第8章-微机原理及单片机 AD和DA转换器

第8章A/D和D/A转换器DAC0832学习目标了解DAC0832的结构和工作原理。理解D/A转换器的编程及其应用。了解ADC0809转换器的结构和工作原理。理解A/D转换器的编程及其应用。学习内容第一部分：数字量与模拟量第二部分：模拟量输入输出通道第三部分：数/模（D/A）转换

数字量（Digit）和模拟量（Analog） 为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，需要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加工的数字量（A/D转换，ADC），或者把数字量转换成模拟量(D/A转换，DAC)。模拟量输入输出通道1．传感器（变送器）把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、流量等）转换成电流或电压信号。2．

A/D转换器将电压表示的模拟量转换成数字量，送计算机处理，它是输入通道的核心环节。3．信号处理

传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大获得ADC所要求的输入电平范围。安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的影响，需要加接滤波电路，滤去干扰信号。4．多路开关需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用一个ADC进行A/D转换。5．采样/保持器

A/D转换期间保持输入信号不变的电路称为采样/保持电路。转换开始之前，采样/保持电路采集输入信号(采样)。转换进行过程中，它向A/D转换器保持固定的输出(保持)。6．D/A转换器

D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。数/模（D/A）转换第一部分：D/A转换原理第二部分：D/A转换的主要性能指标第三部分：D/A转换芯片—DAC0832第四部分：DAC0832的应用D/A转换原理

数字量是由一位一位的二进制数位构成的，每个数位都代表一定的权。

把一个数字量变成模拟量，必须把每一位上的代码按照权来转换为对应的模拟量，再把各模拟量相加，这样，得到的总的模拟量便对应于给定的数据。

通常用T型网络实现数字量向模拟电流的转换；再利用运算放大器将电流信号转换为电压信号。权电阻D/AD/A转换的主要性能指标（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。（2）精度

精度是指某一数字量的理论输出值和经DAC转换的实际输出值之差。（3）线性误差指数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。（4）转换时间指数字量从输入到完成转换、输出达到最终值并稳定为止所需的时间。D/A转换芯片—DAC0832DAC0832主要特性：分辨率8位；电流建立时间1μS；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（＋5V～＋15V）；低功耗，20mW。DAC0832内部结构8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7~DI0ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模拟地)8位输入寄存器用于存放CPU送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE1加以控制。8位输入寄存器用于存放待转换的数字量，由LE2控制。8位D/A寄存器由8位T型电阻网络和电子开关组成，电子开关受8位DAC寄存器的输出控制，T型电阻网络能输出与数字量成正比的模拟电流。T型电阻网络D/A转换就是要将数字量D转换成与之成正比的模拟量V，即：V=R×D，其中R为比例系数。数模转换（D/A）电路形式是多种多样的，多数采用T型电阻解码网络。在T型解码网络中，有一个标准电源VREF。二进制数的每一位di（i=0,1,2）对应一个电阻2R，并由该二进制值di控制一个双向电子开关Ki。从A点看：I0=VA/(2R);I1=2I0B点左边的网络电路可简化一个2R的等效电阻，与A点同样原理可得：I1=VB/(2R);I2=2I1最后将整个网络电路等效为一个阻值为R的电阻，则由H点：I=VREF/RI7=I/21、I6=I/22、I5=I/23、I4=I/24、I3=I/25、I2=I/26、I1=I/27、I0=I/28当输入数据为11111111时，总电流：Io1=I/28*(27+26+25+24+23+22+21+20)输出电压：

Vo=-Io1*Rfb=-((VREF/R)/28)*(27+26+25+24+23+22+21+20)*Rfb推广到一般情况，对于n位二进制数D，其输出电压为：V=(VREF*Rfb)

/(R*2n)*DDAC0832的引脚信号2019181716151413121112345678910

VCC

ILE

WR2

XFER

DI4

DI5

DI6

DI7IOUT1IOUT2

CS

WR1

AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDD0～D7：8位数据输入线ILE:数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS:片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1:为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2:电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。DAC0832的工作方式直通方式当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即加到8位D/A转换器，被转换成模拟量。单缓冲方式只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存器数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。+-Voport数据线地址译码PC总线IOWA0~A9D0~D7+5VCSDAC0832DI0~DI7IOUT1IOUT2RFBXFER

WR2WR1ILE单缓冲工作方式:

输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态D/A转换IOUT2DI7~DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&输入寄存RFB-+VoIOWA9~A0D7~D0+5VPC总线port地址译码DAC寄存转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,ALport数据线地址译码PC总线IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832DI0~DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS

WR1WR2ILE单缓冲工作方式:

输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态IOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&输入寄存VoD7~D0+5VPC总线portWR2IOWA9~A0XFERD/A转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,AL双缓冲方式把DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器都接成受控锁存方式。这种方式适用于多路D/A同时进行转换的系统。DAC0832PC总线数据线WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2CS地址译码A0~A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAGNDIOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&输入寄存VoD7~D0+5VPC总线port2WR2IOWA9~A0XFERD/A转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&port1转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX，port1OUTDX,AL;打开第一级锁存MOVDX,port2OUTDX,AL;打开第二级锁存当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。思考：相应的程序如何编写？地址译码port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换DI7~DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换DI7~DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7~D0A9~A0IOWPC总线+5v+5v例1

连线如图，计算当数字量为0CDH时的输出Vo。数据线WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址译码A0~A9XFERVREF-5Vport1port2转换一个数据的程序段：MOVAL,0CDHMOVDX，port1OUTDX,ALMOVDX,port2OUTDX,ALDAC0832的应用输出锯齿波的程序段

MOV

AL,0J1：CALL

OUTPUT ；输出当前值

INC

AL ；产生下一个输出值

JMP

J1输出三角波的程序段S0： MOV

AL，0 ；AL中置初值0，

S1: CALL

OUTPUT ；输出三角波的上升段

INC

AL

JNC S1

S2： CALL

OUTPUT ；输出三角波的下降段

DEC

AL ；产生下降段下一个值

JNZ S2 ；

JMP

S1 ；下降段结束，

；输出下一个三角波

OUTPUT

PROC

NEAR

MOV

DX,PORT0 ；DAC0832端口地址

OUT

DX,AL

INC

DX

OUT

DX,AL

PUSH

AX

MOV

AX,N ；延时的时间常数

WT: DEC

AX

JNZ

WT ；延时

POP

AX

RET

OUTPUT

ENDP子程序“OUTPUT”

A/D转换第一部分：

模拟信号的采样、量化和编码第二部分：A/D转换器的主要技术指标第三部分：A/D转换原理第四部分：A/D转换器的应用信号变换中的采样、量化和编码

由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：

取样、保持、量化和编码。

模拟信号数字信号采样保持量化编码1.采样和保持采样：模拟信号的大小随着时间不断地变化，A/D转换实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。采样保持：对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值。采样定理：采样频率要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍。实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的4～8倍。量化：量化是把采样值取整为最小单位Δ的整数倍。编码：把量化的数值用二进制代码表示。2.量化和编码A/D转换器的主要技术指标1、分辨率ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的1/212。一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化最小值是10V×1/212=2.4mV。2、量化误差量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。3、偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。4、绝对精度在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。5、转换速率ADC的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。A/D转换原理这种方式的转换中有两个积分时间：T0：用模拟输入电压对电容积分（充电）的时间这个时间是固定的；T1：以电容充电后的电压为初值，对参考电源VRef反向积分，也就是积分电容被放电至零所需的时间。1.双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器

逐次逼近式A/D转换器8位D/A转换器逐次逼近寄存器缓冲寄存器控制电路D7~D0CLK启动信号转换结束比较器：Vi＞V0输出为“1”Vi≤V0输出为“0”Vi输出模拟电压V0+-逐次逼近式A/D转换器典型A/D转换器芯片ADC0809逐次逼近型8位A/D转换芯片；片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量；单极性，量程为0～5V；典型的转换速度100μs；片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接；有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求

不高的场合或一般的工业控制领域。ADC0809的内部逻辑结构8路模拟开关地址锁存译码电子开关逐次逼近寄存器控制与时序解码网络STARTCLK三态门VCCGNDVREF(+)VREF(-)OEEOCIN0IN7ADDCADDBADDAALE··ADC0809引脚与内部结构ADC0809引脚功能如下：IN0~IN7：模拟量输入，用于输入被转换的模拟量。ALE：通道锁存信号，高电平有效。在高电平时将通道选择ABC锁存。A、B、C：通道选择，用于选择模拟通道。被选模拟通道与ABC的关系如下表所示。D0~D7：数字量输出，是转换后的数字量。START：启动转换信号，正脉冲启动ADC0809开始转换。EOC：转换结束信号，高电平时表示转换结束，通知CPU可以读数据。OE：输出允许信号，由CPU送来，高电平时数据出现在D0~D7数据线上。CLK：工作时钟输入端。其频率为640kHz。Vcc：工作电源，+5V。GND：地线。VR+、VR-：参考电压输入端。通常情况下VR+与Vcc相连，VR-与GND相连。

A/D转换器接口基本原理与方法（1）

ALE信号锁存地址信号ADDA~ADDC。（2）START脉冲启动A/D转换（3）转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平：可以作为状态信号由CPU查询；可以作为中断请求信号通知CPU。（4）CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中：执行输入指令（读ADC0809数据端口）；该指令经地址译码电路产生OE信号，0809内三态缓冲器被打开，转换结果通过数据总线进入CPU。对0809的8路模拟量输入通道轮流采样，每个通道采样24次