第十章模数和数模转换

1、计算机原理与应用第十章 模数和数模转换第十章模/数和数/模转换10.110.210.3的基本概念A/D转换器及其应用D/A转换器及其应用10.1基本概念 模/数(A/D)转换：在现实世界中被控对象或测量对象的有关参数如温度、流量、速度等都是一些连续的模拟量。随着数字信号处理的广泛应用，如语音信号处理、图象信号处理、生物信号处理、 信号处理等，都必须将这些模拟量转换成数字量，然后利用计算机实现各种信息处理。 数/模(D/A)转换：将计算机成模拟量，以便对被控对象进行处理的数字量转换。基本概念1、模拟量输入通道传感器1信号处理1多采样保持器A/D 转换器.路开传感信号关器n处理nD/A 转换器I/

2、O 接口放大驱动电路锁存器2、模拟量输出通道微型计算机工业生产现场系统的组成1. 传感器把各种物理量如温度、等转换成电信号的器件称为传感器。测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻；测量机械力的有传感器、应变片等；测量机械位移的有感应式位移传感器等。2.多路模拟开关如果有多个的或相关的模拟信号源，需要转换成数字形式，为使采样保持器、A/D等后续电路可以公用，这可通过多路模拟开关按序切换来实现。系统的组成3 信号调理器（SIGNAL CONDITIONING ）（1）、极性等转换，以便与A/D变换器所需的完成信号的极性匹配，充分利用A/D精度。从传感器得到的输出信号小至毫伏级、微伏级，必须放大到足够的

3、，才能精确测量。有的信号是双极性，需要进行极性转换变成单极性。信号调理器还阻抗变换作用，后面的负载对传感器的影响。（2） 抑制干扰，提高信噪比，特别是传感器通过较长电缆与计算机相联，共模干扰及高频干扰明显，信号常被淹没。信号调理器应尽量抑制干扰和噪声，不使信号污染。（3）防止混叠现象，即对信号预先进行防混叠波。系统的组成4.采样保持电路 在A/D进行转换时间内，保持输入信号不变的电路称采样保持电路。A/D转换中，采样保持电路对系统的 精度起着决定性的影响。 采样保持电路有两种运行模式，即采样模式和保持模式，它由数字端来选择。在采样模式中，输出随输入变化，通常增益为1；在保持模式中，采样保持电路

4、的输出将保持命令发出时的输出值，直到数字输入端输入了下一个采样命令为止。采样保持电路的组成采样保持电路的组成包括：保持电容器、输入输出缓冲放大器、逻辑输入采样保持电路原理见下图。的开关电路等。采样过程f (t)f *(t)*f (t)(t)O0T2T4T6Ttt(a) 被采样信号(b) 采样开关(c) 采样信号Sf采样保持器的主要参数（1） 孔径时间TAP：从保持命令发出到开关全部断开所需要的时间。这是模式开关从闭合状态到断开状态的过渡时间。将使实际电压值与希望的电压保持值之间产生误差，这将影响转换精度。（2） 捕捉时间TAC：从采样命令发出到采样保持器的输出由保持值达到输入信号当前值所需时间

5、。它与模式开关的接通时间、电容器充电时间常数、保持电容上电压变化幅度有关，这将影响采样频率的提高。（3） 保持电压的衰减率：在保持状态下，由于保持电容器 的漏电和其他杂散漏电流引起的保持电压衰减。10.2A/D转换器及其应用保证正常工作前提下，提高性能： 模拟信号的调理； 采样时钟的处理或转换启动信号的； 数字输出接口处理；接口、状态信号的处理； 减小数字部分对模拟信号的干扰； 电源、地的连接； 参考电压基准。AD转换器参数 量程：输入模拟信号幅度范围，如1V，2V，5V； 带宽：输入模拟信号频率范围，如100MHz，1GHz 转换速率：每秒能进行的转换次数，KHz，MHz，GHz； 分辨率（

6、Resolution）：能够分辨最小信号的能力，用ADC位数或每位对应的电压表示，能引起输出数字值发生一位变化 的最小模拟输入变化。例：位数8位，满量程5V，则其分辨率为8位，5V/(28-1)=19.6mV或AD转换器参数 转换精度（Accuracy） ：AD转换器实际输出值接近理想值的精确程度，用数字量的最低有效位LSB对应的模拟量表示。受分辨率限制，理想转换器输入在0.5 范围内变化时，输出对应同一个值，称其转换精度为0LSB。与此相比较， 输入在1范围内变化时， 输出对应同一个值，称其转换精度为0.5LSB.转换精度与分辨率有关系，但需注意精度和分辨率的区别，例如某ADC具有24位的分

7、辨率，但其精度相当于16 位，低8位表征随机噪声的影响。AD转换器参数 其他参数： 信噪比（SNR） 有效位数（ENOB）非线性（INL） 差分非线性（DNL） 丢码（MissCode） 总谐波失真（THD） 无杂散动态范围（SFDR） 指ADC输入信号的功率与ADC输出信号频谱的最大信号峰值功率之比。这一指标反映的是在ADC输入大信号时，器件对小信号的检测和分辨能力。 供电方式、功耗、时钟、输出数据格式A/D接口电路设计11. ADC0809工作原理及接口ADC0809是采用逐次逼近技术进行A/D转换的CMOS集成芯 片，它转换时间是100us，分辨率为8位，单5V供电，输入模拟电压范围为0

8、5V，内部集成了可以锁存的8路模拟开关，并且还集成了可以锁存的三态缓。ADC0809内部功能框图包括： 8路模拟开关； 地址锁存与译码； 8位A/D转换； 三态输出锁存器。逐次比较式A/D转换器的基本原理模拟电压vi当负启动转换脉冲到来时，逐次逼近寄存器清0; 之后，在CLK时钟脉冲同步下, 该寄存器从开始计数；第一个CLK时钟脉冲同步下，使寄存器输出1000 0000B，经8位D/A转换器转换成相应的电压v0：若v0 vi : 比较器输出负，电路使寄存器输出01000000B;若v0 vi : 比较器输出正，电路使寄存器输出11000000B;即第一个CLK时钟决定了D7=1/0如此，第8个

9、CLK时钟脉冲后， 便将vi转换成了与之对应的D7D0。转换结束, V0=Vi , 比较器输出0，电路立即输出一个低作为转换结束信号，使寄存器输出锁存到缓中，从而得到输出数字量。ADC0809ADC0809各管脚功能 IN0IN7，输入，8路模拟输入 DB0DB7 ，三态输出，A/D转换数据输出线; ADD_A，ADD_B，ADD_C，输入，模拟通道选择线; ALE，输入，地址锁存使能，上升沿将ADD_A、ADD_B、ADD_C三位地址信 号锁存，译码选通对应的模拟通道; REF(+)/REF(-) ， 输入， 基准电压输入端， 要求1 / 2 VREF(+)+VREF(-)=1/2Vc 模拟

10、输入与数字输出的关系为：N(UIN-UREF-)/(UREF+-UREF-)*28例如：UREF+5V， UREF0V，则N UIN/UREF+*28ADC0809各管脚功能 START 输入，转换开始。在模拟通道选通地址锁存之后，向START端加一正脉冲启动转换过程，脉冲上升使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转 换开始； EOC，输出，转换结束信号，在转换进行过程中EOC为低，当转换结束，数据已锁存在输出锁存器之后，EOC变为高状态信号，也可用来申请中断;。EOC作为被的 OE，输入，输出。此端加一高时，可打开ADC0809的输出三态缓，使数据放到数据总线上，以供CPU读入; CLK，输入

11、，时钟; Vcc，GND，电源输入，+5V供电;ADC0809工作时序ADC0809与8255接口电路从0通道输入模拟量, 经ADC0809转换后,送入CPU的程序:MOV OUT MOV OUT ADD OUT SUB OUTLOP： INTEST JZINAL，88H83H，AL AL，00H 81H，AL AL，10H 81H，AL AL，10H81H，AL;8255:方式0,PB输出,PC高4位输入; PB0、PB1、PB2、PB4=0; PB4=0PB4输出 ; PB4=1; PB4=0;读入PC7:转换结束信号1; AL80H: EOC=PC7=1?AL，82HAL，80HLOP;

12、 EOC=PC7=0,循环等待AL，84H; PC7=1,读入ADC0809数字量HLTAD574AAD574A是一种12位的A/D转换。它有如下特点： 逐次逼近转换方式，转换时间为35us； 内部集成了时钟和基准电压电路； 可直接与8位或16位微处理器接口，不需其他逻辑器件； 输入模拟电压范围：单极性0+10V或0+20V；双极性5V或10V 输出可以一次读出全部12位数据，亦可按两个8位方式。AD574原理框图AD574管脚信号-1AD574A的管脚定义如下: DB0DB11，三态输出数据线DB0为LSB,DB11为MSB; CE, CS#,使能输入，高选择输入,低有效；有效。AD574的

13、所有操作都必须使CE#和CS都有效才能进行; R/C#，读据数/转换开始 据,若R/C#0,则为进行转换;信号输入，若R/C#1,则为数 STS 状态信号输出,表示转换器的工作状态,转换开始,STS=1;转换周期完成,STS=0,系统可用此信号进行中断申请或状态信号 A0和12/8#这两个信号转换的长度和数据的格式;AD574管脚信号-2 10VIN模拟输入端,输入电压范围为10V,在单极性工作为010V,双极性工作方式为 5V； 20VIN模拟输入端,输入电压范围为20V,在单极性工作为020V,双极性工作为10V; REF IN基准电压输入,在使用中,可在REF IN和REF OUT之间接

14、一个100欧的可调电阻,进行增益微调; REF OUT 基准电压输出,AD574A电压电路,以供DAC的基准电压,基准电压可以被调到10.00V1%; BIP OFF双极性偏置,在使用中用于偏置的调整; DC数字公共端,AC模拟公共端; Vlogic 逻辑电源,接+5V; VCC VEE电源,可接+12V或+15V; 电源,可接-12V或-15V;AD574逻辑AD574A内部逻辑如下表所示AD574启动转换时序1启动A/D转换3A/D转换结束2 A/D转换开始启动一次转换；若此时A0=1,表明进行8bit转换, A0=0,表明进行12bit转换.2，转换开始后,STS线变为高,直到转换周期完

15、成;转换期间,将忽略新的转换启动信号,且不输出数据缓输出。1，CE和CS#都有效启动转换,图中,CS#=0,R/C#=0, CE 由0变1,AD574读数时序1，周期自CE和R/C#均为高时开始；2，12/8#=1,表明是16位接口方式, 12位转换结果一次读出；3，12/8#=0,表明是8位接口方式, A0=0使能高8位, A0=1使能低4位数据。AD574stand-alone模式操作-1 适合于只有一个AD574的系统,它可以单独占用总线； 在这种方式下, CE和12/8#接高,CS#和A0接低,转换仅用R/C,使用低脉冲；, 当R/C#变低时,转换开始,变三态缓输出。AD574stan

16、d-alone模式操作-2 在这种方式下, CE和12/8#接高,CS和A0接低,转换仅用R/C 当R/C#变,使用高三态缓脉冲；输出上次转换结果, 然,后R/C#变低, 开始下一次转换。AD574与8255A接口AD574的12/ 8接5V，A0接地，工作于12位转换和读出方式。8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端C口上半部分为输入，下半部分为输出。 R/ C ，CSPC0-PC2，CEPC7 STS，检测转换结束8255A系统地址2C0H2C3H。MOV DX,02C2H MOV AL,00H OUT DX,AL NOPNOPMOV AL,04H OUT DX,AL NOPNOP;

17、 令CS,R/C为低,CE=0; C口输出; 令CE=1, 启动转换MOV AL,03H; 令CE=0, CS, R/C1, 启动完毕OUT DX,ALPOLLING:IN AL,DX; C口,STS状态TEST AL,80HJNZ POLLING; STS=1 则等待, 检测下降沿（转换结束）MOV AL,01H; 令CS0, R/C1, 准备读OUT DX,ALNOPMOV AL,05H OUT DX,AL; 令CE=1,读出MOV DX,02C0HIN AL,DX; A口，读高4位DB11-DB8AND AL, 0FH MOV BH,AL INC DXIN AL,DXMOV BL,AL;

18、 存高4位; B口，读低8位DB7-DB0INC DX ；C口MOV AL,03H OUT DX,AL; 使CE=0，CS1, R/C1; 结束读出操作10.3D/A转换器及其应用 D/A转换器接收数字信息，输出一个与数字值成比例的电流或电压信号。 D/A转换器用途： 数字函数发生器 信号源 音频、 工业系统系统DAC的指标 分辨率：DAC能够辨别的最小电压增量，用最低有效位对应的模拟量表示，反应了DAC的灵敏度。满量程VFS ，N位的DAC，分辨率VFS/(2N-1)； 转换精度：表示输出电压接近理想值的程度 相对对转换精度：用数字量最低有效位LSB的一半来表示， 0.5LSB 0.5*(1

19、/2N) (1/2N+1) ； 绝对转换精度：相对转换精度对应的电压值表示，即VFS/ (1/2N+1)； 转换速率和建立时间 转换速率：模拟输出电压的变化速度，V/uS； 建立时间：从输入数字量开始到DA转换完成的时间； 线性误差：在整个量程上，转换输出偏离理想转换特性的最大值，与转换精度有关。DAC0832及其应用DAC0832工作原理及接口电路DAC0832是8位数模转换，片中有R-2R梯形电阻，用以对参考电流进行分流完成数模转换。转换结果以一组差动电流IOUT1和IOUT2输出。DAC0832原理框图LE=1时，寄存器输出；LE=0时，寄存器锁存DAC0832管脚说明 DI0DI7：8

20、位数据输入线； CS#：片选端，低有效，仅用于WR1# ； ILE：数据锁存信号，高有效； WR1#：写信号1端，低有效。用于将输入数据锁存到输入寄存器中，必须与ILE、 CS# 同时有效； WR2#：写信号2端，低有效。只有当 WR2#和XFER#同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过DAC寄存器进行D/A转换； XFER#：传送信号，低有效。用于WR2# 。VREF：参考电压，+10V-10V，此电压愈稳定模拟输出精度越高; IOUT1、IOUT2：模拟电流输出端，与输入端相接; Rfb ：反馈电阻接出端,用于连接运算放大器的输出端(反馈电阻内); VCC ：电源电压，+5+15V;在片

21、AGND、DGND：分别为模拟地和数字地。DAC0832及其应用 内部有两级输入锁存器：输入寄存器和DAC寄存器 有三种工作方式： 直通工作方式 单缓冲工作方式 双缓冲工作方式 双缓冲工作方式优点 转换输出模拟信号的同时，输入新的数据，提高速度 可实现多个模拟输出通道同步输出单缓冲工作方式一个寄存器工作于直通状态，一个工作于受控锁存器状态在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。42DI7DI0IOUT2 +输入DACD/A转换VoD7D0寄存寄存IOUTILE-LELE+5VRFB1WR1IOW&地址译码CSA9A0XFER

22、port&WR2PC总线T2TwT4T1T3转换一个数据的程序段：CLK A15A0D7D0IOWport;取数字量MOVMOV OUTAL, dataDX, port DX, ALPC 总线I/O写时序43PC总线DI7DI0I输入DACD/A转换OUT2+VoD7D0寄存寄存IILE-LELEOUT+5VWR1RFB&CSport地址译码A AXFER90&WR2IOWT2TwT4T1T3CLK A15A0D7D0IOW转换一个数据的程序段：port;取数字量MOV MOVOUTAL, data DX, portDX, ALPC 总线I/O写4时4 序1DAC0832双缓冲工作方式UO=U

23、REF/2nDDAC0832双缓冲工作方式设CS由A9A1经译码产生，DAC的地址范围是228-22FH， 实际只使用228H和229H两个地址。在CPU执行OUT指令时，若A0=0，DAC0832内部LE1有效，数据总线上的值（AL）送入数据输入寄存器; 若A0=1，DAC0832内部LE2 有效，数据输入寄存器的值送DAC寄存器。A0832 MOV OUT MOV OUTEQU 228H DX，A0832+0 DX，AL DX，A0832+1 DX，AL；A0=0；AL的值为待转换的数字；A0=1；AL的值无关当要求多个模拟量同时输出时，可采重缓冲方式。PC总线DAC0832DI7DI0D

24、/A转换D7D0+Vo1+5vCSWR2ILEWR1XFERDAC0832DI7DI0D/A转换地址译码A9+Vo2A0port1+5vCSWR2ILEWR1XFERport2port3IOW47利用上图，将datav1和datav2处的两组数据，转换成模拟量同时输出。codeSEGMENTASSUMECS: code, DS:codeDB11h, 12h, 13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h, 19h, 1Ahdatav1 datav2 start:DB MOV MOV LEA LEA MOV MOV OUT MOV OUT OUT INC INC LOOP MOV I

25、NT ENDS END21h, 22h, 23h, 24h, 25h, 26h, 27h, 28h, 29h, 2AhAX, codeDS, AXSI, data_v1 BX, data_v2 CX, 10;取V1的数据;打开第一片0832第一级锁存;取V2的数据;打开第二片0832第一级锁存next:AL,SIport1,ALAL,BXport2, AL port3, AL SIBXnextAH, 4CH 21H;打开两片0832的第锁存codestart3. 应用举例(调幅）例1连线如图，计算当数字量为0CDH时的输出Vo。数 据 线RFBIOUT1DI0DI7ILE-VoIOUT2+WR1WR2转换一个数据的程序段：port1MOVAL,0CDHort1ALport2 ALVREFCS-5VMOVOUT MOVport2XFERDX,DX,DGNDPC总线OUTDX,DAC083249地址译码D0D7+5V IOWA0A9数据线RFBIOUT1D0 D7DI0 DI7-VoILE +5VIOUT2+IOWWR1WR2port1VREFCSA0 A9-5Vport2XFERDGND 255V REF 256R FB调幅分析： 当数字量为0FFH=255时，I=