模数和数模转换

模数和数模转换第1页，共47页，2023年，2月20日，星期一学习目的通过对本章的学习，您应该能够达到下列要求：掌握模/数和数/模转换通道的基本组成、模/数与数/模转换器的主要技术指标。掌握A/D转换芯AD0809及D/A转换芯片DAC0832分别与CPU的连接及应用编程第2页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.1概述模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器第3页，共47页，2023年，2月20日，星期一含有A/D与D/A转换的监控系统

10.1概述第4页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2数/模（D/A）转换器必须要将计算机输出的数字量转换成模拟的电流或电压，这个任务主要由数/模转换器来完成数/模转换芯片一般内部设有输入锁存器，能将计算机输入给它的数字量锁存下来需要有一级功率放大电路，将D/A输出的电流或电压放大到足以驱动执行机构第5页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2数/模（D/A）转换器特点：开环放大倍数非常高输入阻抗非常大输出阻抗很小1.运算放大器的工作特点和原理

10.2.1数/模转换原理第6页，共47页，2023年，2月20日，星期一运算放大器的原理

(a)运算放大器的输入和输出(b)带反馈电阻的运算放大器(c)输入端有4个支路的运算放大器由此可求得带有反馈电阻的运算放大器的放大倍数为

10.2.1数/模转换原理第7页，共47页，2023年，2月20日，星期一2.由并联电阻和运算放大器构成的D/A转换器

(a)最简单的D/A转换器(b)阶梯波电压

10.2.1数/模转换原理第8页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.1数/模转换原理采用T型电阻网络的D/A转换器

3.T型权电阻网络第9页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.2数/模转换器的指标模/数转换器的主要技术指标分辨率（Resolution）精度（precision）量程（满刻度范围——FullScaleRange）转换时间（ConversionTime）线性度误差（LinearityError）

第10页，共47页，2023年，2月20日，星期一1）分辨率（Resolution）

分辨率是指转换器所能分辨的被测量的最小值。它反映了DAC对微小输入量变化的敏感性。通常用输出二进制代码的位数来表示。例如分辨率是8位、10位、12位等。也可用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数来表示。对于一个n位DAC，其分辨率为：(1/2n)×量程。位数越多，分辨率越高。10.2.2数/模转换器的指标第11页，共47页，2023年，2月20日，星期一

精度是指转换的结果相对于实际的偏差，精度有两种表示方法。（1）绝对精度：用最低位（LSB）的倍数来表示，如±（1/2）LSB或±1LSB等。（2）相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，例如±0.05%等。

注意：分辨率与精度是两个不同的概念2）精度（precision）10.2.2数/模转换器的指标第12页，共47页，2023年，2月20日，星期一3）量程（满刻度范围——FullScaleRange）

量程是指允许输入模拟电压的变化范围。例如，某转换器具有0～10V的单极性输入模拟电压的范围，或-5V～+5V的双极性范围，那么，它们的量程都为10V。

10.2.2数/模转换器的指标第13页，共47页，2023年，2月20日，星期一

从启动转换开始直至转换出稳定的二进代码所需的时间称为转换时间。转换时间与转换器工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间则越长。

5）线性度误差（LinearityError）

理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常用多少LSB表示。

4）转换时间（ConversionTime）10.2.2数/模转换器的指标第14页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.3DAC0832的工作方式和应用DAC0832是8位双缓冲D/A转换器，片内带有数据锁存器，可与微处理器直接接口。

DAC0832的特性参数：分辨率为8位；可采用双缓冲、单缓冲或直通三种工作方式；电流稳定时间为1μs；只需在满量程下调整其线性度；所有引脚逻辑电平与TTL兼容；＋5V～＋15V单一电源供电，功耗为200mw。第15页，共47页，2023年，2月20日，星期一DAC0832的功能示意图

10.2.3DAC0832的工作方式和应用1、DAC0832的内部结构12第16页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.3DAC0832的工作方式和应用2、DAC0832的引脚功能第17页，共47页，2023年，2月20日，星期一

3、DAC0832的工作方式

双缓冲方式双缓冲工作方式对输入寄存器和DAC寄存器分别进行控制。10.2.3DAC0832的工作方式和应用10011000110第18页，共47页，2023年，2月20日，星期一

3、DAC0832的工作方式

双缓冲方式双缓冲工作方式对输入寄存器和DAC寄存器分别进行控制。10.2.3DAC0832的工作方式和应用第19页，共47页，2023年，2月20日，星期一单缓冲方式在这种工作方式下，使两个寄存器中的任一个处于直通状态。

10.2.3DAC0832的工作方式和应用第20页，共47页，2023年，2月20日，星期一直通方式这种工作方式是将、、以及引脚都直接接地，ILE接高电平，芯片就处于直通状态。输入数据就直接送入D/A转换器进行电流转换。10.2.3DAC0832的工作方式和应用1001001第21页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.3DAC0832的工作方式和应用例1、DAC0832的外部链接线路如图所示。要使0832实现一次D/A转换，试编程实现。MOVBX,4000HMOVAL,[BX]MOVDX,PORTAOUTDX,AL第22页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.3DAC0832的工作方式和应用例2、产生一个锯齿电压。

MOV DX，PORTA；PORTA为D/A端口号

MOV AL，0FFH ；初值为0FFHROTATE：

INC AL OUT DX，AL ；往D/A输出数据

JMP ROTATE如何产生三角波？第23页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.3DAC0832的工作方式和应用MOVDX，200H；端口地址ABCD:MOVAL，00HOUTDX，AL；向DAC0832输出全0CALLDELAY；调用延时子程序DELAYMOVAL，0FFHOUTDX，AL；向DAC0832输出全1CALLDELAYJMPABCD例3、假设DAC0832片选的地址是200H，要求在VOUT输出方波，编程如下：第24页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.2.3DAC0832的工作方式和应用MOVAL,96HOUTPORT,ALCALLDELAYMOVAL,0E1HOUTPORT,ALCALLDELAYMOVAL,32HOUTPORT,ALCALLDELAY例4、0832转换输出波形如图，设满量程为5V。试编程实现。3V4.5V1VV0=(VREF/28)×DD=1/0.02=32H△V=VREF/28=5/256=0.02VD=3/0.02=96HD=4.5/0.02=0E1H第25页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器A/D转换器的主要性能指标：分辨率——转换器对微小输入量变化的敏感程度以8位ADC为例，当输入电压满刻度为5V时，对输入模拟电压的分辨能力为：5V/256≈19.5mV2.

转换时间——完成一次A/D转换所需要的时间。如：25us，则转换率为1/25us＝40KHZ3.

转换精度——任一数值量所对应的模拟量输入实际值与理论值之间的差，通常用数字量的最低有效位（LSB）来表示，为±1/2LSB。

由于模拟量是连续的，而数字量是离散的。所以，在某个范围内的模拟量对应于某个数字量。第26页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器模/数转换通道的组成

一般模/数转换通道由传感器、信号处理、多路转换开关、采样保持器以及A/D转换器组成。第27页，共47页，2023年，2月20日，星期一能够把非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，由电容、电阻、电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输出连续变化的电流或电压与非电物理量的变化成正比。一、传感器（Transducer）10.3模/数（A/D）转换器由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或电压的变化十分微弱，容易受外界干扰，因此，各种变送器将传感器与放大电路制作在一起，输出统一标准的电流或电压，以便传输或直接送A/D转换器进行A/D转换。第28页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器

信号放大处理电路，接在A/D转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：

A/D转换器与传感器二者电压不匹配。如果是电流型输出传感器，要进行Ⅰ～Ⅴ变换与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号。二、信号放大处理第29页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多路模拟信号。通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制。许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关。三、多路转换开关（Multiplexer）第30页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器

CD4051B的基本结构CD4051B采用了CMOS工艺，16脚DIP封装八选一模拟多路开关

常用的模拟多路开关介绍第31页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器在A/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路。四、采样保持器（SampleHolder）在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。经过对Vi的采样，V0的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的“小平台”电压供A/D转换器进行A/D转换。

第32页，共47页，2023年，2月20日，星期一采样/保持示意图10.3模/数（A/D）转换器第33页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3模/数（A/D）转换器五、A/D转换器（AnalogtoDigit）

A/D转换器是模/数转换通道的核心环节，其功能是将模拟输入电信号转换成数字量（二进制数或BCD码等），以便由计算机读取、分析处理，并依据它发出对生产过程的控制信号。第34页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.2模/数转换的方法和原理

方法：计数法双积分法逐次逼近法

用软件和D/A转换器来实现A/D转换第35页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.2模/数转换的方法和原理逐次逼近式A/D转换第36页，共47页，2023年，2月20日，星期一

不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、输出以及控制信号的连接方式。从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入的。差动输入有利于克服共模干扰。输入信号的极性有单极性和双极性输入，这由极性控制端的接法决定。10.3.3模/数转换器输入模拟电压的连接第37页，共47页，2023年，2月20日，星期一数据输出线和系统总线的连接（1）在ADC芯片内部，数据输出寄存器具有可控的输出三态门，这类芯片输出线允许和计算机系统的数据总线直接相连，并在转换结束后可以利用输入输出读信号选通三态门，将转换成的数据送到计算机系统的数据总线上。（2）在ADC芯片内部没有可控的输出三态门，输出寄存器直接与芯片数据输出引脚相连，这种芯片的数据输出引脚必须通过外加的三态门才能连到计算机系统的数据总线。

10.3.3模/数转换器第38页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.3模/数转换器

ADC芯片的启动转换信号有电平和脉冲两种形式。设计时应分别对待，对要求用电平启动转换的芯片，如果在转换过程中撤去电平信号，则将停止转换而得到错误的结果。启动信号的供给：

第39页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.3模/数转换器在ADC转换完成后，会发出转换结束信号，以示主机可以从模/数转换器读取转换后的数据。

程序查询方式中断方式CPU等待方式固定的延迟程序方式转换结束信号以及转换数据的读取：第40页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.4模/数转换器0809

ADC0809芯片是CMOS型单片双列直插式模／数转换器件，采用逐次逼近式转换方式，可对8路模拟电压分时进行转换。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到微处理器的数据总线上。

第41页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.4模/数转换器0809主要计数指标：

1）分辨率为8位。

2）最大不可调误差上±1LSB。

3）单电源＋5V。

4）可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容。

5）当用＋5V电源供电时，模拟输入电压范围为0～5V。第42页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.4模/数转换器0809内部结构IN7:IN0AddrCAddrBAddrAALEEOCStartClockD7:D0

①IN0~IN7可输入8路模拟电压；②通道号由地址信号A、B、C译码后选定；

④转换结果送入三态输出锁存器，当输出允许信号OE有效时才输出到数据总线上。③片内有地址锁存和译码器；第43页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.4模/数转换器0809引脚信号第44页，共47页，2023年，2月20日，星期一10.3.4模/数转换器0809转换时序图①首先给ADC通道地址A、B和C，它们在ALE的上升沿被锁存；②然后在ST（startconversion）的下降沿开始转换、且E