微型计算机原理及应用08

机原理中南大学中国水利水电出版社1微型计算机原理及应用机原理2第8章

A/D和D/A转换器模拟量到数字量的转换称为模-数（A/D）转换。处理后获得的数字量有时又需要转换成模拟量，这种转换称为数-模（D/A）转换。A/D转换器简称为ADC，D/A转换器简称为DAC，是数字系统和模拟系统的接口电路。8.1

基本概念38.1.1

D/A转换1．转换网络转换网络一般有权电阻转换网络、R-2RT型电阻转换网络和权电流转换网络等几种。（1）权电阻转换网络。权电阻转换网络如图8-1所示机原理机原理S0S1SiSn-1Sn-2I04In-1+-∞+RfvOVREFRn-1Rn-2R1RiR0…

…

IiDn-1

D

n-2

DiD1

D0机原理（2）R-2R电阻转换网络。R-2R电阻网络中串联臂上的电阻为R，并联臂上的电阻为2R，如图8-2所示。Ii2R2R2R2R2R…

…I0S0S1SiSn-1Sn-2In-1+-∞+RfRRRR2RIREFRVREF5IfvODn-1

Dn-2

DID1

D0机原理（3）权电流型转换网络。S3S2S1S0I6-∞+vO图8-3给出了四位权电流型D/A转换器的示意图。高位电流是低位电流的倍数，即各二进制位所对应的电流为其权乘最低位电流。RfD3

D2

D1

D0If-VREF16I8I4I2+2．模拟开关7在D/A转换器中，使用了各种电子模拟开关。有双极型晶体管的，也有MOS管的。3．D/A转换器的输出方式D/A转换器大部分是数字电流转换器，实际应用中通常需要增加输出电路，实现电流电压变换。机原理4．转换精度8D/A转换器转换精度用分辨率和转换误差描述。分辨率。分辨率是D/A转换器在理论上可以达到的精度，定义为电路能分辨的最小输出（△V）和满度输出（Vm）之比：分辨率=1/(2n-1)。D/A转换器的位数n表示了分辨率，分辨率也可以用数字位数表示。转换误差。转换误差用以说明D/A转换器实际上能达机原理到的转换精度。转换误差可用满度值的百分数表示，也可用LSB的倍数表示。如转换误差为(1/2)LSB，表示绝对误差为△V/2。5．集成D/A转换器单片集成D/A转换器的产品种类繁多，按其内部电路结构一般可分为两类：一类集成芯片内部只集成了转换网络和模拟电子开关；另一类则集成了组成D/A转换器的所有电路。AD7520十位D/A转换器属于前一类集成D/A转换器。机原理………………2R2R2R2R2RD0

D1

D2

……

D8

D9-+∞+2R10kW910kW20kWvOVREFR R

R R

RAD7520Rf8.1.2

A/D转换器将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。1．采样和保持采样是将时间连续的模拟量转换为时间上离散的模拟量，即获得某些时间点（离散时间）的模拟量值。机原理-+-+∞∞开关控制电路vOvI

CHSt10vI,

vO02．量化与编码11数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在转换过程中还必须把采样-保持电路的输出电压按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一过程称为数值量化，简称量化。3．A/D转换器机原理按工作原理的不同，A/D转换器可以分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。直接型A/D转换器可以直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器属于这一类。间接型A/D转换器先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型A/D转换器属于间接型A/D转换器。机原理12（1）并行比较型A/D转换器。+优先编码器Q0Q2n-2D1D0Dn-1++Q1Q2n-3C+++---vI(2n-1)△-△/23△/2△/2CP比较器2n-1……位寄存器（2）反馈比较型A/D转换器。反馈比较型A/D转换器的基本原理是计数器产生一个二进制数，经过D/A转换器将该二进制数转换成模拟电压，此模拟电压和输入模拟电压分别送到比较器的不同输入端进行电压比较，根据比较结果控制计数器状态使二进制数逼近输入模拟电压完成A/D转换，计数器中的二进制数即为A/D转换后的数字输出。机原理控制逻辑+Dn-1D0D1Dn-2……寄存器…………vCvAC+-vICPvLD/A转换器13机原理（3）双积分型A/D转换器。双积分型A/D转换器原理图如图8-9所示。Qn-1vI-VREF14-+++&…Q1…Q0S1

RvCvO∞+L0L1n位计数器第n+1位计数器vLCPDS0C-++4．主要技术指标转换精度。A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描述转换精度。转换时间。转换时间是指转换控制信号（vL）到来到A/D转换器输出端得到稳定的数字量所需要的时间。转换时间与A/D转换器类型有关，并行比较型一般在几十个纳秒，逐次比较型在几十个微秒，双积分型在几十个毫秒机原理数量级。5．集成A/D转换器集成A/D转换器品种繁多，选用时应综合各种因素选取集成芯片。一般逐次比较型A/D转换器用得较多，ADC0804就是这类单片集成A/D转换器。ADC0804釆用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100mS，输入电压范围为0～5V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可以直接接在数据总线上。15机原理51661516INTRVIN+CS111

VCCRD212

CLKRWR313CLKIN414D7D6D5D4VIN-717D3AGND818D2VREF/2919D1DGND1020D08.2

基本方法171．D/A转换器在分析D/A转换器时，关键在于转换网络分析，转换网络相应的模拟开关Si合上时流向运算放大器虚地的电流（即Rf上的电流）应与对应二进制码位的权相关联。输入数字信号为自然二进制码时，高位数字位的权是低位数字位的机原理权的2倍，所以高位开关合上流经Rf的电流是低位电流的2倍。权电阻网络各电阻接在虚地和VREF（Di=1）或地（Di=0）之间，所以对应权电阻为20R、21R、…、2n-1R。因为R-2R电阻网络前后级并联臂（2R电阻）上的电流为2倍关系，所以可作为自然二进制码的转换网络。2．A/D转换器A/D转换器分析一般为转换时间、转换精度及分辨率的分析计算，这需要对转换器的工作原理及参数定义有深刻的理解。8.3

A/D与D/A转换接口188.3.1模/数转换芯片（ADC）及其接口技术采样和量化A/D的工作原理（1）分类。按被转换的模拟量类型可分为时间/数字、电压/数字、机械变量/数字等。应用最多的是电压/数字转换器机原理。电压/数字转换器又可分为多种类型：按转换方式可分为：直接转换、间接转换。按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。按转换原理可分为：计数式、比较式。按转换速度可分为：低速、中速、高速。按转换精度和分辨率可分为：3位、4位、8位、10位、12位、14位、16位等。机原理（2）工作原理。1）逐次逼近式ADC原理结构框图如图8-12所示。19机原理202）工作过程。环形计数器。去码/留码控制逻辑。逐次比较过程（完成一个A/D转换）。3．A/D的性能参数和术语分辨率：单位数字量所对应的模拟量增量。量化误差（Quantizing

Error）：量化误差是在A/D转换中由于整量化所产生的固有误差。转换时间（Conversion

Time）：转换时间是指A/D完成一次转换所需要的时间。绝对精度（Relative

Precision）：绝对精度是指A/换器的输出端所产生的数字代码中分别对应于实际需要的模机原理拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差（由于量化，在一定范围内的所有模拟值都产生相同的数字输出，所以这里模拟值都指的是该范围内的中间模拟值）。相对精度（Absolute

Precision）：相对精度指的是度值校准以后任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。对于线性A/D，相对精度就是非线性度。漏码（Missed

Code）：如果模拟输入连续增加（或减小）时，数字输出不是连续增加（或减小）而是越过某一2个1数字，即出现漏码。机原理4．A/D芯片——ADC0808（0809）（1）原理框图，如图8-13所示。22机原理（2）引脚介绍ADC0808/9芯片的引脚图如图8-14所示。23机原理（3）工作时序。工作时序是设计接口电路和编制应用程序的重要依据，ADC-0808/0809的工作时序如图8-15所示。241）送通道码（ALE）。ALE=“0”，A、B、C输入端“关25门”（即通道码不能进入），锁存的是原有的通道码地址（接通的是原来的电压）；ALE=“1”，写入新的模拟量通

道码，即A、B、C的值进入后被锁存，选中某一个，某一

个被接入。2）启动A/D转换（START）。给START一个正脉冲（访问时实现）。机原理3）判断是否转换完毕。判断EOC引脚的状态，用EOC标志信号，典型的有三种方式：用EOC引脚：查询、中断。不直接用EOC引脚：延时。DMA方式。4）CPU读取数据，即输出数据（OE）。ADC0808/9与8088CPU的接口如图8-16所示。机原理26机原理278.3.2数/模转换器芯片（DAC）及其接口技术281．D/A的性能参数和术语分辨率（Resolution）精度（Accuracy）：误差：数据转换器的温度系数：建立时间（Settling

Time）：机原理（6）电源敏感度（Powe