第10章数模模数转换器

1、第第10章章 模模/数和数数和数/模转换模转换 2本章重点本章重点 lD/AD/A转换转换的原理，的原理，D/AD/A转换的分辨率和精度的含转换的分辨率和精度的含义义 l计数式计数式A/DA/D转换、双积分式转换、双积分式A/DA/D转换和转换和逐次逼近逐次逼近式式A/DA/D的原理的原理l利用利用软件实现软件实现A/DA/D转换的方法转换的方法 310.1概述概述 模模/ /数和数数和数/ /模模用途用途：控制和测量仪表控制和测量仪表 410.2 数数/模模 (D/A) 转换器转换器 数数/ /模转换的原理模转换的原理 l数字量数字量 模拟量模拟量 把数字量的每一位的代码按照把数字量的每一位

2、的代码按照权权转换成对应的模拟量，转换成对应的模拟量，再把各模拟量相加，这样得到总的模拟量对应要转换的再把各模拟量相加，这样得到总的模拟量对应要转换的数据。数据。 例如例如：二进制到十进制的转换：（：二进制到十进制的转换：（10111011）2 2（1111）1010 D/A D/A转换也利用这个原理。转换也利用这个原理。l转换过程转换过程 通过通过T T型网络型网络实现实现数字量数字量到到模拟电流模拟电流的转换，再通过的转换，再通过运算放大器运算放大器完成完成模拟电流模拟电流到到模拟电压模拟电压的转换。的转换。510.2.1 数数/模转换的原理模转换的原理 l运算放大器的工作特点和原理运算放

3、大器的工作特点和原理 lT T型电阻网络和运算放大器构成的型电阻网络和运算放大器构成的D/AD/A转换器转换器 l分辨率和精度分辨率和精度 lT T型权电阻网络型权电阻网络 61. 运算放大器的工作特点和原理运算放大器的工作特点和原理 特点特点 ：l开环放大倍数非常高开环放大倍数非常高，几千甚至十万，所以正常情况下，几千甚至十万，所以正常情况下输入电压都很小输入电压都很小。l输输入入阻抗非常大阻抗非常大，输入电流几乎为输入电流几乎为0 0。 l输输出出阻抗很小阻抗很小，驱动能力很大。，驱动能力很大。 71. 运算放大器的工作特点和原理运算放大器的工作特点和原理 运算放大器运算放大器有两个有两个

4、输入端输入端：同相端（：同相端（+ +）、反相端（）、反相端（- -）和一个和一个输出端输出端如图如图a.a.同相端接地，输入电压同相端接地，输入电压ViVi非常小，电位接近非常小，电位接近0 0，同，同时，由于输入阻抗很大，输入电流也几乎为时，由于输入阻抗很大，输入电流也几乎为0 0，一般把这，一般把这种电压近似位种电压近似位0 0，输入电流也近似为，输入电流也近似为0 0的情况称为的情况称为虚地虚地。81. 运算放大器的工作特点和原理运算放大器的工作特点和原理 ioiiiiRRVRVRIRV V0000043210)(VRIIII 92. 由由T型电阻网络和运算放大器构成的型电阻网络和运算

5、放大器构成的D/A转换器转换器 权电阻权电阻）（）（则则令令）（）（）（00112233max0123max00REFmax01230REF00123REF00123REF02D2D2D2D15V151D2D4D8DV,R815RVV151D2D4D8DR815RVR1D2D4D8DR8VR8RD4RD2RDRDV oooVV10D/A转换的含义转换的含义若用若用4位二进制转换位二进制转换0150mv的模拟信号，的模拟信号，即即:Vomax=150mv将将0150mv按按2n-1均分，再重新组合均分，再重新组合。）（00112233max02D2D2D2D15V oV数字量数字量 模拟量模拟量

6、0000 0mv0001 10mv0010 20mv0011 30mv 1111 150mv113. T型权电阻网络型权电阻网络 采用采用T T型电阻网络的型电阻网络的D/AD/A转换器转换器 在在D/A转换中，如果采用独立的权电阻，那么对于一个转换中，如果采用独立的权电阻，那么对于一个8位的位的D/A转换器，需要转换器，需要R、 2R、4R、 8R 128R不同不同型号的电阻，工艺上很难保证这么准确的电阻，影响转换的型号的电阻，工艺上很难保证这么准确的电阻，影响转换的绝对精度。绝对精度。实际中，使用实际中，使用T型电阻网络如图：型电阻网络如图：123. T型权电阻网络型权电阻网络 )2222

7、(22)21212121(2)8141211 (216842I012333210 RVRVRVRVRVRVRVREFREFREFREFREFREFREF)2222(22)2222(22Vo001122330300011223330 DDDDRRVRDDDDRVRIREFREF无论无论K打向哪边，都是打向哪边，都是接地，所以接地，所以C点电压不点电压不变，但是输入电流发生变，但是输入电流发生变化变化类似二进制到十类似二进制到十进制的转换进制的转换1310.2.2 D/A转换器的指标转换器的指标 1.1.分辨率分辨率 分辨率分辨率反应反应D/D/转换的灵敏度，是指转换的灵敏度，是指D/AD/A转换

8、器转换器能辨别的最小电压增量，通常用最低有效位对于的能辨别的最小电压增量，通常用最低有效位对于的模拟量表示，如满量程为模拟量表示，如满量程为V VFSFS, ,则则n n位位D/AD/A的分辨率的分辨率 12 nFSV分辨率分辨率例如：例如： 8位位DA满量程满量程10V，那么，那么10V/(28-1)=39.2mv,则分辨率则分辨率39.2mv1410.2.2 D/A转换器的指标转换器的指标 2.2.转换精度转换精度( (绝对和相对绝对和相对) )： （1 1）绝对转换精度）绝对转换精度： 每个输出电压接近理想值的程度，主要与标准电每个输出电压接近理想值的程度，主要与标准电源精度、权电阻的精

9、度有关。源精度、权电阻的精度有关。 （2 2）相对转换精度：）相对转换精度： 绝对精度相对于满量程输出的百分比，又用绝对精度相对于满量程输出的百分比，又用最低最低位位( (LSB)LSB)的几分之几表示，如一个的几分之几表示，如一个D/AD/A的相对转换精的相对转换精度是度是( (LSB)/2LSB)/2，那就意味着可能出现的最大误差是那就意味着可能出现的最大误差是)(满满量量程程输输出出电电压压FSFSFSLSBAnn1222121 1510.2.2 D/A转换器的指标转换器的指标 3.3.转换速率转换速率: : 大信号工作时，模拟输出电压最大变化速度。大信号工作时，模拟输出电压最大变化速度

10、。4.4.建立时间建立时间: 大信号工作时，大信号工作时，D/A输出模拟电压某个标准范围输出模拟电压某个标准范围（终值（终值(LSB)/2）所要的时间。所要的时间。5.5.线性误差线性误差： 在在D/A转换过程中，两个相邻的数之间的差是转换过程中，两个相邻的数之间的差是1，如如果数字量连续变化，在输出模拟电压就线性变化，果数字量连续变化，在输出模拟电压就线性变化，但实但实际输出不是理想的线性，所以把偏离理想的最大值成为际输出不是理想的线性，所以把偏离理想的最大值成为线性误差。线性误差。1610.2.3 DAC0832的工作方式和应用的工作方式和应用 1.1.DAC0832DAC0832的功能结

11、构的功能结构DAC0832的功能示意图17D7D0IOWA9A0AEN系统总线DI07WR1ILECSDAC0832译码器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout 图10-3 DAC0832一级锁存方式连接+5V200H这四个信号共同决定着这四个信号共同决定着DAC0832的工作方式。的工作方式。此时此时表示一级锁存；当四个信号线表示一级锁存；当四个信号线都接地表示无锁存；当四个都接地表示无锁存；当四个线号线都不接地表示二级锁存线号线都不接地表示二级锁存计科（高职）08-1张明霞制作18DAC0832DAC0832有三种工作方式：有三种工作方式：（1 1）

12、两级锁存方式）两级锁存方式（2 2）一级锁存方式）一级锁存方式（3 3）无锁存方式）无锁存方式 注：注：在在DACDAC实际连接中，要注意区分实际连接中，要注意区分“模拟地模拟地”和和“数数字地字地”的连接，为了避免信号串扰，数字量部分只能的连接，为了避免信号串扰，数字量部分只能连接到数字地，而模所量部分只能连接到模拟地。连接到数字地，而模所量部分只能连接到模拟地。 采采用单缓冲方式连接如图用单缓冲方式连接如图10-310-3所示。所示。 利用利用DACDAC可实现任可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如输出锯齿波、三角波的输出锯齿

13、波、三角波的程序段如下：程序段如下： TRG： MOV DX，200H MOV AL，0H TN1： OUT DX，AL INC AL计科（高职）08-1张明霞制作19 JNZ TN1 MOV AL，0FFHTN2： OUT DX，AL DEC AL JNZ TN1 输出锯齿波程序段如下：输出锯齿波程序段如下：TRG： MOV DX，200H MOV AL，0HTN： OUT DX，AL INC AL JMP TN 计科（高职）08-1张明霞制作203. DAC0832的信号的信号下图是下图是DAC0832DAC0832的引脚图的引脚图 21DAC0832信号定义：信号定义： CS#CS# 片

14、选信号片选信号 ILE ILE 允许锁存信号允许锁存信号 WRWR1 1# # 写信号写信号1 1 WRWR2 2# # 写信号写信号2 2 XFER#XFER# 传送控制信号传送控制信号 DIDI7 7DIDI0 0 8 8位的数据输入端位的数据输入端I IOUT1OUT1 模拟电流输出端模拟电流输出端I IOUT2OUT2 模拟电流输出模拟电流输出( (差分方式差分方式) )RFBRFB反馈电阻引出反馈电阻引出 VREFVREF参考电压参考电压V VCCCC电源电源 AGNDAGND模拟地模拟地 DGNDDGND数字地数字地 22DAC0832的外部连接的外部连接 4. DAC0832的外

15、部接线图的外部接线图23编程实现编程实现D/A转换转换例例1 1：实现一次实现一次D/AD/A转换。转换。MOV MOV BXBX，1000H1000H；假设数据放在假设数据放在 1000 1000H H中中MOV MOV ALAL，BXBX ；数据送数据送ALAL中中MOV MOV DXDX，PORTAPORTA；PORTAPORTA为为D/AD/A端口号端口号OUT OUT DX,ALDX,AL 24锯齿电压锯齿电压例例2 2：产生一个锯齿电压产生一个锯齿电压。MOV MOV DXDX，PORTAPORTA；PORTAPORTA为为D/AD/A端口号端口号MOV MOV ALAL，0FFH

16、0FFH；初值为初值为0 0FFHFFHROTATEROTATE：INC INC ALALOUT OUT DXDX，ALAL ；往往D/AD/A输出数据输出数据JMP JMP ROTATE ROTATE 25锯齿电压锯齿电压例例3 3：锯齿周期用延时调整锯齿周期用延时调整。 MOV DX MOV DX，PORTAPORTA；PORTAPORTA为为D/AD/A端口号端口号 MOV AL MOV AL，0FFH0FFH ；初值为初值为0 0FFHFFHROTATEROTATE： INC AL INC AL OUT DX OUT DX，ALAL；往往D/AD/A输出数据输出数据 MOV CX, D

17、ATA ; MOV CX, DATA ;延时常数延时常数 CALL DELAY CALL DELAY JMP ROTATE JMP ROTATE DELAY: LOOP DELAY ;DELAY: LOOP DELAY ;延时子程序延时子程序 RET RET2610.3 模模/数数 (A/D) 转换器转换器 l模模/ /数转换涉及的参数数转换涉及的参数 l模模/ /数转换的方法和原理数转换的方法和原理 l模模/ /数转换器和系统连接时要考虑的问题数转换器和系统连接时要考虑的问题 2710.3.1 模模/数转换涉及的参数数转换涉及的参数 1.1.分辨率分辨率： 能够分辩最小的量化信号能力，常用位

18、数表示，如能够分辩最小的量化信号能力，常用位数表示，如N N为为A/DA/D的分辨率的分辨率2 2N N位位2.2.转换精度转换精度 转换精度反应了转换精度反应了A/DA/D转换的输出接近理想输出的精确程转换的输出接近理想输出的精确程度，通常用度，通常用数字量的最低有效位数字量的最低有效位表示，如果数字量的最低表示，如果数字量的最低有效位对应模拟量的有效位对应模拟量的, ,那么称那么称为为最低有效位当量最低有效位当量。 误差范围误差范围 转换精度转换精度 /2 /2 0 0LSBLSB 3/4 3/4 1/41/4LSBLSB3.3.转换率转换率: :完成一次完成一次A/DA/D转换所用时间的

19、倒数。转换所用时间的倒数。 例如例如: :t=200ns,t=200ns,则转换率则转换率=5=5MHz MHz 例如：例如：4位位A/D来转换来转换150mv,那么，那么，LSB10mv，理论上理论上10mv对应数子量对应数子量0001,实际上实际上515mv都可都可以看成以看成0001,误差误差5mv28 f(t) fs(t) s(t) t s(t) t tA/D转换器工作原理转换器工作原理1）采样）采样29A/D转换器工作原理转换器工作原理采用保持电路两种状态：采用保持电路两种状态：l采样状态采样状态l保持状态保持状态下图为采样保持电路的原理图下图为采样保持电路的原理图 开关闭合：开关闭

20、合：采样采样。输出随输入的变化而变化。输出随输入的变化而变化开关打开：开关打开：保持保持。电容是充电的最终电压值，输出保持不变。电容是充电的最终电压值，输出保持不变。30A/D转换器工作原理转换器工作原理 量化装置X(t)y(t)X(t)y(t) 0 a 2a 3a 4a 5a a 2a 3a 4a 5a2）量化）量化以一定的量化单位，把数值上连续的模拟量以一定的量化单位，把数值上连续的模拟量通过量化装置转变为数值上离散的阶越量的过程。通过量化装置转变为数值上离散的阶越量的过程。3110.3.2 模模/数转换的方法和原理数转换的方法和原理 A/DA/D转换方法：转换方法：l计数式计数式l双积分

21、式双积分式l逐次逼近式逐次逼近式1.1.用软件和用软件和D/AD/A转换器实现转换器实现A/DA/D转换转换321. 计数式计数式A/D转换转换 332. 双积分式双积分式A/D转换转换 (a)电路工作原理 (b) 双积分原理 343. 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换转换 第第1次次用用1000 0000试探试探如果如果小于小于，第第2次次用用1100 0000试探试探如果如果大于大于，第第2次次用用0100 0000试探试探354. 用软件和用软件和D/A转换器来实现转换器来实现A/D转换转换 364. 用软件和用软件和D/A转换器来实现转换器来实现A/D转换转换 逐次逼近过程的例子逐次逼近

22、过程的例子374. 用软件和用软件和D/A转换器来实现转换器来实现A/D转换转换程序如下：程序如下：STARTSTART：XORXOR AXAX，AXAX；累加器清零累加器清零MOVMOV BLBL，80H80H；初值为初值为8080H H（1 1000 0000000 0000）MOVMOV CXCX，08H08H；计数初值为计数初值为8 8AGAINAGAIN：ADDADD ALAL，BLBL；计算试探值计算试探值 MOVMOV BHBH，ALAL；保留试探值保留试探值OUTOUT PORTAPORTA，AL AL ；PORTAPORTA是锁存器地址是锁存器地址ININ ALAL，PORT

23、S PORTS ；PORTSPORTS是输入端口的地址是输入端口的地址ANDAND ALAL，01 01 ；取状态位取状态位D D0 0是标志是标志 384. 用软件和用软件和D/A转换器来实现转换器来实现A/D转换转换JZJZ END1END1 ；如状态位为如状态位为0 0，则说明试探值太小，则说明试探值太小， 存此位存此位 MOVMOV ALAL，BLBLNOTNOT ALAL；求反求反ANDAND ALAL，BHBH；使试探位为使试探位为0 0MOVMOV BHBH，ALAL；保存试探值保存试探值END1END1： RORROR BLBL，1 1；右移，得下一个试探值右移，得下一个试探值

24、(0(01 100 0000)00 0000)MOVMOV ALAL，BH BH ；上次试探值备份上次试探值备份LOOPLOOP AGAINAGAIN；继续进行试探和测试继续进行试探和测试；后续程序段；后续程序段 3910.3.3模模/数转换器和系统连接时要考虑的问题数转换器和系统连接时要考虑的问题 1. 模拟电压输入模拟电压输入2. 数据输出线和系统总线的连接数据输出线和系统总线的连接3. 启动信号的供给启动信号的供给4. 转换结束数据的读取转换结束数据的读取5. 模拟电路和数字电路的接地模拟电路和数字电路的接地4010.3.4 ADC0809 1. ADC0809功能结构功能结构4110.3.4 ADC0809 2. ADC0809和系统的连接和系统的连接4210.3.5 AD5701. 查询查询方式方式读取读取A/D结果结果4310.3.5 AD5701. 查询方式读取查询方式读取A/D结果结果MOV AL，92H；端口端口A B为输入方式；端口为输入方式；端口C为输出方式为输出方式OUT PORTCT，AL；PORTCT为控制口为控制口MO