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1、第八章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换,黄景涛,河南科技大学电子信息工程学院,第8章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换,8.1 概 述 在工业生产中，往往要对许多自然信号进行研究，例如温度、压力、流量等，称为模拟量。这些模拟量是一些时间连续、取值连续的物理量，不能直接被计算机处理；必须先转化成离散的数字信号，再输入计算机识别和处理；又必须把计算机发出的控制命令等转化为模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这两个过程，都需要数/模和模/数转换接口来完成。,一个实时控制系统的各个环节,一个实时数据采集(测量)系统各个环节,8.2 数/模（D/A）转换器,在计算机系统中，完成数字信号转换成
2、模拟信号的装置叫数/模（D/A）转换器（DAC）。,8.2.1 数/模转换的原理,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（二十进制转换）。数模转换从某种意义上讲就是把二进制的数转换为十进制的数通常用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,运算放大器的工作特点和原理,运算放大器有如下三个特点：开环放大倍数非常高（输入电压很小）输入阻抗非常大（输入电流极小）输出阻抗很小（驱动能力大）虚地运算放大器同相端接地时
3、，用反相端作为输入，由于电压Vi非常小，可认为与接地电位近似相同(与地近似短路)；输入电流很小，即反相端与地非真实短路；上述输入电压近似为0、输入电流也近似为0的情况称为虚地虚地的概念是分析运算放大器工作的基础,运算放大器的工作特点和原理,(a),(b),(c),2.由并联电阻和运算放大器构成的 D/A 转换器,0000到1111得到16种不同的电流,D/A转换的分辨率和精度,分辨率（Resolution）最低位增1所引起的增量和最大输入量的比：分辨率=1/（2n-1）转换精度（Accuracy）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。绝对转换精度：每个输出电压接近理想值
4、的程度相对转换精度：绝对转换精度相对于满量程输出的百分数建立时间（Settling Time）指当输入数字量从0变化到最大时，其模拟输出达到满刻度值上下1/2 LSB对应值时所需要的时间。转换速率:大信号工作时,模拟输出电压的最大变化速度,V/us线性误差：D/A转换时，理论上输出模拟量与对应的输入数字量成线性关系，但实际情况往往不是理想线性。偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。一般用模拟量和理想值的最大差值折合成的数字量表示。,T型电阻网络,电阻网络是D/A转换器的核心最常见的形式有权电阻网络和T型电阻网络4位D/A转换器的T型电阻网络如下图：,IREF,I3,I3,I2,I1,I0,I2
5、,I1,I0,T型电阻网络,从D点看的电阻为R所以有：IREF=VREF/R 根据节点电流定律：I3=I3=IREF/20I2=I2=IREF/4=IREF/22I0=I0=IREF/16=IREF/24,Ki=,1 Ki 接通运放,0 Ki 接通地,8.2.2 数/模转换器件和有关电路,目前市场上的 D/A 转换芯片可以分为两类:一类芯片内部没有数据输入寄存器这类芯片内部结构简单价格比较低廉不能直接和总线相连另一类芯片内部有数据输入寄存器可以直接和系统总线相连,1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用,1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用,局部输出,真正的输出,1.不带数据输入寄
6、存器的 D/A 芯片的使用,输出,1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用,8.7 所示连接。工作时,CPU 先用两条输出指令把数据送到第一级数据缓冲器,然后通过第三条输出指令使数据送到第二级数据缓冲器,从而使 D/A 转换器一次得到 12 位待转换的数据第三条输出指令所执行的是伪输出.它并没有真正把数据总线上的数据送到缓冲器,而仅仅是使缓冲器得到 一个选通信号,从而,使第一级缓冲器的数据打入第二级缓冲器。,1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用,具体程序段如下:MOV AL,DATALOUT PORTL,AL；低 8 位数据送第一级缓冲器MOV AL,DATAHOUT PORTH,
7、AL；高 8 位数据送第一级缓冲器OUT PORT,AL；伪输出，使数据打入第二级缓冲器,2.带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用,2.带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用,DAC0832 的引脚图,DAC0832 的引脚,/CS：片选信号。ILE：允许输入锁存信号。/WR1：写信号1；/WR2：写信号2。/XFER：传送控制信号。DI7DI0：8位数据输入端。Iout1，Iout2：模拟电流输出端Rf：反馈电阻。Vref：基准电压输入端，Vcc：工作电压，+5V+15V。,DAC0832 的工作方式,单缓冲工作方式 双缓冲工作方式直通工作方式,单缓冲方式,单缓冲方式是使输入寄存器或DAC
8、寄存器中的任意一个工作在直通状态，而另一个工作在受控锁存状态。输入数据只经过一级缓冲便进行D/A转换，只执行一次写操作。例如，要使输入寄存器受控而DAC寄存器直通，可将WR2和XFER接数字地，ILE接+5V。此方式适用于只有一个模拟量输出或几个模拟量非同步输出的情形。,返回,双缓冲工作方式,在这种工作方式下，CPU要对DAC0832进行两次写操作。在ILE、-CS、-WR信号有效时，待转换的8位数据输入寄存器中，在-XFER与-WR2信号有效时，又被锁存到8位DAC寄存器中，并送到8位D/A转换器中进行转换。此方式适用于多路D/A同时输出的情形。,返回,8.3 模/数(A/D)转换器,8.3
9、.1 模/数转换涉及的参数 模/数(A/D)转换是指通过一定的电路将 模拟量转变为数字量。主要涉及下面几个参 数：1.转换精度 2.转换率 3.分辨率,几个参数,1分辨率分辨率是指A/D转换器能测量的最小输入模拟量。一个n位A/D转换器，分辨率等于最大允许模拟量输入值（即满量程）除以2n。所以，通常用转换成的数字量位数来表示分辨率。2转换时间转换时间是指从输入转换启动信号开始到转换结束所需要的时间，它反映了ADC转换速度。3精度精度是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字量理论电压值之间的差值，这一差值称为绝对误差。当它用百分数表示时就称为相对误差。,8.3.2 模/数转换的方法和原理,1.
10、计数式 A/D 转换,2.双积分式 A/D 转换,3.逐次逼近式 A/D 转换,4.用软件和 D/A 转换器来实现 A/D 转换,图 8.15 电路逐次逼近A/D 转换软件设计方法,START:XORAX,AX;累加器清零 MOVBL,8OH;初值为 8OH MOVCX,08H;计数初值为 8 AGAIN:ADDAL,BL;计算试探值 MOVBH,AL;保留试探值 OUTPORTA,AL;PORTA 是锁存器的端口地址 INAL,PORTS;PORTS 是输入端口的地址,读取状态值 ANDAL,01;只取状态位,而对其他位屏蔽 JZ END1;如 Do 为 0,则说明试探值太小,故保存此位,;
11、转END1 MOV AL,BL NOTAL;求反 ANDAL,BH;使这次的试探位为 O MOVBH,AL;保存试探值END1:RORBL,1;右移,得到下一个试探值 MOV AL,BH LOOPAGAIN;继续进行试探和测试;后续程序段,8.3.3 模/数转换器和系统连接时要考虑的问题,A/D 芯片和系统连接时,要考虑这些信号的连接问题 1.输入模拟电压的连接 2.数据输出线和系统总线的连接 3.启动信号的供给 4.转换结束信号以及转换数据的读取,8.3.3 模/数转换器和系统连接时要考虑的问题,3）启动信号 A/D转换芯片必须有启动转换的信号，可以分为电平启动信号和脉冲启动信号。电平信号是
12、在整个转换过程中都保持的，一般需要用锁存器把启动信号锁存，使它保持整个转换周期都有效。但有一些A/D转换芯片只要求用脉冲信号来启动。对这种芯片，通常用CPU执行输出指令时所发出的片选信号和写信号即可在片内产生启动脉冲，开始转换。,8.3.3 模/数转换器和系统连接时要考虑的问题,4）转换数据的读取 A/D转换结束时，A/D转换器的EOC信号有效，表示转换完毕。通过判断EOC信号，CPU可以正确的读取转换结果。CPU通常可以用以下三种方式来实现读取。（1）程序查询方式（2）中断方式（3）固定的延迟程序方式,第8章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换接口,D/A和A/D转换应用举例 D/A和A
13、/D转换芯片广泛应用于计算机系统、通信系统、工业控制系统、智能化仪表仪器等领域，例如处理语音信号，波形产生等。,1 D/A和A/D转换应用举例,例 锯齿波信号广泛应用于各种扫描电路。编写一个利用DAC0832芯片产生锯齿波的程序，电压范围为05V，周期任意，DAC0832工作在单缓冲方式，端口地址为0278H。,D/A和A/D转换应用举例,分析：DAC0832的输出电压范围为05V。当输入数字量为最大值255时，输出为5V。则1V的电压对应的数字量为255/5V=33H，4V电压对应的数字量为0CDH。从33H开始往DAC0832输出数据，每次加1，直到最大值0CDH，然后再从33H开始下一个
14、周期。参考程序如下：,D/A和A/D转换应用举例,MOV DX，0278HREP：MOV AL，33HAGAIN：OUT DX，AL INC AL CALL DELAY CMP AL，0CDH JNA AGAIN JMP REPDELAY：MOV CX，100D1：LOOP D1 RET;见课本340页例，是否有问题,D/A和A/D转换应用举例,例 2:用不带可控三态门的 A/D 转换器实现 A/D 转换,且分别采用程序查询方式来读取转换结果。分析：AD570 内部带有三态输出门,但不是外部可控的。A/D 转换结束时,三态门会自动接通,因此,从转换结束到取走数据这段时间内,输出数据线始终被占据
15、,这样,AD570 就不能直接和系统总线相连。,D/A和A/D转换应用举例,D/A和A/D转换应用举例,下面就是用查询方式读取转换结果的程序段:READAD:MOV AL,92H；方式字,使端口 A,B 为输入方；式,端口 C 为输出方式 OUT PORTCT,AL;PPORTCT 为控制口地址,设方式字 MOV AL,01 OUT PORTC,AL;使 PC0 为 1,PORTC 为 C 端口地址 MOV AL,00 OUT PORTC,AL;使 PC0 为 0,启动 A/D 转换 W:IN AL,PORTB;读取端口 B 中的状态 RCR AL,01;如 PB0 为 1,则再查询 JC W
16、 MOV AL,01 OUT PORTC,AL;使 PG 为 1,撤销启动信号 IN AL,PORTA;读取转换数据,8.4 采样保持电路,第8章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换接口,本节小结：在D/A转换中，必须有一个输入锁存器把CPU的输出数据锁存起来，保持到输送新数据为止。有些D/A转换器没有内置锁存器，则必须另外添加。当D/A转换器和A/D转换器的转换位数多于CPU的数据总线位数时，必须把数据分成两段或两段以上，通过不同的锁存器分时进行传送。A/D转换器需要有转换启动信号，对于要求脉冲信号启动的芯片，通常用CPU执行输出指令时所发出的片选信号和写信号即可在片内产生启动脉冲，开始
17、转换。A/D转换结束时，A/D转换芯片会输出转换结束信号，通知CPU读取转换数据。,习题与思考,1D/A转换器和微处理器接口中的关键问题是什么?如何解 决?2A/D转换为什么要进行采样?采样频率应根据什么选定?3A/D转换器和微处理器接口中的关键问题有哪些?4有几种方法解决A/D转换器和微处理器接口中的时间配 合问题?各有何特点?各适用于何种情况?5D/A转换器在微机应用中起何作用?6D/A转换器的分辨率和精度?7D/A转换器和微处理器接口中的关键问题是什么?如何解 决?,运算放大器的工作特点和原理,在同相端接地时,用反相端作为输入端,由于输入电压 Vi十分小,即输入点的电位和地的电位差不多,
18、所以,可以认为输入端和地之间近似短路;另一方面,输入电流也非常小,这说明又不是真的和地短路。一般把这种输入电压近似为 0、输入电流也近似为 O 的特殊情况称为虚地。虚地的概念是分析运算放大器工作情况的基础。,运算放大器的工作特点和原理,输入端有一个电阻Ri,输出端和输入端之间有一个反馈电阻R0,由于 运算放大器的 G 点为虚地,所以,输入电流 Ii=Ui/Ri 由于运算放大器的输入阻抗极大,所以流入运算放大器的电流几乎是 0,这样,可以认为输入电流 Ii 全部流过 R0了,而 R0一端为输出端,一端为虚地,因此,R0上的电压降也就是输出电压U0 由此可求得带有反馈电阻的运算放大器的放大倍数为
19、U0/Ui=-R0/Ri,运算放大器的工作特点和原理,对于输入端具有 4 个支路的运算放大器来说,输出电压为:U0=-(I1+I2+I3+I4)*R0,ADC 0809 内部结构框图,Start CLK,控制与时序,EOC,八路模拟开关,SAR,开关树,256R电阻网络,锁存与 三态 输出,电 源,地址锁存 与译码,D0,：,D7,OE,VCC,END,IN0,：,IN7,AD0,AD1,AD2,ALE,Vrdf+,Vrdf-,模拟到数字转换,8位A/D转换集成电路 ADC 0809,ADC 0809 工作时序,时钟,起动,1/f,tWS,tWALE,ALE,稳定,地址,tS,tH,稳定,比较器内部输入,模拟输入,1/2LSB,t D,输出允许,变换结束 EOC,tEOC,tC,输出,三态,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,模拟到数字转换,8位A/D转换集成电路 ADC 0809,
