模数和数模转换

第1页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com1概述概念模拟量：连续变化的物理量，模拟量在时间和数值上都是连续的。数字量：在时间和数值上不连续的量。A/D变换：模拟量向数字量的转换过程。D/A变换：数字量向模拟量的转换过程。用途：工业控制和测量仪表第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第2页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com1概述数字信号模拟信号信号1信号2信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路：：一个含有A/D和D/A转换的控制系统第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第3页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2数/模(D/A)转换器数/模转换的原理数/模转换器件和有关电路第4页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1数/模转换的原理要把一个数字量转换为模拟电压，通常需要两个环节：先由D/A转换器（Ｔ型电阻网络）把数字量转换为模拟电流。由运算放大器将模拟电流转换为模拟电压。D/A转换器：主要功能是将数字量转换为模拟量。把一个数字量变为模拟量，就是把二进制数中每一位上的代码按照权转换为对应的模拟量。把各位所对应的模拟量相加，所得到各位模拟量的和便是数字量所对应的模拟量。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第5页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1.1运算放大器的工作特点和原理运算放大器有两个输入端。一个和输出端同相，称为同相端，用“+”表示，一个和输出端反相，称为反相端，用“－”表示。工作特点：开环放大倍数非常高，正常情况下，运算放大器所需要的输入电压非常小。输入阻抗非常大，所以输入电流极小。输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大。虚地的概念，G点的电压和电流近似为0。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器－+ViV0（a）运算放大器的输入输出+V0GIi（b）带反馈电阻的运算放大器第6页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1.1运算放大器的工作特点和原理第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第7页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1.2简单的D/A转换器利用运算放大器各输入电流相加的原理，可由并联电阻和运算放大器构成一个最简单的D/A转换器。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器R0第8页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1.3D/A转换器涉及的参数分辨率：指最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率=1/(2n-1)转换精度：用来描述输出电压接近理想值的程度。绝对转换精度：是指每个输出电压接近理想值的程度。常用满刻度数字量输出值与理论值之间的误差表示。相对转换精度：用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示。也常用最低位输出量(LSB)的几分之几表示。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第9页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1.3D/A转换器涉及的参数转换速率：指大信号工作时，模拟输出电压的最大变化速度，单位为V/μs。建立时间：指数据变化量是满刻度时，达到终值±1/2LSB时所需的时间。很显然，建立时间越大，转换速率越低。线性误差：偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。线性误差一般用模拟量和理想值的最大差值折合成的数字输入量表示。如1LSB、1/2LSB等。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第10页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.1.4T型权电阻网络在实用的集成电路中，经常采用T型电阻解码网络实现D/A转换。如图所示，整个网络中只需要R和2R两种阻值的电阻。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第11页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路不带数据输入寄存器的D/A芯片的使用不能直接和总线相连，需加数据锁存器。8位不带数据输入寄存器的D/A转换器的连接

第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第12页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路超过8位的D/A转换器的连接

第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第13页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路D/A转换器通过两级数据缓冲器和总线相连的示意图

第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第14页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路带有数据输入寄存器的D/A芯片的使用DAC0832：T型电阻、两级锁存、外接放大器。输入寄存器锁存、DAC寄存器锁存。可直接将D/A芯片和数据总线相连。

DAC0832的功能示意图

第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第15页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路信号定义DI7～DI0：8位的数据输入端IOUT1-：模拟电流输出端IOUT2+：模拟电流输出端RFB：反馈电阻引出VREF：参考电压-CS：片选信号VCC：电源AGND：模拟地DGND：数字地ILE：允许锁存信号，无效数据直通，有效允许锁存信号。-WR1：写信号1，作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中，此时，允许锁存信号ILE必须有效。-WR2：写信号2，将输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，此时，传送控制信号-XFER必须有效。-XFER：传送控制信号，用来控制-WR2，无效数据直通，有效允许锁存信号。DAC0832的引脚图

第16页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路DAC0832的外部连接如图：只使用输入寄存器锁存。ILE悬空，相当于ILE=1。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第17页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路地线的连接方法在数字量和模拟量并存的系统中，两种信号容易相互造成干扰，解决办法是：两组信号使用独立的电源供电。两种地线单独连接，最后使用一个共地点。第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第18页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com2.2数/模转换器件和有关电路用软件来实现上图所示的D/A转换例1，实现一次D/A转换。MOVBX，1000H ；假设数据放在1000H中MOVAL，〔BX〕 ；数据送AL中MOVDX，PORTA ；PORTA为D/A端口号OUTDX，AL例2，产生一个锯齿电压。MOVDX，PORTA MOVAL，0FFH；初值为0FFHROTATE：INCALOUTDX，AL ；往D/A输出数据JMPROTATE第六章1

2

3概述数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器第19页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3模/数(A/D)转换器模/数转换涉及的参数模/数转换的方法和原理模/数转换器和系统连接时要考虑的问题典型的8位A/D转换器芯片ADC0804

典型的8位A/D转换器芯片ADC0809第20页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.1模/数转换涉及的参数转换精度：反映了A/D转换器的实际输出接近理论输出的精确程度。一般是某个范围中的模拟量对应一个数字量，通常用数字量的最低有效位(LSB)来表示。转换率：用完成一次A/D转换所需要的时间的倒数来表示。

分辨率：是能够分辨最小的量化信号的能力，即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，通常用位数2N来表示A/D转换器的分辨率。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第21页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2模/数转换的方法和原理为了把模拟电流或模拟电压变为数字量，一般分两步进行：先是对模拟电流或电压采样，得到与此电流或电压相对应的离散脉冲序列。用A/D将离散脉冲变为离散的数字信号。常用的方法有:计数法双积分法逐次逼近法软硬件结合法第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第22页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2.1计数式A/D转换特点简单，但速度比较慢，特别是模拟电压较高时，转换速度更慢。如对一个8位A/D转换器，若输入模拟量为最大值，需从0计数到255时才转换完毕。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路c=1，开始计数c=0，结束计数第23页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2.2双积分式A/D转换特点具有很强的抗高频干扰能力，转换精度高，但速度较慢，主要用于数字式测试仪表、温度测量等方面。(a)电路工作原理 (b)双积分原理

第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路1、对未知模拟量进行固定时间的积分。2、用标准电源进行反向积分，测定时间。允许计数启动计数第24页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2.3逐次逼近式A/D转换特点速度快，转换精度较高，对N位A/D转换只需N个时钟脉冲即可完成，是计算机A/D转换接口中应用最普遍的转换方法。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路1：Vi>V0保留高位0：Vi>V0清除高位第25页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2.4用软件和D/A转换器来实现A/D转换特点这种方法的思想和逐次逼近式相似，只不过采用软件设置试探值并根据比较结果进行修正，节省硬件。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第26页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2.4用软件和D/A转换器来实现A/D转换程序如下：START：XORAX，AX ；累加器清零

MOVBL，80H ；初值为80H MOVCX，08H ；计数初值为8AGAIN：ADDAL，BL ；计算试探值

MOVBH，AL ；保留试探值OUTPORTA，AL ；PORTA是锁存器地址INAL，PORTS ；PORTS是输入端口的地址ANDAL，01 ；取状态位JNZEND1 ；如状态位为1，则保存此位MOVAL，BLNOTAL ；求反

ANDAL，BH ；使试探位为0 MOVBH，AL ；保存试探值END1：RORBL，1 ；右移，得下一个试探值

MOVAL，BH LOOPAGAIN ；继续进行试探和测试

…

；后续程序段，BH保存转换结果第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第27页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.2.5几种方法优缺点比较计数式A/D转换的速度比较慢，但价格低，故适用于慢速系统。双积分式A/D转换的分辨率高，抗干扰性也比较高，适用于中等速度的系统。逐次逼近式A/D转换速度最快，分辨率高，在计算机系统中采用的A/D集成电路芯片多数工作于这种方式。用软件和D/A芯片实现A/D转换的速度比较慢，但省硬件。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第28页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.3模/数转换器和系统连接时要考虑的问题输入模拟电压的连接单端输入模拟电压单端输入正向信号接VIN(+)，VIN(-)接地。单端输入负向信号接VIN(-)，VIN(+)接地。差动输入模拟电压：模拟信号正负端分别加在VIN(+)，VIN(-)之间即可。数据线和系统总线的连接具有可控的三态输出门

，直接连接。不具有可控的三态输出门或没有三态输出门，不能和总线直接连接，需通过I/O通道或者附加的三态门实现。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第29页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.3模/数转换器和系统连接时要考虑的问题启动信号的供给电平启动信号：通常要求在整个转换过程中启动信号均要有效，CPU可通过并行接口或D触发器来提供有效电平信号。脉冲启动信号：通常用CPU执行输出指令时发出的片选信号和写信号产生一个选通脉冲启动A/D转换。转换结束信号以及转换数据的读取程序查询方式中断方式CPU等待方式固定的延迟程序方式第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第30页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809特点８位单片A/D转换器。片内带有锁存功能的八路模拟开关及其地址译码电路，可控制选择８个模拟量中的一个。片内具有比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出的数字信号有三态缓冲器控制，可以直接连至数据总线。转换公式为：N=(VIN/VREF)×256第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第31页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809ADC0809的结构和工作原理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CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第32页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809ADC0809芯片的引脚IN0~IN7：8路模拟电压输入端。D0~D7：8位数字输出端。START、ALE：START为启动A/D转换命令的控制输入端，ALE为地址锁存控制信号输入端。这两个信号端可连在一起。CLK：时钟脉冲输入端。Vcc：供电电压5V、GND：地。OE：输出允许信号输入端，高电平有效。只有该信号有效，才能打开输出三态缓冲器，转换好的数字量才能从ADC0809芯片送至系统数据总线。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第33页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809-EOC：转换结束信号脉冲输出端口，低电平有效。在中断方式下，此信号可以作为向CPU申请的中断请求信号，在查询方式下，此信号可以作为A/D转换完毕的状态信号。REF(+)：参考电压输入端，电压0~Vcc，通常此端与Vcc相连。REF(-)：参考电压输入端，通常此端与GND相连。ADDC、ADDB、ADDA：控制选择8个模拟量中一个的编码输入端。要注意的是只有在ALE引脚有效时，三个引脚才能控制选择，否则不能控制选择。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第34页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809ADDA、ADDB、ADDC的连线有两种方法分别连在系统地址总线的低三位上，通过选择不同的端口地址，利用启动A/D芯片的输出指令实现对某一路模拟量的选择。

如：OUTPORT2，AL分别连在系统数据总线上，利用启动A/D芯片的输出指令实现对一路模拟量的选择。

如：MOVAL，2

OUTPROTAD，AL地址码对应输入通道

CBA000IN0

001IN1010IN2

011IN3100IN4

101IN5110IN6

111IN7ADDC、ADDB、ADDA控制选择端编码表第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第35页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809ADC0809和系统总线的连接VccD0～D7EOCADDAADDBADDC模拟输入（0～5V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTALEGNDVREF(-)D0～D7IRQ2A0～A9译码

IOR

IOW220h第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第36页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809ADC0809和CPU的接口设计（中断方式）主程序段部分：；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，220houtdx，al ；启动A/D转换……

；其他工作第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第37页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.4典型的8位A/D转换器芯片ADC0809中断服务程序部分：INTE： sti ；开中断

pushax ；保护寄存器

pushdx pushds movax，@data ；设置数据段DS movds，ax movdx，220h inal，dx ；读A/D转换的数字量

movadtemp，al；送入缓冲区

moval，20h；发送EOI命令

out20h，al popds ；恢复寄存器

popdx popax iret ;中断返回第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第38页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.5典型的8位A/D转换器芯片ADC0804特点：ADC0804是８位分辨率的A/D转换器，可输入一路模拟信号。完成一次转换的时间为100μs，转换精度为±1LSB。带有可控的数据输出锁存器。第六章2

3

4数/模(D/A)转换器模/数(A/D)转换器采样保持电路第39页，共45页，2023年，2月20日，星期五：李军Email：dpi_Lijun@163.com3.5典型的8位A/D转换器芯片ADC0804引脚功能VIN+、VIN-：模拟信号输入，单端和差动输入。D7-D0：转换器数据输出端，具有三态特性。AGND、DGND：模拟信号地、数字信号地。CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲。-CS：片选信号输入端。-WR：写信号，用于启动转换。-RD：读信号，读取转换输出数