B11第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換

第8章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換8.1概述8.2

數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器8.3

模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(shù)值上都離散的量18.1概述

數(shù)字量數(shù)字量模擬量微型計算機系統(tǒng)多路開關(guān)放大器放大器物理量1物理量2物理量n放大器傳感器傳感器傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器受控對象控制信號模擬量D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動電路…2傳感器測量物理量并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）放大器傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍多路開關(guān)多個現(xiàn)場信號分時連接到A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器周期性采樣連續(xù)信號，并在A/D轉(zhuǎn)換時保持不變放大驅(qū)動電路采用功率放大器，驅(qū)動受控設(shè)備38.2

數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器1.D/A轉(zhuǎn)換的基本原理2．D/A轉(zhuǎn)換器的指標3.D/A轉(zhuǎn)換器DAC083241.D/A轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)字量→按權(quán)相加→模擬量＝1×23＋1×22＋0×21＋1×201101B＝135DAC的核心部件一般需要外接解碼網(wǎng)絡(luò)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)運算放大器精密電壓基準源DAC一般包含集成ADC芯片內(nèi)部一般含有：解碼網(wǎng)絡(luò)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)緩沖寄存器不同的DAC的差別主要表現(xiàn)在：

采用不同的解碼網(wǎng)絡(luò)。6T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)基準電壓電子開關(guān)Iout1Iout27T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF虛地運算放大器等效電阻為RIout1Iout28說明：支路電流Ii或者流入地或者流入虛地，其值恒定不變。當Ii流入虛地時，它成為IOUT1的一部分流經(jīng)反饋電阻，形成輸出電壓的一部分。任一節(jié)點（a、b、c、d）向右看去的等效電阻均為R，且兩個支路的電阻相等均為2R，即電流I每經(jīng)一個節(jié)點即平均分流一次。9電路中總電流I及各節(jié)點的支路電流：I=VREF/RI3=I/2I2=I3/2=I/22I1=I2/2=I/23

I0=I1/2=I/24Iout1=I3+I2+I1+I0 =VREF/R×(1/2+1/22+1/23+1/24)

Rfb=R

Vout=-Iout1×Rfb =-VREF×[(23+22+21+20)/24]Vout=-(D/2n)×VREF102．D/A轉(zhuǎn)換器的指標1）分辨率反映D/A轉(zhuǎn)換的靈敏度，是指D/A轉(zhuǎn)換器能夠辨別的最小電壓增量，通常用最低有效位對應(yīng)的模擬量表示。例如，電壓滿量程是10V，8位D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為39.2mV。在工程中，直接以DAC能轉(zhuǎn)換的二進制位數(shù)表示分辨率。如8、10、12、14、16位DAC。112）轉(zhuǎn)換精度表示輸出電壓接近理想值的程度。絕對轉(zhuǎn)換精度用數(shù)字量的最低有效位（LSB)的一半表示。

即：相對轉(zhuǎn)換精度絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的電壓值表示。

即：

123）轉(zhuǎn)換速率和建立時間轉(zhuǎn)換速率是指模擬輸出電壓的變化速度。建立時間是指輸入代碼為全1時，輸出模擬量達到滿量程值的時所需時間。4）線性誤差輸出特性偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值。一般用折合的輸入數(shù)字量表示。

例：線性誤差小于。13建立時間示意圖

14線性誤差示意圖

理想曲線線性誤差實際曲線數(shù)字入模擬出153.D/A轉(zhuǎn)換器DAC08321）DAC0832的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）DAC0832的工作方式3）DAC0832的電壓輸出電路4）DAC0832的應(yīng)用161）DAC0832的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER17DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明DAC0832內(nèi)部含有：二級鎖存器

（8位輸入寄存器、8位DAC寄存器）一個（R－2R）T型解碼網(wǎng)絡(luò)DAC0832為電流輸出型芯片轉(zhuǎn)換結(jié)果以一對差動電流IOUT1和IOUT2輸出當外接運算放大器時才能得到模擬電壓。DAC0832能直接與微機接口芯片內(nèi)部具有二級鎖存器數(shù)據(jù)輸入電平與TTL電平相兼容18LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout12）DAC0832的工作方式三種工作方式：兩級鎖存、一級鎖存和無鎖存。（1）兩級鎖存方式兩個寄存器異步受控于系統(tǒng)對一個數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換的同時可輸入另一個數(shù)據(jù)。19（2）一級鎖存方式兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個寄存器處于受控狀態(tài)亦可兩個寄存器同步受控于系統(tǒng)。LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout120（3）無鎖存方式兩個寄存器都是直通鎖存器LE1＝1、LE2＝1直通（輸出等于輸入）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1213）DAC0832的電壓輸出電路（1）單極性輸出電路Vout=-Iout1×Rfb=-(D/28)×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF22當VREF固定為某一極性時，輸出模擬電壓的極性是固定的。設(shè)

VREF=-5VD=FFH=255時，最大輸出電壓：

Vmax=(255/256)×5V=4.98VD=00H時，最小輸出電壓：

Vmin=(0/256)×5V=0VD=01H時，一個最低有效位（LSB）電壓：

VLSB=(1/256)×5V=0.02V23（2）雙極性輸出電路R1（R）R3(2R)R2(2R)RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1+I2=024輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量D的關(guān)系:R2=R3=2R1得Vout2=-(2Vout1+VREF)因Vout1=-(D/28)×VREF故

Vout2=(D-27)/27×VREF25Vout2=(D-27)/27×VREFVREF固定在某一極性，輸出信號有正或負兩種可能。當D>=128（80H）時，Vout2與VREF同極性當D<128時，Vout2與VREF反極性DAC0832接成雙極性電壓輸出形式后，輸入8位數(shù)字位的最高位實際為符號位當VREF為正時，D7=1表示正，D7=0表示負當VREF為負時，D7=0表示正，D7=1表示負。26雙極性輸入輸出的對應(yīng)關(guān)系

輸入數(shù)字量D VREF=+5VVREF=-5V００００００００ －5V＋5V ０００００００１

－4.96V＋4.96V

…０１１１１１１１

－0.04V＋0.04V １０００００００0V0V １００００００１

＋0.04V－0.04V

…

１１１１１１１０ ＋4.92V－4.92V １１１１１１１１ ＋4.96V－4.96V 274）DAC0832的使用例：如圖，DAC0832工作于單緩沖方式，雙極性電壓輸出。要求：(1)編寫程序，實現(xiàn)從Vout2輸出鋸齒波；(2)編寫程序，實現(xiàn)從Vout2輸出正弦波；(3)閱讀程序段，判斷從Vout2輸出的波形。2829(1)輸出鋸齒波CODESEGMENT ASSUMECS：CODESTART：MOVCL，0 MOVDX，290HLLL： MOVAL，CL OUTDX，AL INCCL MOVAH，1 INT16H JELLL MOVAH，4CH INT21HCODEENDS ENDSTART輸入數(shù)字量NVREF=5V時VO理想值 ００００００００–5V ０００００００１

–4.96V

…０１１１１１１１

–0.04V １０００００００

0V １００００００１+0.04V

…

１１１１１１１０+4.92V １１１１１１１１

+4.96V 30(2)輸出正弦波DATASEGMENTSINDB80H,96H,0AEH,0C5H,0D8H,0E9H,0F5H,0FDHDB0FFH,0FDH,0F5H,0E9H,0D8H,0C5H,0AEH,96HDB80H,66H,4EH,38H,25H,15H,09H,04HDB00H,04H,09H,15H,25H,38H,4EH,66HDATAENDS CODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART：MOVAX，DATAMOVDS，AXLL：MOVSI，OFFSETSINMOVBH，3231LLL：MOVAL，[SI]MOVDX，290HOUTDX，ALMOVAH，1INT16HJNEEXITMOVCX，30DELAY：LOOPDELAYINCSIDECBHJNZLLLJMPLLEXIT：MOVAH，4CHINT21HCODEENDSENDSTART32(3)閱讀程序段，判斷輸出波形。MOVDX，290HMOVAL，0FFHLOOP1：INCALOUTDX，ALCALLDELAYCMPAL，0FFHJNELOOP1LOOP2：DECALOUTDX，ALCALLDELAYCMPAL，0JNELOOP2JMPLOOP1DELAYPROCMOVCX，20HLOOP3：LOOPLOOP3RETDELAYENDP338.3

模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器1．A/D轉(zhuǎn)換的基本原理2．A/D轉(zhuǎn)換器的指標3．A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809341.A/D轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換的全過程采樣保持量化編碼由采樣保持電路完成由A/D轉(zhuǎn)換電路同時完成采樣：將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量。保持：將采樣得到的模擬量值保持下來使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值。35采樣器輸入輸出波形36量化：用基本的量化電平q的個數(shù)表示采樣——保持電路得到的模擬電壓值。2q3q1q4q4q量化方法：四舍五入或只舍不入由量化產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差，它是原理性誤差4q3q2q1q37編碼：把已量化的模擬數(shù)值用二進制編碼、BCD碼或其他編碼表示。例如：用二進制編碼表示2q3q1q4q010011001100

若將一個模擬電壓用二進制表示，需要一套標準電壓，各電壓之間存在二進制關(guān)系，最小值為量化電平。38A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號進行量化、編碼，轉(zhuǎn)換為N位二進制數(shù)字量信號。常用的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)計數(shù)器式雙積分式逐次逼近式用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)單片集成ADC通常是逐次逼近式ADC。39逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器基本原理從最高位開始逐位試探40收到啟動信號，逐次逼近寄存器清0，使輸出電壓V0為0，啟動信號結(jié)束后開始轉(zhuǎn)換。8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程逐次逼近寄存器D7置1，10000000產(chǎn)生模擬電壓V0VINV0，D7=1保留下來VINV0，D7=0逐次逼近寄存器D6置1，x1000000產(chǎn)生模擬電壓V0VINV0，D6=1保留下來VINV0，D6=041……逐次逼近寄存器D0置1，xxxxxxx1產(chǎn)生模擬電壓V0VINV0，D0=1保留下來VINV0，D0=0經(jīng)過8次比較后，逐次逼近寄存器中得到的值就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。當轉(zhuǎn)換結(jié)束后，控制電路送出一個結(jié)束信號控制將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入輸出緩沖寄存器，得到數(shù)字量輸出。42①D7置1②D7清0/置1，D6置1③D6清0/置1，D5置1④D5清0/置1，D4置1⑤D4清0/置1，D3置1⑥D(zhuǎn)3清0/置1，D2置1⑦D2清0/置1，D1置1⑧D1清0/置1，D0置1⑨D0清0/置1N位A/D轉(zhuǎn)換器完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要進行N次比較，一般需要N+1個CLK周期。432.A/D轉(zhuǎn)換器的指標1）分辨率ADC的分辨率是指它能夠分辨最小的量化信號的能力，一般用位數(shù)來表示。例如，電壓滿量程是5V，8位A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為19.6mV。442）轉(zhuǎn)換精度反映實際輸出接近理想輸出的精確程度。通常用數(shù)字量的最低有效位（LSB）來表示。數(shù)字量的最低有效位的當量Δ：LSB對應(yīng)的模擬量。模擬量在范圍內(nèi)對應(yīng)產(chǎn)生一個數(shù)字量，

則精度為：模擬量在范圍內(nèi)對應(yīng)產(chǎn)生一個數(shù)字量，則精度為：3）轉(zhuǎn)換率1秒時間內(nèi)能完成轉(zhuǎn)換的次數(shù)。453．A/D轉(zhuǎn)換器ADC08091）ADC0809的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）ADC0809與主機的連接及使用3）ADC0809應(yīng)用舉例461）ADC0809的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809地址鎖存和譯碼OE通道選擇開關(guān)ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三態(tài)鎖存緩沖器DACVcc比較器CLKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC47（1）ADC0809的引腳IN0～IN7：8路模擬量輸入線

模擬電壓輸入范圍為0～5V。ADDA～ADDC：3根地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號

上升沿鎖存。START：啟動轉(zhuǎn)換信號

上升沿復(fù)位SAR，下降沿啟動控制邏輯，開始A/D轉(zhuǎn)換工作。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號

在START信號上升沿之后的0～8個時鐘周期內(nèi)，EOC信號由高變低，以指示轉(zhuǎn)換工作正在進行中，當轉(zhuǎn)換完成，EOC再變?yōu)楦唠娖健?8OE：輸出允許，高電平有效

當該信號有效時，打開芯片的三態(tài)門使轉(zhuǎn)換結(jié)果送至數(shù)據(jù)總線。D0～D7：8位數(shù)字量輸出線CLK：外部時鐘輸入線

要求時鐘頻率不能高于640KHZ。VREF（+）、VREF（-）：基準電壓輸入線

提供模擬信號的基準電壓，一般單極性輸入時，VREF（+）接+5V，VREF（-）接地。49（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809的內(nèi)部由三部分組成：8路模擬量輸入選擇與地址鎖存電路8位三態(tài)輸出鎖存緩沖器典型8位逐次逼近ADC8路模擬量輸入選擇與地址鎖存電路實現(xiàn)地址信號ADDA～ADDC的輸入、鎖存及譯碼，選中一路模擬量信號送逐次逼近ADC。508位三態(tài)輸出鎖存緩沖器完成對轉(zhuǎn)換數(shù)字量的鎖存與緩沖。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，控制邏輯把逐次逼近寄存器中的8位二進制數(shù)打入鎖存緩沖器，同時發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。8位逐次逼近ADC由比較器、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹型開關(guān)、逐次逼近寄存器和控制與時序電路組成。該部分完成對某一路模擬量的8次比較，在逐次逼近寄存器中獲得與被轉(zhuǎn)換的模擬量相對應(yīng)的8位二進制數(shù)。256R電阻網(wǎng)絡(luò)和樹型開關(guān)組成片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換器。51（3）ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號52（4）ADC0809的轉(zhuǎn)換公式輸出數(shù)字量輸入模擬電壓53單極性轉(zhuǎn)換示例基準電壓VREF(+)=5V，VREF(－)=0V輸入模擬電壓Vin=1.5V N=(1.5-0)/(5-0)×256 =76.8≈77=4DH54雙極性轉(zhuǎn)換示例

基準電壓VREF(+)=+5V，VREF(－)=-5V

輸入模擬電壓Vin=-1.5VN=(-1.5+5)/(5+5)×256=89.6≈90=5AH552）ADC0809與主機的連接及使用D0～D7200h～207hIRQ2A3～A9譯碼VccD0～D7EOCADDAADDBADDC模擬輸入（0～5V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN3OESTARTGNDVREF(-)

IOR

IOWALED0/A0D1/A1D2/A256（1）產(chǎn)生ALE和START有效信號ADC0809的ADDC、ADDB、ADDA連至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的低三位D2～D0時，CPU執(zhí)行下列程序段：MOVDX，200HMOVAL，03HOUTDX，ALADC0809的ADDC、ADDB、ADDA連至系統(tǒng)地址總線的低三位A2～A0時，CPU執(zhí)行下列程序段：MOVDX，203HMOVAL，03HOUTDX，AL57（2）CPU讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過識別EOC信號，讀ADC0809端口獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果。若DX中存放了ADC0809的端口地址（如200H），CPU執(zhí)行指令：INAL，DX數(shù)據(jù)傳送方式中斷方式程序查詢方式定時方式58①中斷方式將EOC接至8259A，即將EOC作為CPU的中斷請求信號，上升沿觸發(fā)，以中斷方式請求CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)段

adtempdb0 ；給定一個臨時變量代碼段；設(shè)置中斷向量等工作

sti

；開中斷

movdx,200h outdx,al

；啟動A/D轉(zhuǎn)換

…… ；其他工作59Adintproc

sti

pushax pushdx pushds

movax,data

mov

ds,ax

movdx,200h inal,dx

mov

adtemp,al

moval,20h out20h,al popds

popdx popax

iret

Adint

endp60②程序查詢方式將EOC通過三態(tài)門接至系統(tǒng)的一根數(shù)據(jù)總線上如D0。CPU查詢D0位是否為低電平，若為低電平，再查詢D0位是否為高電平，若是則表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU再執(zhí)行讀ADC0809端口的指令即可。61VccD7A3～A9D0～D7D0～D7OEEOCA0A1A2ADDAADDBADDC

譯碼500KHzCLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE+5VIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7220h～227h238h～23fhIORIOW62數(shù)據(jù)段adtempdb0 代碼段

movax,data

mov

ds,ax

movdx,220hstart1: outdx,al

pushdx

movdx,238hstart2: inal,dx

testal,80h

jnzstart2 start3:inal,dx

testal,80h

jzstart3 popdx

inal,dx

mov

adtemp,al63③定時方式已知完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，可用定時器定時大于或等于該轉(zhuǎn)換時間，等待定時時間一到即讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，或定時申請中斷讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。也可在啟動ADC0809后，用軟件延時一個固定時間，然后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。這種方式不用考慮轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。64（3）ADC0809通過8255A與主機的連接653）ADC0809應(yīng)用舉例例1：參圖，編程采樣ADC0809的八路模擬量并將采樣到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)段3000H開始的單元中。66

MOVBX，