微机原理与接口技术121

2024/7/171微机原理与接口技术第十二章

模数(A/D)和数模(D/A)转换杭州电子科技大学2024/7/1722024/7/173第十二章模数(A/D)和数模(D/A)转换

本章内容提要概述实时控制系统多路模拟开关采样、量化和编码采样保持器D/A转换器数/模转换原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器A/D转换模数转换器原理典型的模/数转换器2024/7/174§12-1概述数字量和模拟量

数字量:01011010、11000011,随时间断续变化的量。模拟量:12.5V、10A、37.5℃、1000m3/s、9.6m/s， 随时间连续变化的量。

数/模转换器DAC和模/数转换器

ADC

将数字量转换为模拟量的器件，DAC或D/A

将模拟量转换为数字量的器件，ADC或A/D2024/7/175§12-1概述控制对象计算机传感器放大滤波多路开关MUX采样保持器S/HA/D转换器I/O接口多路开关MUXD/A转换器I/O接口传感器放大滤波执行部件…2024/7/176一、一个实时控制系统传感器的种类很多：同一种物理量可以用几种不同的传感器来测量,同一种传感器,根据它们的特性又可分成不同的型号。例如,室温和体温常用热敏电阻测量;如果测量的是工业窑炉的炉温,则可选用各种热电偶;压力可以用压阻式、压电式、振动式等压力传感器来测量;若测量人体血压,则应采用专门的血压传感器。此外,还有流量传感器、位移传感器、光电传感器等各种不同功能的传感器。信号的预处理

：信号放大、滤波、电平转换等。多路切换的方法有两种:多路模拟开关MUX(Multiplexer)实现多路信号的切换;另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器(ADC0809,带有8路模拟开关的A/D转换器)。D/A通道中也可以使用多路开关,不过由于D/A转换器比较便宜,实际系统中较少使用多路开关。§12-1概述2024/7/177二、多路模拟开关§12-1概述1．多路开关的作用2．多路开关的工作原理3．多路开关芯片2024/7/1781.多路开关的作用对多个变化较为缓慢的模拟信号进行A/D转换时，利用多路开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换，节省硬件开销。

n选1多路开关采样保持A/D模拟量1模拟量2模拟量n微机系统多路开关在模拟量输入/输出通道中，作用是切换模拟信号，故又称模拟多路开关。二、多路模拟开关§12-1概述2024/7/179二、多路模拟开关用途（作用）:切换模拟信号对于A/D通道来说,需要用多路输入、一路输出的模拟开关,使输入的多路模拟信号轮流与A/D转换器接通。对于D/A通道,则要在D/A转换器之后加一个一路输入、多路输出的模拟开关,使输出的模拟信号轮流分配到各模拟通路。AnalogMultiplexer－N-1，1-N分时使用1端器件典型MUX芯片AD7501/3八选一单向;CD4051、CD40528-1双向切换，它们既可作多路输入、一路输出的模拟开关,也可作一路输入、多路输出的模拟开关。§12-1概述2024/7/17102.多路开关的工作原理电平转换译码驱动A0A1AnS0S1SnOUT多路模拟输入选择控制输入一路模拟输出二、多路模拟开关§12-1概述2024/7/17113.多路开关芯片

4选1：CD4052、AD75028选1：CD4051、AD750116选1:CD4067、AD7506二、多路模拟开关§12-1概述2024/7/1712微机的数据采集与控制系统控制对象D/A放大器执行部件计算机多路开关传感器1放大器1滤波器1模拟量1采样保持A/D传感器n放大器n滤波器n模拟量n2024/7/1713二、多路模拟开关引脚S为选通端,只有当S为低电平时,才能选中某一通道,使开关接通。A2—A0是开关通道号输入端,当A2—A0输入000—111时,分别对应0—7通道上的开关处于闭合状态。通常,S和A2—A0信号由接在CPU数据总线上的一个锁存器提供,这样就可以用输出指令实现通道选择。§12-1概述2024/7/1714多路开关AD4501AD4501真值表I/O7~I/O0

为8路模拟输入I/O为1路模拟输出SA2A1A0选通0000I/O00001I/O10010I/O20011I/O30100I/O40101I/O50110I/O60111I/O71××××CD405116151413121110912345678VDDI/O2I/O1I/O0I/O3A0A1A2I/O4I/O6O/II/O7I/O5SVEEVSS§12-1概述二、多路模拟开关2024/7/1715§12-1概述二、多路模拟开关2024/7/1716§12-1概述二、多路模拟开关CD4051I/O7I/O6

I/O0

I/O

SA2A1A0IN7IN6

...

IN0S/HA/D74LS3734Q3Q2Q1Q4D3D2D1DD3D2D1D0译码器CLK地址总线2024/7/1717

多路模拟开关的典型应用是与采样保持器和A/D转换器配合,构成多路数据采集通道。图12-4是用CD4051作多路开关,构成具有8个输入通道的数据采集电路的例子。经放大、滤波等预处理之后的8路模拟信号IN0—

IN7分别送到CD4051的8个I/O引脚,CPU数据总线的D3—

D0接到锁存器74LS273的输入端。锁存后的D3位4Q与选通端S相连,当D3=0时,S=0,使CD4051选通；D2—D0位经锁存后分别与CD4051的通道号输入端A2—A0相连,实现通道选择。假设锁存器的I/0地址为ADPORT,若要将接在IN6端的模拟信号切换到A/D转换器去,可用如下指令实现:

MOVAL,00000110B;D3必须为0,D2—D0=110,表示通道6OUTADPORT,AL§12-1概述二、多路模拟开关2024/7/1718三、采样、量化和编码§12-1概述微机的数据采集系统2024/7/1719

模拟信号经预处理后从多路开关输出时,信号幅度已达到几伏的数量级,它还必须经过采样、量化和编码的过程才能成为数字量。1.采样和量化

采样就是按相等的时间间隔t从电压信号上截取一个个离散的电压瞬时值,这些值都有精确的大小。严格地讲,必须用无穷多位小数才能真正表示出它们的电压值来,但实际上只能把这些采集下来的电压瞬时值表示到一定的精度。有一个被采样的信号电压的幅度范围为0－7伏,若把它们分为8层,包括电平0V在内,每个分层为1伏,然后看每个采样处于哪个分层之中,该分层的起始电平就是这个采样的数字量。三、采样、量化和编码§12-1概述2024/7/1720三、采样、量化和编码§12-1概述2024/7/1721

将t0时刻采样的实际值变成数字量的过程称为量化。每个分层所包含的最大电压值与最小电压值之差为1伏,它被称为量化单位,用q表示。显然,量化单位越小,一定范围内的电压值被分的层数就越多,采样值的数字量与实际电平之间的误差也越小,精度也就越高。

每个A/D转换器都有一个允许的最大输入电压范围,通常还有一个参考电压VR输入引脚,在输入电压值范围内改变VR的值,可以设定A/D转换器能够转换的电压范围,也即指定它的量程。例如，一个8位的A/D转换器，它将把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0－5V，那么，它能分辨的最小的量化单位（A代表电压量程范围）为：三、采样、量化和编码§12-1概述2024/7/17222.编码经采样和量化后,模拟量转化成了数字量,数字量可以用不同的代码来表示,这就是数字量的编码。编码的形式有好几种,如二进制码,BCD码,ASCII码等。两种最常用的编码形式:自然二进制码双极性二进制编码。三、采样、量化和编码§12-1概述2024/7/1723(1)自然二进制码数据转换中常用二进制小数形式表示数字量,这就是自然二进制码,或称为自然二进制小数码。

n位自然二进制小数码表示一个小数N的形式是:N=d12-1+d22-2+…+dn2-n式中,系数di的取值只有0或1两种可能,它表示二进制小数中第i位上的数码,2-n表示了小数中各位上的加权。第1位加权最大,当di=1时,它对N的贡献(加权)最大,等于1/2,它被称为最高有效位MSB；最右边的第n位的加权最小，等于1/2n，被称为最小有效位LSB，实际上就等于量化单位q。三、采样、量化和编码§12-1概述2024/7/1724三、采样、量化和编码§12-1概述输入模拟量二进制小数输出数码对应电压FSR=+5VFSR=+10V00.000000000.0000.0001/16FSR0.000100010.3120.6252/16FSR0.001000100.6251.2503/16FSR0.001100110.9371.875……………15/16FSR0.111111114.6879.375四位（n=4）二进制小数码的表示2024/7/1725(2)双极性二进制编码如果A/D转化器允许输入双极性信号，如±5V，为了表示Vx的极性，还可用双极性码来表示数字量。常用的双极性二进制编码主要有符号-数值二进制码和偏移二进制码两种编码方式，它们的4位二进制编码如表12-2所示。三、采样、量化和编码§12-1概述2024/7/1726常用的双极性二进制编码表§12-1概述数输入量符号－数值偏移二进制对应电压(V),FSR=+-5V＋7＋7/8FSR01111111+4.375＋6＋6/8FSR01101110+3.750＋5＋5/8FSR01011101+3.125＋4＋4/8FSR01001100+2.500＋3＋3/8FSR00111011+1.875＋2＋2/8FSR00101010+1.250＋1＋1/8FSR00011001+0.62500＋0000010000.000－01000－1-1/8FSR10010111-0.625－2-2/8FSR10100110-1.25－3-3/8FSR10110101-1.875－4-4/8FSR11000100-2.500－5-5/8FSR11010011-3.125－6-6/8FSR11100010-3.750－7-7/8FSR11110001-4.375－8-8/8FSR－0000-5.0002024/7/1727四、采样保持器1.采样过程§12-1概述2024/7/1728

图中,连续的模拟信号x(t)加到采样器的输入端，采样器的输出受采样脉冲S(t)的控制，采样脉冲是一种周期为A，宽度为t0的矩形脉冲序列。每当采祥脉冲出现时，开关S接通t0秒，输入模拟信号可以通过采样器到达输出端；采样脉冲消失时,S断开，采样器无输出。这样，从采样器输入的连续模拟信号在采样脉冲的调制下，在输出端得到宽度为t0，周期为A的脉冲序列x(△)，脉冲序列的幅度被x(△)所调制，这个过程就是采样。x(n△)序列就是采样所得的离散模拟量，这些离散量出现的重复频率就是采样脉冲的频率fs，fs称为采样率,其值为1/△。四、采样保持§12-1概述2024/7/1729

一个模数转换器完成一次模数转换，要进行量化、编码等操作,每种操作均需化费一定的时间,这段时间称为模数转换时间tc。在转换时间tc内,若输入模拟信号比较平坦,即x(t)的变化量△x很小,可认为△x≈0。这样,由采样过程引入的误差可以忽略不计。在这种情况下，模数转换器可直接与采样器的输出端相连。一般将采样开关制作在A/D转换器内部,使采样器和转换器合为一体。当x(t)变化速率较高时,在转换过程中,输入模拟量有一个可观的Ax，结果将会引入较大的误差。也就是说，在A/D转换过程中，加在转换器上的电平在波动，这样，就很难说输出的数字量表示tc期间输入信号上哪一点的电压值，在这种情况下就要用采样保持器来解决这个问题。四、采样保持§12-1概述2024/7/1730四、采样保持器§12-1概述采样保持器电路由模拟开关S,保持电容CH和缓冲放大器A组成。S合上,输入模拟信号Vi通过开关S向保持电容CH充电。由于缓冲放大器的跟随特性,这期间输出电压Vo眼随输入电压Vi而变化。当采样脉冲命令结束后,开关S断开,电容CH上的电压能在一段时间内保持基本不变,缓冲放大器的输出电压Vo便被保持在开关断开前瞬间的值,从而实现了采样和保持的功能。2024/7/17312.采样保持器A/D转换器完成一次转换过程需要一定的时间，在这段时间内,输入端模拟信号的大小应保持不变，否则将影响转换的精度。四、采样保持§12-1概述2024/7/1732§12-2D/A转换器数/模转换原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器2024/7/17331)

原理分析数/模转换原理§12-2DA转换器D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。多数D/A变换器把数字量（如二进制编码）变成模拟电流，如果要将其转换成模拟电压，还要使用电流/电压转换器（I/V）来实现（少数D/A转换器内部有I/V变换电路，可直接输出模拟电压）。I/V转换电路由运算放大器组成。2024/7/1734数字量

D=Dn-1

D1D0B

=Dn-1×2n-1+

+D1×21+D0×20将数字量的每一位按权值转换为对应的模拟量，再将各模拟量相加，所得之和就是整个数字量对应的模拟量。1)

原理分析数/模转换原理§12-2DA转换器D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。输入量是数字量，输出量是模拟量输出量与输入量应成比例关系，即

Vo=D×Vi2024/7/17352)D/A转换电路的组成数/模转换原理§12-2DA转换器ARS1I12RS2I24RS3I38RS4I4d1d2d3d4RfIf∑IO_+VRV02024/7/17362)D/A转换电路的组成数/模转换原理§12-2DA转换器ARS1I12RS2I24RS3I38RS4I4d1d2d3d4RfIf∑IO_+VRV0I0=d1×I1+d2×I2+d3×I3

+

d4×I4

=d1×VR/R+d2×VR/2R+d3×VR/3R+d4×VR/4R

=2VR/R(d12-1+d22-2+d32-3+d42-4)由于流入运放的电流为0，所以If＝I0。因点虚地，V0=-If×Rf若固定VR，则输出电压V0与输入数字量成正比例关系。2024/7/1737数/模转换原理§12-2DA转换器ARS1I12RS2I24RS3I38RS4I4d1d2d3d4RfIf∑IO_+VRV0如果Rf＝R/2，输入数字量d1d2d3d4=1000，VR=+5V，则输出电压:V0＝-I0×Rf

=-2VR/R(1×1/2+0×1/4+0×1/8+0×1/16)=-1/2*VR=-2.5V2024/7/1738当数字量d1d2d3d4为0000B时，Vo=0当数字量d1d2d3d4为1000B时，Vo=-1/2×VR=-2.5V

当数字量d1d2d3d4为1111B时，Vo=-15/16×VR=-4.6875V这样,用二进制数字控制开关的通断,就可产生相应的输出电压信号。但是,与模数转换器只能包含有限数目的分层数那样,数模转换器中的开关和权电阻的数目也是有限的,因此,D/A转换器输出的电压仅是某些固定的值。【例】:参考电压VR=+5V，2024/7/17393)T型网络D/A转换器数字量Vo+-RoVREFSn-1Dn-12RIn-1RSn-2Dn-22RIn-2RS1D12RI1RS0D02RI02RI=VREF/RI/21I/22I/2n-1I/2nIi模拟量模拟开关

T型电阻网络参考电压§12-2DA转换器2024/7/1740

T型电阻网络特点:只有R

和2R

两种电阻;各节点向左和向上看的等效电阻均为2R;整个网络的等效电阻为R§12-2DA转换器2024/7/1741若共有n条分支，各支电流Ij为：Ro§12-2DA转换器

Ii

=

Dn-1×In-1

+Dn-2×In-2+

+D1×I1+D0×I0

=(Dn-1

×2n-1

+

+D1

×21

+D0×20)=DVREF2nRVREF2nRD2024/7/1742数字输入量000001010011100101110111实际满量程标称满量程模拟输出量§12-2DA转换器2024/7/1743二、D/A转换器的技术指标输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率§12-2DA转换器2024/7/1744二、D/A转换器的技术指标输入数字量§12-2DA转换器它包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平等。输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率一般D/A只接收自然二进制编码，少数产品采用双极性二进制编码或BCD编码。输入数据的格式一般都是并行码。输入数据的逻辑电平一般为TTL电平，少数产品还可能接受CMOS或PMOS电平的数字量。2024/7/1745二、D/A转换器的技术指标输出模拟量§12-2DA转换器一般D/A是电流输出型，并会给出在规定的参考电压VR(或Vref)下，输入为满码时的输出电流表达式。输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率D/A

AVfIO1IO2-+V0I/V转换电路的输出电压表达式:V0=

-I0×Rf

=-VR×输入数字量2562024/7/1746二、D/A转换器的技术指标分辨率§12-2DA转换器输入数字量输出数字量分辨率

转换精度线性误差建立时间转换速率指D/A转换器所能产生的最小模拟增量。是数字量最低有效位LSB所对应的模拟值△。分辨率△与输入数字量的的位数n之间的关系：△=FSR/2n(FSR为D/A的满量程)分辨率近似等于输入为满码时的输入电压值。8位D/A的分辨率为：1/28=1/256*FSR=0.39%FSR12位D/A的分辨率为：1/212=1/4096*FSR=0.0244%FSR分辨率与转换器的位数之间具有固定的对应关系，一般简单地用它们的位数来表示。如：D/A分辨率为8，10，12，16等等。2024/7/1747指模拟输出实际值与理想输出值之间的偏差。用于衡量D/A转换器将数字量转换成模拟量时，所得模拟量的精确程度。造成偏差的原因：是由于D/A转换器各个部件具有制作误差,包括零点、线性、温漂等项误差。通常用差值与满量程输出电压或电流的百分比表示。数字量理想值实际值

00h0-0.001V01h-0.039V-0.041V10h-5V-5.002VFFh-9.96V-9.968V转换准确度二、D/A转换器的技术指标§12-2DA转换器输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率2024/7/1748例

若某n位D/A转换器的准确度为1/2LSB，则可能出现的最大偏差△A=

=【注意】：精度与分辨率是两个不同的参数。

精度取决于D/A转换器各个部件的制作误差,

包括零点、线性、温漂等项误差;

分辨率取决于D/A转换器的位数。FS2n12FS2n+1转换精度的表示方法：①用偏差△A与满量程FSR的百分数表示。△A/FSR②用最低位LSB的几分之几表示。转换准确度二、D/A转换器的技术指标§12-2DA转换器输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率2024/7/1749理想情况下DAC的转换特性应该是线性的，但实际上输出特性并非是理想线性的。将实际转换特性偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。数字输入量模拟输出量实际满量程标称满量程000001010011100101110111实际特性理想特性线性误差二、D/A转换器的技术指标§12-2DA转换器输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率线性误差2024/7/1750指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化速度。主要取决于运算放大器的参数。单位V/μs建立时间越大，转换速率越低。应用时，应选择转换速率大于数字输入信号变化率。二、D/A转换器的技术指标§12-2DA转换器输入数字量输出数字量分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率建立时间指从数字输入端发生变化(如从全“0”变为全“1”)

到模拟输出达到稳定(即终值±1/2LSB)所需的时间。转换速率2024/7/1751三、几种典型的D/A转换器D/A转换器的分类几种典型的D/A转换器D/A转换器的工作方式§12-2DA转换器2024/7/17521.D/A转换器的分类按数字量输入方式分

并行输入DAC、串行输入DAC按模拟量输出方式分

电压型输出DAC、电流型输出DAC三、几种典型的D/A转换器§12-2DA转换器2024/7/1753

按分辨率8位、10位、12位、14位、16位、18位、20位……1.D/A转换器的分类三、几种典型的D/A转换器§12-2DA转换器按性能特点分按建立时间低速、中速、高速和超高速型（>100μs、1~100μs、50ns~100μs、<50ns）按转换精度

高精度、超高精度.2024/7/1754

按内部是否有数据输入寄存器分类2024/7/17552、几种典型D/A转换器AD75248位、中速(建立时间1us)、电流型、CMOS工艺、功耗只有10mw,精度为1/8LSB。(2)DAC0832

8位并行、中速(建立时间1us)、电流型、低廉(10~20元)(3)DAC121012位、中速(建立时间1us)、电流型、高分辨率三、几种典型的D/A转换器§12-2DA转换器2024/7/1756(1)、AD75242024/7/1757(1)、AD7524工作原理

CPU把AD7524当成一个由8位数据锁存器构成的输出端口,由地址总线经译码后形成的I/0片选信号与AD7524的CS端相连,赋予它一个端口地址。系统总线的I/0写信号IOW接到它的写使能端WR。设AD7524的口地址为PORT,被转换的8位数字两位DATA，当CPU执行下列指令后

MOV AL, DATA OUT PORT,AL8位输入数据从D7-D0送到D/A转换器，WR和CS有效，转换立即开始，经ts时间后转换结束。从输出端得到一对电流Io1和Io2。因为ts很小，所以指令执行完后，转换也就完成了。

三、几种典型的D/A转换器§12-2DA转换器2024/7/1758(1)、AD75242024/7/1759(1)、AD7524设图12-10中DAC的口地址为8OH,产生锯齿波的程序段为:START:MOV AL,0FFHAGAIN: INC AL OUT 80H,AL CALL DELAY JMP AGAIN2024/7/1760(2)、D/A转换DAC0832芯片8位并行、中速(建立时间1us)、电流型、低廉(10-20元)①

引脚和逻辑结构②

DAC0832与微机系统的连接③应用举例三、几种典型的D/A转换器§12-2DA转换器2024/7/1761

①.

引脚和逻辑结构

20个引脚、双列直插式2024/7/1762①.引脚和逻辑结构20个引脚、双列直插式2024/7/1763Vcc

芯片电源电压,+5V～+15VVREF

参考电压,-10V～+10V

RFB

反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端AGND

模拟信号地DGND

数字信号地2024/7/1764DI7~DI0

数字量输入信号其中:DI0为最低位，DI7为最高位2024/7/1765LE1当ILE、CS、WR1同时有效时,LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化WR1,LE=0，将输入数据锁存到输入寄存器ILE

输入锁存允许信号,高电平有效CS

片选信号,低电平有效WR1

写信号1，低电平有效2024/7/1766LE2XFER

转移控制信号，低电平有效WR2

写信号2，低电平有效当XFER、WR2同时有效时,LE2=1，

DAC寄存器输出随输入而变化；

WR1,LE=0，将输入数据锁存到DAC寄存器，数据进入D/A转换器，开始D/A转换2024/7/1767IOUT1

模拟电流输出端1

当输入数字为全”1”时,

输出电流最大，约为：全”0”时,输出电流为0IOUT2

模拟电流输出端2IOUT1+IOUT2=常数255VREF256RFB2024/7/1768

②.DAC0832与微机系统的连接1)直通方式一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态2)单缓冲工作方式一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态3)双缓冲工作方式两个寄存器均工作于受控锁存器状态，三、几种典型的D/A转换器§12-2DA转换器2024/7/17691)直通工作方式:

两个寄存器工作于直通状态

ILE接高电平,CE、WTZ1、WEL和文FETE都接数字地DAC处于直通方式,