第8章—数模及模数转换技术

1、 第8章 数模及模数转换技术8.1 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标8.2 D/A接口技术接口技术8.3 A/D接口技术接口技术第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口8.1 8.1 A/DA/D及及D/AD/A转换器的性能指标转换器的性能指标分辨率（分辨率（ResolutionResolution）转换精度（转换精度（Conversion AccuracyConversion Accuracy） 转换精度指满量程时ADC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。+2LSB 量程量程( (满刻度范围满刻度范围FULL Scale Range)FULL Scale Range) 量程是指输入模

2、拟电压的变化范围。实际的A/D，D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2n。例如12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际的最大输出值为:A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标)(9976. 9409640951021101012V线性度（线性度（LinearityLinearity） 线性度是指ADC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。转换时间（转换时间（Conversion TimeConversion Time） 从发出启动转换开始直至获得稳定的二进代码所需的时间称为转换时间。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口D/AD/A转换器的主要技术指标与转

3、换器的主要技术指标与A/DA/D转换器基本相同转换器基本相同D/AD/A转换器的转换时间又叫转换器的转换时间又叫建立时间建立时间，它是指当输，它是指当输入的二进制代码从最小值突然跳变至最大值时，其入的二进制代码从最小值突然跳变至最大值时，其模拟输出电压相应的满度跳跃并达到稳定所需的时模拟输出电压相应的满度跳跃并达到稳定所需的时间。间。一般而言，一般而言，D/AD/A的转换时间比的转换时间比A/DA/D要短得多。要短得多。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标DACDAC芯片类型及接口方法芯片类型及接口方法各种类型的DAC芯片都具有数字量输入

4、端和模拟量输出端及基准电压端。数字输入端有以下几种类型：无数据锁存器，带单数据锁存器，带双数据锁存器，可接收串行数字输入。模拟量输出有两种方式：电压输出及电流输出。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口在实际应用中，常选用电流输出的在实际应用中，常选用电流输出的DACDAC芯片实现电芯片实现电压输出，如图所示：压输出，如图所示： 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口 无内部数据锁存器的DAC芯片，尤其是分辩率高于8位的DAC芯片，在设计与8位单片机接口时，要外加数据锁存器作为缓冲器。下图是一种单缓冲器接口。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口避免产生毛刺的方法之一是采用双组缓冲器结构

5、，如下图所示。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口单片机先把低8位数据选通输入锁存器1中，然后将高2位数据选通输入锁存器3中，并同时选通锁存器2，执行以下程序完成一次D/A转换MOV DPTR，#6000HMOV A，#DATA8MOVX DPTR，A ；输出低；输出低8位数据位数据INC DPTRMOV A，#DATA2MOVX DPTR，A ；输出高；输出高2位位,并同时输出并同时输出10位数据位数据第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口D/AD/A转换器芯片转换器芯片DAC0832DAC0832DAC0832是一个8位D/A转换器芯片单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准

6、电压的范围为10V电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mA。其内部结构由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口DAC0832是典型的带内部双数据缓冲器的8位D/A芯片。当WR1变为高电平时，输入寄存器便将输入数据锁存。WR2上升沿将输入寄存器的信息锁存在该寄存器中。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口DAC0832DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信号可以构成三种不同的工作方式。 直通方式 WR1= WR2 =0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进

7、入D/A转换器。 单缓冲方式两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态 双缓冲方式 两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口单缓冲方式的接口与应用单缓冲方式的接口与应用1 1单缓冲方式连接单缓冲方式连接所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控锁存方式。为使DAC寄存器处于直通方式，应使WR2 =0和XFER=0。为此可把这两个信号固定接地，或如电路中把WR2与WR1相连，把XFER与CS相连。为使输入寄存器处于受控锁存方式，应把WR1接

8、8051的WR，ILE接高电平。此外还应把CS接高位地址线或地址译码输出，以便于对输入寄存器进行选择。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口DAC0832DAC0832单缓冲方式接口单缓冲方式接口 WR74LS373GDAC0832DI7 0CSXFER1WR2WRVccILEVrefRfbIout1Iout2AGNDDGND-+5VP2.7ALEP080C51Vout第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口2 2单缓冲方式应用举例单缓冲方式应用举例-波形发生器波形发生器在一些控制应用中，需要有一个线性增长的电压（锯齿波）来控制检测过程、移动记录笔或移动电子束等。对此可通过在DAC0832

9、的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，其电路连接如图所示。CSDIODI71WR地址译码输出P0.7 P0.0WRILE VCCVrefRfbIout1Iout22WRXFER-+-+10V-10V10k10k+5V1/2LM324DAC0832第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口图中的DAC0832工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的程序清单如下： MOV A， #00H ；取下限值；取下限值 MOV DPTR，#7FFFH；指向；指向0832口地址口地址MM： MOVX DPTR，A；输出；输出 INC A

10、；延时；延时 NOP NOP NOP SJMP MM第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口几点说明：几点说明： (1)(1)程序每循环一次，程序每循环一次，A A加加1 1，因此实际上锯齿波的上，因此实际上锯齿波的上升边是由升边是由256256个小阶梯构成的，但由于阶梯很小，所个小阶梯构成的，但由于阶梯很小，所以宏观上看就如图中所画的先行增长锯齿波。以宏观上看就如图中所画的先行增长锯齿波。 FFHV00HTt第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口（2 2）可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯）可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯齿波的周期。齿波的周期。（3 3）通过）通过A A加加1

11、1，可得到正向的锯齿波，反之，可得到正向的锯齿波，反之A A减减1 1可得到负向的锯齿波。可得到负向的锯齿波。（4 4） 程序中程序中A A的变化范围是的变化范围是0 0255255，因此得到的，因此得到的锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅锯齿波，可锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅锯齿波，可通过计算求的数字量的处置和终值，然后在程序中通过计算求的数字量的处置和终值，然后在程序中通过置初值和终值的方法实现。通过置初值和终值的方法实现。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口产生矩形波电压的产生矩形波电压的参考程序：参考程序： ORG 1100HSTART: MOV DPTR , #7FFFH

12、 ；送；送DAC0832口地址口地址LOOP: MOV A , #dataH ；送高电平数据；送高电平数据 MOVX DPTR , A LCALL DELAYH ；调用延时子程序；调用延时子程序 MOV A , #dataL ；送低电平数据；送低电平数据 MOVX DPTR , A LCALL DELAYL ；调用延时子程序；调用延时子程序 SJMP LOOP第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口执行上述程序就可得到如下图所示的矩形波执行上述程序就可得到如下图所示的矩形波V#dateH#dateLT/2T/2第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口几点说明：几点说明：（1 1）矩形波的低电平

13、的宽度由延时子程序延时的时）矩形波的低电平的宽度由延时子程序延时的时间来决定。间来决定。（2 2）改变延时子程序）改变延时子程序DELAYLDELAYL和的和的DELAYHDELAYH延时时间，延时时间，就可改变矩形波上下沿的宽度。就可改变矩形波上下沿的宽度。（3 3）改变上限值或下限值便可改变矩形波的幅值。）改变上限值或下限值便可改变矩形波的幅值。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口双缓冲方式的接口与应用双缓冲方式的接口与应用 在多路在多路D/AD/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必须转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。采用双缓冲方式。DAC0832DAC0832

14、采用双缓冲方式时，数字量的采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和输入锁存和D/AD/A转换输出是分两步进行的。转换输出是分两步进行的。 第一，第一， CPUCPU分时向各路分时向各路D/AD/A转换器输入要转换的数字转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。量并锁存在各自的输入寄存器中。 第二，第二，CPUCPU对所有的对所有的D/AD/A转换器发出控制信号，使各路转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入输入寄存器中的数据进入DACDAC寄存器，实现同步转换输出寄存器，实现同步转换输出。 下图为两片下图为两片DAC0832DAC0832与与80318031接实现的双缓冲方式连接

15、电接实现的双缓冲方式连接电路，能实现两路同步输出。路，能实现两路同步输出。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口 80518051与与DAC0832DAC0832的双缓冲方式接口的双缓冲方式接口 CSXFERRfbIout1Iout21WR2WRWRDAC0832DAC0832RfbIout1Iout2CSXFERDI7DI01WR2WRDI7DI0-+-+VxVyP0.7 P0.080C51P2.5P2.6P2.7第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口实现两路同步输出的程序如下：实现两路同步输出的程序如下： MOV DPTR，#0DFFFH；送；送0832（1）输入锁存器地址）输入锁存

16、器地址 MOV A，#data1 ；data1送送0832（1）输入锁存器）输入锁存器 MOVX DPTR，A； MOV DPTR，#0BFFFH；送；送0832（2）输入锁存器地址）输入锁存器地址 MOV A，#data2 ；data2送送0832（2）输入锁存器）输入锁存器 MOVX DPTR，A； MOV DPTR，#7FFFH ；送两路；送两路DAC寄存器地址寄存器地址 MOVX DPTR，A ；两路数据同步转换输出；两路数据同步转换输出 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口80518051与与1212位位DACDAC的接口的接口 DAC1208的内部结构和原理的内部结构和原理 D

17、AC1208也是双缓冲器结构增加了一条控制线BYTE1/ BYTE2 同DAC0832类似第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口DAC1208DAC1208内部结构框图内部结构框图 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口 80518051和和DAC1208DAC1208的连接的连接第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口串行串行DACDAC与与80518051单片机的接口单片机的接口 串行接口的DAC芯片MAX517与标准I2C总线兼容具有高达400kbps的通信速率。基准输入可为双极性，输出放大为双极性工作方式第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口MAX517MAX517与与80518

18、051单片机的接口电路单片机的接口电路 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口ADCADC接口技术接口技术阶梯波比较式阶梯波比较式ADC工作原理：工作原理：转换开始时，计数器复转换开始时，计数器复0 0，DACDAC的输出为的输出为Vd=0Vd=0。若输入电压若输入电压ViVi为正，则比较器输出为正，则比较器输出VcVc为正，与门打开，计数为正，与门打开，计数器对时钟脉冲进行计数，器对时钟脉冲进行计数，DACDAC输出即随计数脉冲的增加而增加输出即随计数脉冲的增加而增加当当Vd ViVd Vi时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。第第8章章 AD及及

19、DA转换接口转换接口 ADC0809ADC0809内部逻辑结构内部逻辑结构 ADC0809ADC0809引脚图引脚图 8位A/D转换器三态输出锁存缓冲器地址锁存与译码8位模拟开关Vref(+)12Vref(-)16ADC08097EOCMsbD7D01920211881517141113VccGNDOE910CLKSTART6ALE22ADDC23ADDB24ADDA25IN754321282726IN012345678910111213141516171819202122232425262728ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVccVref(+)

20、GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0D2Vref(-)典型典型A/DA/D转换器芯片转换器芯片ADC0809ADC0809第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口ADC0809ADC0809的工作时序图的工作时序图 ALE地址AD模拟量输入INSTARTEOCOED0 D7数字量输出data第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口 ADC0809ADC0809芯片为芯片为2828引脚为双列直插式封装，其引引脚为双列直插式封装，其引脚排列如图所示。主要信号引脚的功能如下：脚排列如图所示。主要信号引脚的功能如下： ININ7 7ININ0 0模拟量输入通道

21、模拟量输入通道 A A、B B、C C地址线。地址线。 通道端口选择线，通道端口选择线，A A为为低地址，低地址，C C为为 高地址，引脚图中为高地址，引脚图中为ADDAADDA，ADDBADDB和和ADDCADDC。其地址状态与通道对应关系见表。其地址状态与通道对应关系见表9-19-1。 ALEALE地址锁存允许信号。对应地址锁存允许信号。对应ALEALE上跳沿上跳沿，A A、B B、C C地址状态送入地址锁存器中。地址状态送入地址锁存器中。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口 STARTSTART转换启动信号。转换启动信号。STARTSTART上升沿时，复位上升沿时，复位ADC0809

22、ADC0809；STARTSTART下降沿时启动芯片，开始进行下降沿时启动芯片，开始进行A/DA/D转换；在转换；在A/DA/D转换期间，转换期间，STARTSTART应保持低电平。本信号有时简写为应保持低电平。本信号有时简写为ST.ST. D D7 7D D0 0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片单片 机的数据线直接相连。机的数据线直接相连。D D0 0为最低位，为最低位，D D7 7为最高为最高 OEOE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。片机输出转换得到的数据。OE=0OE=

23、0，输出数据线呈高阻；，输出数据线呈高阻；OE=1OE=1，输出转换得到的数据。，输出转换得到的数据。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口 CLKCLK 时钟信号。时钟信号。ADC0809ADC0809的内部没有时钟电路，所需的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz500KHz的时钟信号。的时钟信号。 EOCEOC转换结束信号。转换结束信号。EOC=0,EOC=0,正在进行转换；正在进行转换；EOC=1,EOC=1,转转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作换结束。使用中

24、该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。为中断请求信号使用。 VccVcc +5V +5V电源。电源。 VrefVref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref+5V(Vref(+)(+)=+5V, =+5V, VrefVref(-)(-)=-5V)=-5V)。第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口80518051单片机与单片机与ADC0809ADC0809的接口的接口第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口转换数据的传送：转换数据的传送： （1

25、 1）定时传送方式）定时传送方式 ADC0809 ADC0809转换时间为转换时间为128128s s，可据此设计一个，可据此设计一个延时子程序，延时子程序，A/DA/D转换启动后即调用此子程序接着转换启动后即调用此子程序接着就可进行数据传送。就可进行数据传送。（2 2）查询方式）查询方式 A/D A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如如ADC0809ADC0809的的EOCEOC端。测试端。测试EOCEOC的状态，即可知道转的状态，即可知道转换是否完成，并接着进行数据传送。换是否完成，并接着进行数据传送。（3 3）中断方式）中断方式 把表明转换完成的状态信号（把表明转换完成的状态信号（EOCEOC）作为中断）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。请求信号，以中断方式进行数据传送。 第第8章章 AD及及DA转换接口转换接口A/DA/D转换应用举例转换应用举例 采用中断工作方式对采用中断工作方式对8 8路模拟输入信号依次进行路模拟输入信号依次进行A/DA/D转转换并把转换结果存入内部数据存储器的程序，设数据存换并把转换结果存入内部数据存储器的程序，设