知的输入模拟电压Vi进行积分，其积分时间T是固定的，然后转为对基准电压进行反向积分，直至积分输出返回起始值。对基准电压积分的时间正比于模拟输入电压Vi，输入模拟电压越大，反向积分所需要的时间越长。用高频率标准时钟脉冲来测量反向积分所需的时间，即可得到输入模拟电压所对应的数字量。IREFIiViVREF积分器比较器－

＋

V/I时钟启动计数计数器数字输出转换结束Vc双积分式A/D转换器的工作原理转换过程分为采样和计数两个阶段。在采样阶段，控制逻辑使开关S接向模拟输入电流Ii端，Ii是电压/电流变换器的输出电流，它正比于Vi。此电流在固定时间T1内向积分电容C充电，积分电路的输出电压Vc逐渐升高，充电时间一到，则进入计数阶段，这时，控制逻辑把开关S接向基准电流IREF的输出端，计数器也开始对时钟脉冲计数。IREF是VREF经电压/电流变换后的输出，它的大小是固定的。由于设置VREF的极性与Vi的极性相反，故IREF是反向充电电流，即是积分电容的放电电流。当检零比较器检测出放电结束时，通知控制逻辑停止计数并发出“转换结束”信号。IREFIiViVREF积分器比较器－

＋

V/I时钟启动计数计数器数字输出转换结束Vc双积分式A/D转换器的工作原理在采样阶段，因为充电时间固定，所以模拟输入电压越高，充电电流越大，电容电压Vc也越高。在计数阶段，由于基准电源的放电电流是恒定的，所以Vc越高（电容上所积累的电荷越多），放电时间也越长，转换结束时，计数器的计数值反映了放电时间的长短，也反映了输入模拟电压的大小，它与模拟输入电压的幅值成正比。T2(随Vi高变化)(在T2期间插值计数n,n为转换的数字量)T1(固定)Vc固定斜率时间可变固定时间斜率可变tVi高时，积分线Vi低时，积分线VREF积分线双积分式A/D转换器的特点双积分式A/D转换器的实质是电压—时间变换，是测量输入电压在一定时间内的平均值，所以对常态干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。但是，二次积分过程使它的转换时间变长，故仅适用于信号变化较慢，转换精度要求较高的场合。并行式A/D转换器电路由比较器、分压电阻和优先编码器组成。采用直接比较法，把参考电压VREF经电阻分压器直接给出2N－1个量化电平。转换器需要2N－1个比较器，每个比较器的一端接某一级量化电平，被转换的输入电压同时送到各个比较器的另一端。2N－1个比较器同时比较，比较结果由编码器编成位数字码。编码电路VinVREF数字输出比较器RRRRRR3R/2R/2并行式A/D转换器图中8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器的参考电压，其数值分别为VREF/16、3VREF/16、…、13VREF/16。输入模拟电压Vi同时加到每个比较器上，与各比较电平相比较，它的大小决定了各比较器的输出状态，再经优先编码器编码，得到数字量输出。编码电路VinVREF数字输出比较器RRRRRR3R/2R/2三位并行式A/D转换器真值表1模拟输入电压数字输出比较器输出CCCCCCC1234567ddd210vI16,[)16)[16,16)[16,16)[16,16)[16,16)[16,16)[16,16)[,1033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V则数字量输出d2d1d0＝101。并行式A/D转换器的特点①优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。②缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个电阻，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。A/D通道的结构形式A/D通道结构形式与实际中输入模拟量的通道数、信号的变化速率、要求的采集速度等有关，通常有单通道和多通道两种结构形式。1、单通道结构当模拟信号为低频或直流信号时，可采用不带采样保持器的单通道结构；当模拟信号变化速率较高时，采用带采样保持器的单通道结构。2、多通道结构多通道结构又分为三种：1）每个通道都带有采样保持器的A/D转换器的并行多通道结构，各通道可同时进行转换，转换速率较快；2）各通道单独带采样保持器，但共享A/D转换器；3）共享采样保持器和A/D转换器的多通道形式；A/D转换器的主要技术指标分辨率分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的1/2n）。例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为

分辨率=转换精度是指某一数字量的理论输出值和经A/D转换器转换后的实际输出值之差。A/D转换器的精度通常是用数字量的最低有效位（LSB）所代表的模拟输入值VLSB来表示的。转换时间转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。

A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；②逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；③并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。转换误差

它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差≤。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV（对应于0～450℃温度范围），需分辨的温度为0.1℃，试问应选择几位的A/D转换器？其转换时间为多少？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需选用13位A/D转换器。转换时间=常用D/A芯片举例D/A转换芯片是由集成在单一芯片上的解码网络和根据需要而附加上的一些功能电路构成的。D/A转换器有多种类型。按DAC的性能分，有通用、高速和高精度等转换器；按内部结构分，有不包含数据寄存器的，也有包含8位D/A转换芯片0832的组成DAC0832为单片8位数/模转换器，可以直接与微机接口。片内有R-2R结构的T型电阻网络，用以对参考电压提供的两条回路分别产生两个电流信号IOUT1和IOUT2。DAC0832采用8位输入寄存器和8位DAC寄存器二次缓冲方式，这样可以在D/A输出的同时，送入下一个待转换的二进制数据，以便提高转换速度。每个输入数据为8位，可以直接与8位微机数据总线相连接，其逻辑电平与TTL电平相兼容。D/A转换器DAC0832DAC0832的引脚图1234567891020191817161514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7Iout2Iout1CSWR1AGNDD3D2D1D0VrefRfbDGNDDAC0832数字量输入线（8条）D0~D7：与CPU的数据总线相连输出线（3条）RFB

反馈电阻引出端，反馈电阻被制作在芯片内，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。该电阻与内部的R-2R电阻网络相匹配。Iout1、Iout2模拟电流输出。转换结果以一组差动电流（Iout1、Iout2）输出。Iout1+Iout2为一常数，Iout1、Iout2随DAC寄存器的内容线性变化。控制线（5条）

CS片选，低电平有效ILE：输入数据锁存允许信号，高电平有效，用来控制8位输入寄存器的数据是否能被锁存的控制信号之一。

XFER传送控制信号，低电平有效。从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信号。数/模转换器DAC0832WR1、WR2写命令输入

WR1：控制数字量输入到8位输入寄存器

当ILE=1、CS=0、WR1=0时，用它将输入的数字量锁存于输入寄存器中。

WR2：写8位DAC寄存器信号，低电平有效。

当WR2=0且XFER=0时，8位输入寄存器的数字被锁存进8位DAC寄存器，同时进入D/A转换器开始转换。数/模转换器DAC0832电源线与接地线（4条）Vcc

电源输入端。它可接+5V~+15VVref

参考电压输入端。电压范围为-10V~+10VDGND数字地,芯片数字电路接地点。AGND模拟地,芯片模拟电路接地点。DAC0832的引脚图1234567891020191817161514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7Iout2Iout1CSWR1AGNDD3D2D1D0VrefRfbDGNDDAC0832DAC0832的工作方式DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFERM3M1LE2LE18位输入锁存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VrefIout2Iout1RfbAGNDDGNDVcc1314151645671918171120101282139DAC0832内部结构M2DAC0832的工作方式DAC0832有两个内部寄存器，要转换的数据先送入输入锁存器，但不进行转换，只有在数据送到DAC寄存器时才能开始转换，因而称为双缓冲。ILE

、CS、WR1三个信号组合控制第一级缓冲器的锁存。当ILE=1、CS=0、WR1＝0，并且CPU执行OUT指令时，使得输入锁存器的使能端LE1为高电平，此时输入锁存器的输出随输入变化；当CPU写操作完毕时，CS=1、WR1＝1，使得LE1为低电平，此时数据锁存在输入锁存器中，实现第一级缓冲。同理，当WR2=0且XFER=0时，LE2为高电平，第一级缓冲器的数据送到DAC寄存器；当WR2

和XFER中任意一个变为高电平时，这个数据被锁存在DAC寄存器中，实现第二级缓冲，并输入到DAC中开始转换。DAC0832的工作方式双缓冲方式：即数据通过两个寄存器锁存后再送入D/A转换电路，执行两次写操作才能完成一次D/A转换。这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。单缓冲方式：两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换电路。这种方式下，只需执行一次写操作，即可完成D/A转换，可以提高DAC的数据吞吐量。直通方式：此时两个寄存器都处于开通状态，即ILE

、CS、WR1、

WR2

和XFER满足有效电平状态，数据直接送入D/A转换电路进行D/A转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中。双缓冲方式所谓双缓冲，就是把DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器都接成受控锁存方式，只有LE1/LE2为高时，数据才进入相应的寄存器。这种方式适用于多路DA同时进行转换的系统。因为各芯片的片选信号不同，由每片的片选信号CS与WR1分时地将数据输入到每片的输入锁存器中，每片的ILE固定接＋5V，XFER与WR2连在一起，作为公共控制信号。数据写入时，首先将待转换的数字信号写到8位输入锁存器，当XFER与WR2同时为低电平时，数据将在同一时刻由各个输入锁存器将数据传送到对应的DAC寄存器并锁存在各自的DAC寄存器中，使多个DAC0832芯片同时开始转换，实现多点控制。双缓冲方式CPU要对DAC芯片进行两步写操作；将数据写入输入寄存器；将输入寄存器的内容写入DAC寄存器。其连接方式是：把ILE固定为高电平，WR1、WR2均接到CPU的IOW，而CS和XFER分别接到两个端口的地址译码信号引脚。单缓冲方式如果应用系统中只有一路转换，或虽然是多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲方式。所谓单缓冲方式，就是使DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器有一个是处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。一般将WR2和XFER接地，使DAC寄存器处于直通状态，ILE接＋5V，WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址译码器输出，以便为输入锁存器确定地址。在这种方式下，数据只要一写入DAC芯片，就立即进行D/A转换，省去了一条输出指令。单缓冲方式例如，执行下面几条指令就能完成一次D/A转换。

MOVDX，210H；设DAC0832的地址为210HOUTDX，AL；AL中数据送DAC寄存器直通方式当ILE

接＋5V，CS、WR1、WR2

和XFER都接地时，DAC0832处于直通方式，输入端D0～D7一旦有数据输入就立即进行D/A转换。这种方式不使用缓冲寄存器，不能直接与系统总线相连，可通过8255A与之相连接。双缓冲方式假设两片D/A的输入锁存器地址为210H、211H，DAC寄存器的地址为212H，则完成一次D/A转换的参考程序段为：双缓冲方式MOVDX，210H；片1的输入锁存器地址

OUTDX，AL；AL中的数据送输入锁存器1INCDX；片2的输入锁存器地址

MOVAL，AH；片2的数据

OUTDX，AL；AL中的数据送输入锁存器2INCDX；DAC寄存器地址

OUTDX，AL；数据写入DAC寄存器并转换最后一条指令，表面上是把AL中的数据送DAC寄存器，实际并不真正进行，只起到同时打开两片D/A的DAC寄存器使输入锁存器中的数据通过的作用。DAC0832的输出DAC0832的模拟输出为电流形式，因此需要使用运算放大器将电流输出转换为电压输出。根据输入转换的数字量不同，电压输出又分为：1、单极性模拟电压输出2、双极性模拟电压输出单极性模拟电压输出在实际应用中，为了增强驱动能力，还需经运算放大器放大并变换为电压输出。对电流输出型DAC外加运算放大器就可实现电压输出。单极性模拟电压输出因为内部反馈电阻RFB等于T形电阻网络的R值，则电压输出为：

Vo＝–Iout1×RFB＝其中，D为用十进制表示的数字输入量。设VREF＝–5V，当D＝FFH＝255时

Vo＝–（255／256）×（–5V）＝4.98V这就是最大输出电压Vmax。若D=01H=1，则Vo＝–（1／256）×（–5V）＝0.02V这就是最低位LSB对应的输出电压。VREF＝–5V时，模拟输出电压的范围为0～5V。有些DAC芯片中已集成有运算放大器，它们属于电压输出型DAC。通常D／A转换器输出电压范围有0～十5V、0～十10V、0～±2.5V、0～±5V、0～±10V等几种。双极性模拟电压输出有时输入待转换的数字量有正有负，因而希望D/A转换输出也是双极性的，如–5V～+5V或–10V～+10V电压范围。有些控制系统中，要求控制电压应有极性变化，如对马达的控制，正转和反转对应正电压和负电压。要实现双极性输出，只要在此基础上再增加一级运放。双极性模拟电压输出如图所示，由VREF为第二级运放提供一个偏移电压。双极性模拟电压输出根据理想运算放大器的情况，运放A2的反相输入端虚地点有：I1＋I2＝0，即I1=－I2

。而如果选择R2＝R3＝2R1，则可以得到Vout2＝–（2Vout1+VREF）双极性模拟电压输出对Vout2＝–（2Vout1+VREF）当VREF＝5V时，数据00H时,Vout1＝0，对应Vout2＝－5V，数据80H时,Vout1＝－2.5V，对应Vout2＝0V，数据0FFH时,Vout1＝－5V，对应Vout2＝5V。所以Vout2将Vout1输出电压范围0～－5V转换成双极性电压范围－5V～＋5V。双极性模拟电压输出对DAC0832设VREF＝5V，当D＝0FFH＝255时是最大输出电压。若D＝0，则Vout2＝－5V。数字量D从00H～FFH变化时，对应的模拟输出电压Vout2的输出范围是－5V～＋5V。DAC0832单缓冲方式电路连接DAC0832双缓冲方式电路连接DAC0832与8088系统总线连接DAC0832应用举例输出锯齿波MOVDX,210H；送DAC0832端口地址MOVAL,00H；赋初值NEXT:OUTDX,AL；输出到端口INCAL；增量CALLDELAY;或NOP用来延时JMPNEXT；循环输出输出锯齿波通过AL加1，可得到正向的锯齿波；如要得到负向的锯齿波，则只要将程序中的INCAL改为DECAL即可。可以通过延时的办法来改变锯齿波的周期，若延时时间较短，可用NOP指令实现；若延时时间较长，则可用一个延时子程序。延时时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。DAC0832应用将从2000H开始的50个字节单元数据依次送到DAC0832输出，每个数据输出间隔时间为1MS，可调用DLMS延时1MS子程序。START:MOVSI,2000HMOVCX,50X1:MOVAL,[SI]INCSIOUT80H,ALCALLDLMSLOOPX1HLT思考题1、采用单缓冲方式，通过DAC0832输出产生三角波，三角波最高电压5V，最低电压0V。假设地址为04A0H分析1、硬件设计所要考虑的问题按题意采用单缓冲方式，即经一级输入寄存器锁存，假设第一级有锁存功能，第二级直通，那么第二级的控制端WR2

和XFER处于有效电平状态，使二级锁存寄存器一直处于打开状态，第二级寄存器具有锁存功能的条件是ILE

、CS、WR1都要满足有效电平时，第二级寄存器才开放，为减少控制线条数，使ILE一直处于高电平状态，控制WR1和CS端。分析2、软件设计要考虑的问题单缓冲方式下，输出数据的指令仅需一条输出指令即可。端经与译码电路的输出端相连，其地址数既是选中该0832芯片的片选信号，也是第一级寄存器打开的控制信号。另外由于CPU的控制信号与0832的写信号相连，当执行OUT指令时，CPU的写信号有效，与信号一起打开第一级寄存器，输入数据被锁存。输出0V电压的程序为：MOVAL,00HMOVDX,04A0HOUTDX,AL分析按题意产生三角波电压范围0~5V，那么所对应输出数据00H～FFH。所以三角波上升部分从00H加1，直到FFH。三角波下降部分从FFH减1，直到数据将为00H。MOVAL,00HMOVDX,04A0HAA1:OUTDX,ALINCALCMPAL,0FFHJNZAA1AA2:OUTDX,ALDECALCMPAL,00HJNZAA2JMPAA1思考题2、采用直通方式，利用0832产生锯齿波，波形范围0～5V。分析由于采用直通方式，即0832的8位输入寄存器、8位DAC寄存器一直处于开通状态，要求控制端ILE

接高电平，CS、WR1、WR2

和XFER接地。直通方式DAC0832不可以直接与系统总线相连，可以把DAC0832数据输入端连接到8255A的A口。电路图分析波形范围0～5V，单极性输出。锯齿波上升部分，采用数据值加1的方法，使输出数据由00H变化到FFH。在下降时由FFH突变到00H。设8255A芯片地址04A0H,04A2H,04A4H,04A6HMOVDX,04A6HMOVAL,80HOUTDX,ALMOVDX,04A0HMOVAL,00HAA1:OUTDX,ALINCALJMPAA112位的DAC1208系列D/A转换器包括有DAC1208、DAC1209、DAC1210三种类型，它们都是可与微处理器直接兼容的12位D／A转换器。其基本结构与DAC0830系列相似，也是由两级缓冲寄存器组成，因此可不添加任何接口逻辑而直接与CPU相连。它们的主要区别是线性误差不同，DAC1208具有12位的分辨率；满量程10位、11位或12位的线性度（在全温度范围内保证）；低功耗设计，只需要20mw；1μs的电流稳定时间；参考电压为–10～＋10V，十5～十15V单电源。DAC1208DACl208系列芯片为标准24脚双列直插式封装，其内部结构如图所示。DAC1208为了便于和应用广泛的8位CPU相连，12位数据输入锁存器分成了一个8位输入锁存器和一个4位输入锁存器，以便利用8位数据总线分两次将12位数据写入DAC芯片。这样DACl208系列芯片的内部就有三个寄存器，需要三个端口地址。为此，芯片内部提供了三个LE信号的控制逻辑。DAC1208和DAC0830一样，CS和WR1用来控制输入锁存器，XFER和WR2用来控制DAC寄存器。但是，为了区分8位输入锁存器和4位输入锁存器，增加了一条高/低字节控制线（字节1/字节2）。当其为1时，两输入锁存器均锁存数据；当其为0时，仅4位输入锁存器锁存数据。与8位数据总线相连时，DAC1208系列芯片的输入数据线高8位D4～D11连到数据总线的D0～D7，低4位D0～D3连到数据总线的D4～D7（左对齐）。DAC1208输入12位数据需要经两次写入操作来完成，假设高/低字节控制信号字节1/字节2的口地址（即DAC1208的高8位输入锁存器和低4位输入锁存器的地址）分别为210H（Y0＝0）和211H（Y1＝0），12位DAC寄存器的口地址（即选通信号XFER）为212H（Y2＝0），由地址译码电路提供。由于4位输入锁存器的LE端只受CS和WR1控制，因此当译码输出Y0＝0，使高/低字节控制线信号为1时，若IOW为有效信号，则两个输入锁存器都被选中；而当译码输出Y1＝0使高/低字节控制线为0时，若IOW为有效信号，则只选中4位输入锁存器。故两次写入操作都使4位输入锁存器的内容更新。DAC1208如果采用单缓冲方式或直通方式，则在12位数据不是一次输入的情况下，边传送、边转换会使输出产生瞬间的错误。因此DAC1208的D/A转换器必须工作在双缓冲方式下，在送数时要先送入12位数据中的高8位数据D4～D11，并在WR1上升沿将数据锁存，实现高字节缓冲，然后再送入低4位数据D0～D3，并在WR1上升沿将数据锁存，实现低字节缓冲。当Y2＝0且IOW＝0时，12位数据一起写入DAC寄存器，并在WR2上升沿将数据锁存，并开始D/A转换。DAC1208数据整理:由一般的右对齐,边为左对齐。DAC1208系列芯片与PC总线的连接常用A/D芯片从性能上分：有通用而廉价的、高精度高速度的、高分辨率的、低功耗的。按分辨率分：4位、8位、10位、12位…从功能上分：有的不仅具有A/D转换的基本功能，还包含内部放大器和三态输出锁存器；有的还包括多路开关、采样保持器等，使用时可按需要选择合适的型号。8位的A/D转换芯片ADC0809ADC0809是CMOS工艺制作的8位逐次逼近式A/D转换器。包含有一个8通道的多路模拟开关和寻址逻辑，可以接入8个模拟输入电压并对其进行分时转换；其数字输出部分，分辨率为8位。具有三态锁存和缓冲能力，可直接与微处理器的总线相连；ADC0809片内不包含采样保持器，故不适合用于模拟信号变化较快的场合。ADC0809内部结构逐次逼近寄存器树状开关IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDAADDBADDCALESTARTCLOCK610111312VccGNDVref(+)Vref(-)OEEOC(MSB)VinVst159726272812345三态输出锁存器2120191881514172-12-22-32-42-52-62-72-825242322八路模拟开关控制电路比较器地址锁存与译码器256电阻阶梯ADC0809的外部引脚典型转换时间为100µs，工作温度范围为–40℃～+85℃，功耗为15mw，输入模拟电压范围为0～5V，采用5V电源供电。ADC0809的外部引脚如图所示。UR(-)ADDBADDCD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0

GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTADDAUR(+)UDDADC0809的引脚信号IN0~IN7（8条）八路模拟电压输入线地址输入和控制线（4条）ADDA、ADDB、ADDC：八路模拟电压输入的选择，译码后选其一ALE：地址锁存允许信号，用来控制通道选择开关的打开与闭合。ALE=1时接通某一路的模拟信号，ALE=0时，锁存该路的模拟信号。数字量输出及控制线（11条）START：转换启动脉冲 宽度大于100ns，上升沿清逐次逼近寄存器SAR，下降沿启动ADC转换EOC：转换结束信号输出 当转换结束，数字量锁存进三态输出锁存器后，该引脚将输出高电平OE：CPU允许输出，打开输出三态缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。D0~D7：八位数字量输出ADC0809的引脚信号电源线及其它（5条）CLOCK：时钟，ADC0809需要640KHz脉冲Vcc： +5V，电源输入GND： 地线Vref(+)： 参考电压，T形电阻网络用，通常接VccVref(-)： 参考电压，T形电阻网络用，通常接地3位电子开关地址对通道的选择ADDCADDBADDA选中的模拟通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809的工作过程首先确定ADDA、ADDB、ADDC三位地址决定选择哪一路模拟信号，然后使ALE=1,使该路模拟信号经选择开关达到比较器的输入端。启动START，START的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换。这时EOC输出信号变低，指示转换正在进行。A/D转换结束，EOC变为高电平，指示A/D转换结束。此时数据已经保存到8位锁存器。EOC信号可作为中断申请信号，通知CPU转换结束，可以输入数据。中断服务程序要做的是使OE信号变为高电平，打开三态输出，由ADC0809输出的数字量传送到CPU。也可以采用查询方式，CPU执行输入指令，查询EOC端是否变为高电平状态。若为低电平，则等待，若为高电平，从OE端输入一个高电平信号，打开三态门输入数据。ADC0809的转换时序转换由START为高电平时启动，其上升沿复位内部寄存器，下降沿才真正开始转换。高电平宽度应不小于200NS。START上升沿后约2US加8时钟周期内，EOC从高变低，指示转换正在进行，EOC保持低电平直到转换完成后再变为高电平。当OE被置为高电平时，三态锁存缓冲器的三态门被打开，锁存器的内容输出到数据总线上。D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)CPU与ADC接口问题1、要给START线送一个100US宽的启动正脉冲；2、获取EOC引脚上的状态信息，它是A/D转换的结束标志；3、给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，即给OE线上送地址译码器输出信号。ADC0809与8088系统的连接ADC0809与8088系统的连接ADC0809的转换公式输入模拟电压输出数字量基准电压正极基准电压负极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＝4DH12位的A/D转换芯片AD574AAD574A是美国AD公司的产品，为12位逐次逼近型ADC芯片。芯片内部包含有12位的D/A转换器、比较器、逐次逼近寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及数据输出缓冲器。可进行8位或12位转换。转换后的12位二进制输出可一次读出（与16位的数据总线相连），也可以分两次读出，即先读出高8位，后读出低4位。AD574A的引脚功能模拟量输入线（3条）

10Vin:单极性时：0~+10V，双极性时：-5V~+10V 20Vin:单极性时：0~+20V，双极性时：-10V~+20V AC:模拟电压公共接地，常与DC相连数字量输出线（13条）

DB11~DB0:数字量输出线，DB11为最高位

DC:数字量公共接地，常与AC相连1234567891011121314STSDB11DB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0DCVlogic12/8CSA0R/CCEVccREFOUTACREFINVeeBIPOFF10Vin20VinAD574A2827262524232221201918171615AD574A的引脚功能控制线（6条）CS:片选信号，低电平有效CE:片选允许信号，高电平有效R/C 为0：启动；为1：读取数字量A0 与12/8引脚配合，控制12位或8位操作12/8 与A0引脚配合，控制12位或8位操作STS 转换结束，高电平有效

禁止XXX1X禁止XXXX0允许低4位加上尾随4个0数字量输出10101允许高8位数字量输出00101允许12位数字量并行输出X1101启动8位A/D转换（奇地址）1X001启动12位A/D转换（偶地址）0X001功能A012/8R/CCSCEAD574A的引脚功能测试/调零线（3条）REF IN 内部解码网络的参考电压输入线REF OUT 内部解码网络的参考电压输出线BIP OFF 补偿调整线，当模拟输入为零时，调整输出为零电压线（3条）VL +5V 电源线VCC +12~+15V 电源线VEE -12~-15V 电源线单极性和双极性两种输入方式（a）单极性输入（b）双极性输入A/D转换芯片与微处理器的连接接口的形式根据A/D转换芯片的数字输出端是否带有三态锁存缓冲器，ADC与CPU的连接可分为两种：1、直接相连方式，主要用于输出带有三态锁存缓冲器的ADC芯片，它们的数据输出端可直接与系统总线相连，如ADC0809、AD574等，当转换结束后，CPU通过执行读指令产生控制信号，打开三态锁存缓冲器，将数据送到数据总线上。2、通过I/O接口芯片或三态锁存器与系统总线相连。适用于转换器内部不带三态锁存缓冲器或虽有三态锁存器但不受外部控制的ADC芯片，如AD570、ADC1210等。这类芯片的数据输出端与系统总线之间要外接三态锁存器，如74LS373/374或通用可编程并行接口芯片如Intel8255A等，但很多情况下，为了增加I/O的接口功能，即使带有三态锁存缓冲器的芯片也常采用第二种方式。此外，由于转换位数的不同，考虑到与系统总线的匹配问题，ADC芯片与PC总线的连接方式也不同。当系统总线的位数大于A/D转换器输出的数字量的位数，则可用一条输入指令一次读出结果。若系统总线的位数小于A/D转换器输出的数字量的位数，则必须增加读/写控制逻辑电路，把输出的数据分两次或多次读取。例如，12位的A/D转换器要与8位的CPU连接，输出的数据必须按字节分两次读出，对于内部不含读/写控制逻辑电路的A/D转换器，应外接锁存器将转换后的输出数据进行锁存，由CPU按字节分时读出。A/D转换的启动信号A/D转换器要进行转换时，必须由外部加入一个启动信号。不同型号的芯片，要求的启动信号也不同。一般分为脉冲启动信号和电平控制信号。该信号可由CPU提供。如ADC0809、ADC1210等芯片是用脉冲信号启动转换的，通常可由CPU对ADC端口执行一条假读或假写指令，产生一符合要求的脉冲信号作为启动信号。AD570、AD574等芯片是要求用电平信号启动转换的，即在启动引脚上加一个所要求的电平，当电平加上之后，转换立即开始，而在整个转换过程中都必须保持这一电平，否则，将停止转换，并且会产生一个错误的结果。因此，在这种启动方式中，CPU提供的启动控制信号必须通过接口寄存器保持或用D触发器锁存。转换结束后的数据处理当A/D转换结束，A/D转换器会输出一个转换结束信号，通知CPU读取数据。而CPU可以采用以下四种方法来与A/D转换器联络读取转换结果。⑴查询方式这种方式下，通常把转换结束信号作为状态信号经三态缓冲器送到系统数据总线的某一位上。CPU在启动A/D转换后，开始查询转换是否结束，一旦查到转换结束信号有效（如ADC0809的EOC，AD574的STS），便读取ADC中的数据。这种方式程序设计比较简单，实时性也较强，是比较常用的一种方法。中断方式这种方式下，把转换结束信号作为中断请求信号接到主机的中断请求线上。当转换结束时，向CPU申请中断，CPU响应中断后，在中断服务程序中读取数据。在这种方式中，ADC与CPU同时工作，效率较高，接口简单。适用于实时性较强或参数较多的数据采集系统。延时等待方式这种方式下，不使用转换结束信号，但要预先计算好A/D转换的时间。当CPU启动A/D转换后，执行一段略大于A/D转换时间的延迟程序后，即可读取数据。采用软件延时方式，无需硬件连线，但要占用CPU大量的时间，故多用于CPU处理任务较少的系统中。DMA方式这种方式下，把转换结束信号作为DMA请求信号。转换结束，即启动DMA传送，通过DMA控制器直接将转换结果送入内存缓冲区。这种方式特别适合要求高速采集大量数据的情况。A/D转换器应用举例查询方式A/D转换器应用举例设对应8个模拟通道的I/O地址分别为200H～207H。由于ADC0809无片选信号，因此需要由地址译码器的输出与IOW经过或非门来控制ADC0809的启动信号START和地址锁存信号ALE，而用IOR经或非门来控制输出允许信号OE。另外把转换结束信号EOC作为状态信号，经三态门接入数据总线的D7位。这样，启动转换之后，只要不断检测D7位是否为1，就可以知道转换是否结束。状态端口的I/O地址假设为208H。实现上述数据采集功能的参考程序段如下：A/D转换器应用举例MOVBX，OFFSETBUF；数据缓冲区地址送BXMOVCX，08H；检测通道数送CXMOVDX，200H；从IN0开始转换START1：OUTDX，AL；启动A／D转换

PUSHDXMOVDX，208H；循环查询是否转换结束START2：INAL，DX；读入状态信息

TESTAL，80H；检查转换结束否?JZSTART2；没有结束，则继续检查

POPDX；转换结束，恢复通道号

INAL，DX；读取转换数据

MOV[BX]，AL；存入缓冲区

INCDX；指向下一个模拟通道

INCBX；指向下一个缓冲单元

LOOPSTART1；循环转换8路模拟输入量┋；转换数据处理A/D转换器应用举例如果将上述程序中的循环查询程序段改为软件延时程序段（延时应大于100µs），则该程序就成了采用软件延时方式工作。此时，转换结束信号EOC没有起作用，可以不连接。（2）中断方式可将ADC0809的EOC引脚接至中断控制器8259的IRQX，当A／D转换结束，EOC为高电平时，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，便转去执行中断服务程序，而中断服务程序的主要任务就是读取转换结果，并送入缓冲区。A/D转换器应用举例A/D转换器应用举例主程序：DATASEGMENTTEMPDB0…DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS：CODE，DS：DATASTART：…；设置中断向量等工作

STI；开中断

MOVDX，200HOUTDX，AL；启动A/D转换

…；其它工作中断服务程序ADINTPROCPUSHAX；保护现场

PUSHDXPUSHDSSTI；开中断

MOVAX，DATA；设置数据段

MOVDS，AXMOVDX，200HINAL，DX；读取数据

MOVTEMP，AL；送入缓冲区

…；其它工作

CLI ；关中断

MOVAL，20H；发EOI命令

OUT20H，ALPOPDS；恢复现场

POPDXPOPAXSTI ；开中断

IRET；中断返回ADINTENDPAD574的应用ADC574比ADC0809有更高的转换精度与速度，图所示的电路是用AD574完成12位转换并与16位数据总线连接的接口电路。AD574的应用在图中，用12/8引脚接＋5V，使转换的12位数据可一次读出。由于R/C＝1时AD574处于输出状态，因此把DB0～DB11分别通过两个8位输入三态缓冲器74LS244与CPU的数据总线D0～D11相连，AD574的输出数据就不会因与数据总线接通而影响数据总线。转换结束信号STS经三态门接入数据总线的