第十九章AD转换技术

第十九章

D/A和A/D转换技术

在计算机应用系统中，常需要模拟量输出，去控制系统中的执行机构,构成控制系统。将计算机中的数字信号转换为模拟信号，称为D/A转换；通常计算机也需要对一些模拟信号（如电流、电流、温度、压力等）进行检测，将模拟信号转换为数字信号，称为A/D转换。1.D/A转换与D/A转换接口

1)D/A转换器的原理

D/A转换器有两种方式T形电阻网络权电阻网络４位R-2RT型电阻网络D/A转换器

从每个节点G向右看，对地的等效电阻均为R，则每个节点对地电压均为Vi=1/2Vi+1

流入该支路的电流为Ii=2)D/A转换器的性能指标

DAC(DigitalAnalogConverter)性能指标是选用DAC芯片型号的依据，也是衡量芯片质量的重要参数。①

分辨率

分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量,取决于输入数字量的二进制为数。一个n位的DAC所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的2-n倍。例如：满量程为10V的8位DAC分辨率为10V×2-8=39mv；一个同样量程的16位DAC的分辨率高达10V×2-16=153uV②转换精度

转换精度和分辨率是两个不同的概念。转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。

对T型电阻网络的DAC,其转换精度和参考电压VREF、电阻值和电子开关的误差有关。例如：满量程时理论输出值为10V,实际输出值是在9.99V­-10.01V之间，其转换精度为10mv。通常，DAC的转换精度为分辨率之半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低一位数字量变化引起的变化量。③相对误差

绝对误差与满量程值之比用%表示，例如：转换精度为±10mv,若满量程输出值为10V,则相对误差10mv/10V=0.1%。④偏移量误差

偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过DAC的外接VREF和电位计加以调整。⑤线性度

线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。通常，线性度不应超出1/2LSB。3)DAC0832①内部结构②DAC0832与51单片机连接应用举例

DAC0832的性能指标如下：转换时间：1s分辨率：8位线性误差：0.2%FSR数字输入与TTL兼容低功耗：20mw单电源：+5～+15V

DAC0832是带双缓冲数据锁存和电流输出的D/A芯片，可以和单片机直接连接而不用另加接口电路。⑴直通方式DAC0832内部有两个起数据缓冲器作用的寄存器，分别受IE1和IE2控制。如果它们皆为高电平，那么DI0～DI7上信号便可直通地到达“8位DAC寄存器”，进行D/A转换。因此，ILE接+5V以及使CS、XFER、WR1和WR2接地，DAC0832就可在直通方式下工作。直通方式下工作的DAC0832常用于不带微机的控制系统。⑵单缓冲单极性电压输出方式单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个受MCS-51的控制。DAC0832单缓冲单极性电压输出方式

单极性电压输出电路中，当VREF端接+5V（或-5V）时，输出电压范围是0～-5V(或0～+5V)。如果VREF端接+10V（或-10V）时，输出电压范围是0～-10V（0～+10V）。MOVR0,#0FEHMOVX@R0,A

8031执行如下两条指令就可在和上产生低电平信号。使DAC0832接受8031送来的数字量。

[例1]DAC0832用作波形发生器。试根据下图接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。①锯齿波程序ORG1000HSTART:MOVR0,#0FEHMOVX@R0,AINCASJMPSTARTEND②三角波程序三角波由线性下降段和线性上升段组成，相应程序为：ORG1000HSTART:CLRAMOVR0,#0FEHDOWN:MOVX@R0,A；线性下降段INCAJNZDOWN；若未完，则转DOWNMOVA,#0FEHUP:MOVX@R0,A；线性上升段DECAJNZUP；若未完，则UPSJMPDOWN；若已完，则循环END③方波程序ORG1100HSTART:MOVR0,#0FEHLOOP:MOVA,#33HMOVX@R0,A；置上限电平ACALLDELAY；形成方波顶宽MOVA,#0FEHMOVX@R0,A；置下限电平ACALLDELAY；形成方波底宽SJMPLOOP；循环DELAY:MOVR7,#02DELAY1:MOVR6,#0FFH；延时程序DELAY2:DJNZR6,DELAY2.DJNZR7,DELAY1RETEND

⑶双缓冲方式设8031内部RAM中有两个长度为20的数据块,其始地址分别为DA1和DA2,按图示电路,编程实现它们分别从两片0832输出。ORG1100HDA1DATA20HDA2DATA40HDTOUT:MOVR1,#DA1MOVR2,#20SETBRS0MOVR1,#DA2CLRRS0NEXT:CLRP2.5MOVA,@R1MOVP0,AINCR1SETBRS0SETBP2.5CLRP2.6MOVA,@R1MOVP0,AINCR1CLRRS0SETBP2.6CLRP2.7MOVP0,ASETBP2.7DJNZR2,NEXTSJMPDTOUTEND⑷DAC0832双极性电压输出参考电路VOUT=-5+2Va-5V~+5V⑸V/I输出转换电路

一般D/A转换电路都是以电压方式输出，而在工业控制应用中，或常规工业仪表中是以电流方式输出的。其原因是：一方面电流输出有利于长距离传输，减少传输中的信号衰减和干扰；另一方面许多仪表是以电流形势配接的，有些常规仪表的电流配接标准为0～10mA；有些仪表标准为4～20mA，因此，D/A的输出常常要配接V/I转换器。

2A/D转换与A/D转换接口1)A/D转换器的原理逐次逼近式A/D转换器双积分式A/D转换器V/F转换器①逐次逼近式A/D转换器

整个A/D转换是在逐次比较过程中形成，形成的数字量存放在N位寄存器中，先形成最高位，然后是次高位，一位位地最后形成最低位。

“控制电路”工作后便使“N位寄存器”中最高位置“1”而其余位清零，“N位D/A转换网络”根据“N位寄存器”中内容产生Vs电压，其值为满量程的一半，并送入比较器进行比较。若Vx≥Vs，则比较器输出逻辑“1”，通过“控制电路”使“N位寄存器”中最高位的“1”保留，次高位再置1，继续比较；若Vx<Vs,最高位清0，保留次高位保留1，重复上述比较过程后，当Vx=Vs时，这样，A/D转换的数字量就形成了，“N位寄存器”中得到和模拟电压V相对应的数字量。“控制电路”在A/D转换完成后还自动使DONE变为高电平。CPU查询DONE引脚上状态（或作为中断请求）就可从A/D转换器提取A/D转换后的数字量。②双积分式A/D转换原理

电路先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转换为标准电压进行反向积分，直至积分输出返回到初始值，则对标准电压进行积分的时间T正比于输入模拟电压，输入电压越大，则反向积分时间越长。用高频率标准时钟脉冲来测量这个时间，反向积分过程中对脉冲的计数值就是对应于输入模拟电压的数字量。特点：能消除干扰和电源噪声，精度高，速度慢，主要用于数字式测量仪表中。③V/F转换原理

使用V/F转换器用作模/数转换具有良好的精度、线性度和积分输入特性，能提供其他类型转换器无法达到的性能。采用V/F转换器与计算机接口的优点：接口简单，占用计算机接口少；频率信号输入灵活；抗干扰性能好；便于远距离传输等。因此在一些非快速过程的前向通道中，愈来愈趋向使用V/F转换来代替通常的A/D转换。

2)A/D转换器的性能指标

①绝对精度：指对应于一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入之差。

实际上对应于同一个数字量其模拟量输入不是固定值，而是一个范围。例如一个A/D转换电路，理论上5V应对应数字量80H；而实际上4.997V到4.999V都将产生数字量80H，则绝对误差将是（4.997+4.999）/2-5=-2mV。

②相对精度：绝对误差与满量程之比，一般用“%”来表示。

③分辨率：转换器所能分辨的被测量的最小值。实际上分辨率就等于1LSB=1/2n×满刻度值，其中n为A/D转换器的位数，分辨率通常用位数表示，如8位、10位、12位等。例如对于一个10位转换器的分辨率为1/1024，显然，位数越多，分辨率就越高。④量程：指转换器的满刻度范围，亦即最大和最小模拟值之差⑤转换时间和转换率：完成一次A/D转换所需的时间。3)ADC0809

ADC0809

是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。ADC0809的姐妹芯片是DC0808，可以相互代换。①内部结构ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。⑴八路模拟开关及地址锁存与译码器

八路模拟开关用于输入IN0～IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信号，经译码后选择IN0～IN7上哪一路模拟电压送入比较器。⑵256电阻阶梯和树状开关⑶逐次逼近寄存器SAR在A/D转换过程中存放暂态数字量，在A/D转换完成后存的放对应输入电压V数字量，并可送到“三态输出锁存器”⑷三态输出锁存器和控制电路三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成后的数字量。CPU使OE引脚变为高电平就可以从“三态输出锁存器”取走A/D转换后的数字量。START为“启动脉冲”输入线，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿启动ADC工作。

EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出所存器”。可用做中断输入,也可供查询。OE为“输出允许”线，高电平时能使2-1～2-8引脚上输出转换后的数字量。CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需时钟脉冲序列，输入范围10～1280KHz，通常应用值：500～640KHz，当时钟=640KHz时，转换时间100µs。通常由ALE分频后提供。Vref(+)和Vref(-)为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。Vref(+)常和Vcc相连，Vref(-)常接地。MCS-51和ADC接口必须弄清和处理好三个问题：①要给START线送一个100ns宽的启动脉冲；②获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；③要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。ADC0809与8051单片机接口应用举例ORG3000HINIT1:SETBIT1；置为下降沿触发SETBEA；单片机开中断SETBEX1；开中断MOVDPTR,#0FEFFH；建立地址指针MOVA,#00H；0809的A、B、C接数据线时，选IN0通道输入MOVX@DPTR,A；启动0809SJMP$；等中断

ORG0013HINT1:LJMPPINT1ORG0100HPINT1:MOVDPTR,#0FEFFHMOVXA,@DPTR；读A/D结果MOV30H,A；结果送30H单元MOVA,#00H；重新启动0809对INT0的转换MOVX@DPTR,ARETI；中断返回MOVDPTR#0FEF3H；0809的A、B、C接低八位地址线时，选IN3通道输入MOVX@DPTR,A；启动0809MOVR2,#20H；延时查询DLY:DJNZR2,DLY；60us延时HE:JNBP3.3,HE；查询转换结束否MOVXA,@DPTR；结果送R6MOVR6,A；停HD:SJMPHD若采用查询方式，则对8031单片机的P3.3口线进行查询双积分式A/D转换器5G144335G14433是廉价型3位半BCD码A/D转换器，抗干扰性能强，精度稍高，但转换速度较慢（为200ms左右）。转换精度：读数的1/2000（11位二进制数）。电压量程：1.999V和1.999mV两档。转换速度：8～10次/s（相应时钟频率50～150kHZ）。基准电压：当量程为1.999V时VR=2V，当量程为1.999mV时VR=200mV（片内精密电源输出2V）。工作电压：4.5～8V时钟振荡器的外接电阻Rc，外接失调补偿电容C0和外接积分阻容元件R1、C1。模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入部分。模拟电压输入量程为1.999mV或1.999V，基准电压相应为200mV或2V。5G14433的应用举例

初始化程序：INIT1:SETBIT1；选择为边沿触发方式MOVIE,#10000100B；CPU开中断，外部中断允许…外部中断服务程序：PINT1:MOVA,P1；JNBACC.4,PINT1；等待DS选通信号JBACC.0,PE；查是否过，欠量程，是则转PEJBACC.2,PL1；查结果是正或负，1为正，0为负SETB77H；负数，符号位置1，77H为符号位位地址AJMPPL2PL1