模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日學(xué)習(xí)目的通過對本章的學(xué)習(xí)，您應(yīng)該能夠達到下列要求：掌握模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道的基本組成、模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標。掌握A/D轉(zhuǎn)換芯AD0809及D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832分別與CPU的連接及應(yīng)用編程第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.1概述模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日含有A/D與D/A轉(zhuǎn)換的監(jiān)控系統(tǒng)

10.1概述第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器必須要將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬的電流或電壓，這個任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片一般內(nèi)部設(shè)有輸入鎖存器，能將計算機輸入給它的數(shù)字量鎖存下來需要有一級功率放大電路，將D/A輸出的電流或電壓放大到足以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器特點：開環(huán)放大倍數(shù)非常高輸入阻抗非常大輸出阻抗很小1.運算放大器的工作特點和原理

10.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日運算放大器的原理

(a)運算放大器的輸入和輸出(b)帶反饋電阻的運算放大器(c)輸入端有4個支路的運算放大器由此可求得帶有反饋電阻的運算放大器的放大倍數(shù)為

10.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日2.由并聯(lián)電阻和運算放大器構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器

(a)最簡單的D/A轉(zhuǎn)換器(b)階梯波電壓

10.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器

3.T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率（Resolution）精度（precision）量程（滿刻度范圍——FullScaleRange）轉(zhuǎn)換時間（ConversionTime）線性度誤差（LinearityError）

第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日1）分辨率（Resolution）

分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量的最小值。它反映了DAC對微小輸入量變化的敏感性。通常用輸出二進制代碼的位數(shù)來表示。例如分辨率是8位、10位、12位等。也可用最小輸出電壓與最大輸出電壓之比的百分數(shù)來表示。對于一個n位DAC，其分辨率為：(1/2n)×量程。位數(shù)越多，分辨率越高。10.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日

精度是指轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對于實際的偏差，精度有兩種表示方法。（1）絕對精度：用最低位（LSB）的倍數(shù)來表示，如±（1/2）LSB或±1LSB等。（2）相對精度：用絕對精度除以滿量程值的百分數(shù)來表示，例如±0.05%等。

注意：分辨率與精度是兩個不同的概念2）精度（precision）10.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日3）量程（滿刻度范圍——FullScaleRange）

量程是指允許輸入模擬電壓的變化范圍。例如，某轉(zhuǎn)換器具有0～10V的單極性輸入模擬電壓的范圍，或-5V～+5V的雙極性范圍，那么，它們的量程都為10V。

10.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日

從啟動轉(zhuǎn)換開始直至轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的二進代碼所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，其轉(zhuǎn)換時間則越長。

5）線性度誤差（LinearityError）

理想的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常用多少LSB表示。

4）轉(zhuǎn)換時間（ConversionTime）10.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用DAC0832是8位雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與微處理器直接接口。

DAC0832的特性參數(shù)：分辨率為8位；可采用雙緩沖、單緩沖或直通三種工作方式；電流穩(wěn)定時間為1μs；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；所有引腳邏輯電平與TTL兼容；＋5V～＋15V單一電源供電，功耗為200mw。第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日DAC0832的功能示意圖

10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用1、DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)12第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用2、DAC0832的引腳功能第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日

3、DAC0832的工作方式

雙緩沖方式雙緩沖工作方式對輸入寄存器和DAC寄存器分別進行控制。10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用10011000110第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日

3、DAC0832的工作方式

雙緩沖方式雙緩沖工作方式對輸入寄存器和DAC寄存器分別進行控制。10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日單緩沖方式在這種工作方式下，使兩個寄存器中的任一個處于直通狀態(tài)。

10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日直通方式這種工作方式是將、、以及引腳都直接接地，ILE接高電平，芯片就處于直通狀態(tài)。輸入數(shù)據(jù)就直接送入D/A轉(zhuǎn)換器進行電流轉(zhuǎn)換。10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用1001001第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用例1、DAC0832的外部鏈接線路如圖所示。要使0832實現(xiàn)一次D/A轉(zhuǎn)換，試編程實現(xiàn)。MOVBX,4000HMOVAL,[BX]MOVDX,PORTAOUTDX,AL第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用例2、產(chǎn)生一個鋸齒電壓。

MOV DX，PORTA；PORTA為D/A端口號

MOV AL，0FFH ；初值為0FFHROTATE：

INC AL OUT DX，AL ；往D/A輸出數(shù)據(jù)

JMP ROTATE如何產(chǎn)生三角波？第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用MOVDX，200H；端口地址ABCD:MOVAL，00HOUTDX，AL；向DAC0832輸出全0CALLDELAY；調(diào)用延時子程序DELAYMOVAL，0FFHOUTDX，AL；向DAC0832輸出全1CALLDELAYJMPABCD例3、假設(shè)DAC0832片選的地址是200H，要求在VOUT輸出方波，編程如下：第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用MOVAL,96HOUTPORT,ALCALLDELAYMOVAL,0E1HOUTPORT,ALCALLDELAYMOVAL,32HOUTPORT,ALCALLDELAY例4、0832轉(zhuǎn)換輸出波形如圖，設(shè)滿量程為5V。試編程實現(xiàn)。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第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：分辨率——轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度以8位ADC為例，當輸入電壓滿刻度為5V時，對輸入模擬電壓的分辨能力為：5V/256≈19.5mV2.

轉(zhuǎn)換時間——完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。如：25us，則轉(zhuǎn)換率為1/25us＝40KHZ3.

轉(zhuǎn)換精度——任一數(shù)值量所對應(yīng)的模擬量輸入實際值與理論值之間的差，通常用數(shù)字量的最低有效位（LSB）來表示，為±1/2LSB。

由于模擬量是連續(xù)的，而數(shù)字量是離散的。所以，在某個范圍內(nèi)的模擬量對應(yīng)于某個數(shù)字量。第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的組成

一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道由傳感器、信號處理、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成。第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日能夠把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓）的器件，由電容、電阻、電感或敏感材料組成，在外加激勵電流或電壓的驅(qū)動下，不同類型的傳感器會隨不同非電物理量的變化，引起傳感器的組成材料發(fā)生改變，使得輸出連續(xù)變化的電流或電壓與非電物理量的變化成正比。一、傳感器（Transducer）10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器由于傳感器組成材料發(fā)生改變引起輸出電流或電壓的變化十分微弱，容易受外界干擾，因此，各種變送器將傳感器與放大電路制作在一起，輸出統(tǒng)一標準的電流或電壓，以便傳輸或直接送A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換。第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器

信號放大處理電路，接在A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間，用于解決以下存在問題：

A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器二者電壓不匹配。如果是電流型輸出傳感器，要進行Ⅰ～Ⅴ變換與放大處理，將電流信號對應(yīng)變換成電壓信號。二、信號放大處理第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（A/D轉(zhuǎn)換）往往要采集多路模擬信號。通常只用一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，輪流選擇輸入信號進行采集，既節(jié)省了硬件開銷，又不影響對系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。許多A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具備多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片可以輪流采集多路模擬輸入信號，如果A/D轉(zhuǎn)換芯片不具有多路轉(zhuǎn)換功能，則在A/D轉(zhuǎn)換之前外加模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器

CD4051B的基本結(jié)構(gòu)CD4051B采用了CMOS工藝，16腳DIP封裝八選一模擬多路開關(guān)

常用的模擬多路開關(guān)介紹第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器在A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣期間，保持被轉(zhuǎn)換輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路。四、采樣保持器（SampleHolder）在采樣狀態(tài)下，電路的輸出跟蹤輸入模擬信號，在保持狀態(tài)下，電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束時刻的瞬時輸入模擬信號，直到進入下一次采樣狀態(tài)為止。經(jīng)過對Vi的采樣，V0的小平臺電壓值保持到下一次的采樣開始，該穩(wěn)定的“小平臺”電壓供A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換。

第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日采樣/保持示意圖10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器五、A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigit）

A/D轉(zhuǎn)換器是模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié)，其功能是將模擬輸入電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（二進制數(shù)或BCD碼等），以便由計算機讀取、分析處理，并依據(jù)它發(fā)出對生產(chǎn)過程的控制信號。第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

方法：計數(shù)法雙積分法逐次逼近法

用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日

不同的芯片具有不同的連接方式，其中最主要的是輸入、輸出以及控制信號的連接方式。從輸入端來看，有單端輸入的，也有差動輸入的。差動輸入有利于克服共模干擾。輸入信號的極性有單極性和雙極性輸入，這由極性控制端的接法決定。10.3.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的連接第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng)總線的連接（1）在ADC芯片內(nèi)部，數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控的輸出三態(tài)門，這類芯片輸出線允許和計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后可以利用輸入輸出讀信號選通三態(tài)門，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)送到計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上。（2）在ADC芯片內(nèi)部沒有可控的輸出三態(tài)門，輸出寄存器直接與芯片數(shù)據(jù)輸出引腳相連，這種芯片的數(shù)據(jù)輸出引腳必須通過外加的三態(tài)門才能連到計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線。

10.3.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC芯片的啟動轉(zhuǎn)換信號有電平和脈沖兩種形式。設(shè)計時應(yīng)分別對待，對要求用電平啟動轉(zhuǎn)換的芯片，如果在轉(zhuǎn)換過程中撤去電平信號，則將停止轉(zhuǎn)換而得到錯誤的結(jié)果。啟動信號的供給：

第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在ADC轉(zhuǎn)換完成后，會發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，以示主機可以從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

程序查詢方式中斷方式CPU等待方式固定的延遲程序方式轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取：第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.4模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809

ADC0809芯片是CMOS型單片雙列直插式模／數(shù)轉(zhuǎn)換器件，采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換方式，可對8路模擬電壓分時進行轉(zhuǎn)換。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到微處理器的數(shù)據(jù)總線上。

第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.4模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809主要計數(shù)指標：

1）分辨率為8位。

2）最大不可調(diào)誤差上±1LSB。

3）單電源＋5V。

4）可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容。

5）當用＋5V電源供電時，模擬輸入電壓范圍為0～5V。第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.4模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)IN7:IN0AddrCAddrBAddrAALEEOCStartClockD7:D0

①IN0~IN7可輸入8路模擬電壓；②通道號由地址信號A、B、C譯碼后選定；

④轉(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出鎖存器，當輸出允許信號OE有效時才輸出到數(shù)據(jù)總線上。③片內(nèi)有地址鎖存和譯碼器；第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.4模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809引腳信號第四十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日10.3.4模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809轉(zhuǎn)換時序圖①首先給ADC通道地址A、B和C，它們在ALE的上升沿被鎖存；②然后在ST（startconversion）的下降沿開始轉(zhuǎn)換、且EOC變