第13章 数模和模数转换

1、第第1313章章 模拟接口模拟接口13. 1 模拟输出输入系统模拟输出输入系统13. 3 模模 / 数转换器数转换器13. 2 数数 / 模转换器模转换器 13.1 模拟输入输出系统一、问题的提出：一、问题的提出：在测控系统中，被测控的对象如温度、压力、流量、速度、在测控系统中，被测控的对象如温度、压力、流量、速度、声音等都是连续变化的物理量。这种连续变化的物理量通常声音等都是连续变化的物理量。这种连续变化的物理量通常就是模拟电压或电流，被称做就是模拟电压或电流，被称做“模拟量模拟量”。当用微机实现控制时，微机要求输入的信号是当用微机实现控制时，微机要求输入的信号是“数字量数字量”，它是离散的

2、。它是离散的。能将模拟量转换为数字量的部件称为能将模拟量转换为数字量的部件称为模拟数字转换器模拟数字转换器(Analog to Digit Converter)，简称，简称ADC。将微机的处理结果将微机的处理结果(数字量数字量)进行输出，需要转换成对应的模进行输出，需要转换成对应的模拟量，要使用拟量，要使用数字模拟（数字模拟（D/ADigit to Analog Converter），简称），简称DAC。微机通过微机通过ADC和和DAC电路，与外界模拟电路相连，这就是模电路，与外界模拟电路相连，这就是模拟接口。模拟接口技术是微机在自动控制等领域的应用基础。拟接口。模拟接口技术是微机在自动控制等

3、领域的应用基础。计计算算机机模模拟拟信信号号模模拟拟信信号号A / DD / AA / D ： Analog to DigitalD / A ： Digital to Analog为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？ 压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象DACADC三、数模和模数转换器应用举例三、数模和模数转换器应用举例 二、数模和模数转换的概念和作用二

4、、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量( (电压或电电压或电流流) )，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 D Digital- igital- A Analog nalog C Converteronverter，简称，简称 D/A D/A 转换器或转换器或 DACDAC。 模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的

5、电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 A Analog -nalog -D Digital igital C Converteronverter，简称，简称 A/D A/D 转换器或转换器或 ADCADC。 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标一、一、分辨率分辨率 用输入数字量的用输入数字量的有效位数有效位数来表示分辨率。来表示分辨率。此外，此外， 也可以用也可以用D/A转换器能够分辨出来转换器能够分辨出来的的最小输出电压最小输出电压 (此时输入的数字代码只有最此时输入的数字代码只有最低有效位为低有效位为 1，其余各位都是，其余各位都是 0 ) 与与最大输出最大输出电压电压

6、 (此时输入的数字代码所有各位全是此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比之比来给出分辨率来给出分辨率 。例如，例如，对一个十位对一个十位D/A转换器来说转换器来说 ，210 1110231 0. 001二、转换时间：二、转换时间：指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般电流指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般电流型型D/AD/A转换器在几秒到几百微秒之内；而电压型转换器在几秒到几百微秒之内；而电压型D/AD/A转换器转转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。换较慢，取决于运算放大器的响应时间。DAC DAC 的位数越多，分辨率值就越小，的位数越多，分辨率值就越小，能

7、分辨的最小输出电压值也越小。能分辨的最小输出电压值也越小。三、转换精度：三、转换精度：指指D/A转换器实际输出与理论值之间的误差，转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位（一般采用数字量的最低有效位（LSB，Least Significant Bit）作为衡量单位。转换精度通）作为衡量单位。转换精度通常用输出电压满刻刻度常用输出电压满刻刻度FSR ( Full Scale Range ) 的百分数表示的百分数表示 。例如例如 ，给出转换误差为，给出转换误差为1/2LSB ,这就表示输出这就表示输出模拟模拟 电压的绝对误差等于输入数字代码为电压的绝对误差等于输入数字代码为 0

8、0000001 时时输出电压输出电压的的一半一半 。即是误差为：即是误差为： 1/2*（ VFSR/2位数位数）四、线性误差：四、线性误差：连续的数据送给DAC，应该输出一个线性的变化的模拟电压，而实际上并不是理想线性的。 线性误差 模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。 通常用最大偏差与满量程之间的百分比来表示线性误差。1/2LSBDAC0832是是DAC，内部有，内部有。当。当LE1有有效时，数据进入第一级（数据输入寄存器），当效时，数据进入第一级（数据输入寄存器），当LE2有效时，数据输入寄存器的值进入第二级有效时，数据输入寄存器的值进入第二级（DAC寄存器）。由于寄存器）。由于DA

9、C寄存器的输出直接送寄存器的输出直接送D/A转换器，使转换器，使LE2有效的命令又称有效的命令又称转换命令。转换命令。DAC0832的的IOUT1和和IOUT2（IOUT1+IOUT2=常数），内部提供了一个反馈常数），内部提供了一个反馈电阻电阻R，只需加一个运算放大器，利用内部的反馈，只需加一个运算放大器，利用内部的反馈电阻电阻R即可获得电压输出。即可获得电压输出。1. 使数据输入寄存器工作在锁存状态，使数据输入寄存器工作在锁存状态，DAC寄存器工寄存器工作在不锁存状态作在不锁存状态（LE2始终有效，始终有效，DAC寄存器直通）。寄存器直通）。只使用一级缓冲。适用于大多数情况只使用一级缓冲。

10、适用于大多数情况.2. 使用两级缓冲使用两级缓冲一般接锁存输出一般接锁存输出.注：在DAC实际连接中，要注意区分“模拟地”和“数字地”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。0AL全“1”输出产生例例11.1 图图11.3中所示的为中所示的为DAC0832与与CPU之间的接之间的接口电路，口电路，CPU数据总线数据总线(D0D7)经总线驱动经总线驱动器接至器接至DAC0832的数据端，的数据端，CPU的地址总线的地址总线经地址译码电路产生经地址译码电路产生DAC0832芯片的片选信芯片的片选信号；图中号；图中DAC0832工作在单缓冲方式，当进工作在

11、单缓冲方式，当进行行D/A转换时，转换时，CPU只需将被转换的只需将被转换的8位数据位数据通过通过D0D7经过总线驱动器传给经过总线驱动器传给DAC0832的的数据输入端，并立即启动数据输入端，并立即启动D/A转换，在运放输转换，在运放输出端出端Vout输出对应的模拟电压。输出对应的模拟电压。 MOV BX , ADDR ；要转换的数据单元地址送；要转换的数据单元地址送BXMOV AL , BX ；数据送；数据送ALMOV DX , PORTA ；将端口地址赋给；将端口地址赋给DX OUT DX , AL ；将累加器；将累加器AL的内容送给的内容送给 ；DAC0832，进行，进行D/A转换转换

12、13.2 模数转换 A/D转换的原理很多,常见的有双积分式、逐次逼近式、计数式等。 输出码制有二进制、BCD码等。 输出数据宽度有8位、12位、16位、20位、24位等（二进制）。 A /D 转换的基本原理和一般步骤 基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI A /D 转换的基本原理和一般步骤 “ ”“ ”表示取整。表示取整。 基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI可见，输出数字量可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI 。 称为称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是 ADC 的最小分辨电压。的最小分辨电压。 uDA

13、 /D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn- -1D1D0uI (t)S采样保持电路采样保持电路采样信号是否会丢采样信号是否会丢失原信号的信息呢？失原信号的信息呢？对信号进行量化会对信号进行量化会引起误差吗？引起误差吗？量化误差大小量化误差大小与与 ADC 的位数、的位数、基准电压基准电压 VREF 和量化方法有关。和量化方法有关。 ：当采样频率不小于输入模拟信号频谱当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。不失真地恢复为原模拟信号。 ：因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能

14、被 ULSB 整除，整除， 量化时舍去余数而引起的误差。量化时舍去余数而引起的误差。 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法最大量化误差最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码

15、代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V指指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最大差值。通常用最低有效位最低有效位 LSB 的倍数来表示。的倍数来表示。 ADC主要参数主要参数 2. 相对精度相对精度( (又称转换误差又称转换误差) )

16、指指 ADC 输出数字量的最低位变化一输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。个数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率分辨率 例如例如 最大输入电压为最大输入电压为 5V 的的 8 位位 ADC 的分辨率为：的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。分辨的最小模拟电压值就越小。 例如例如 转换误差不大于转换误差不大于 1/2 LSB，即说明，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过之间的最大误差不超过

17、1/2 LSB。 4500145010 .分辨率分辨率= 409612112 12位位ADC的分辨率的分辨率= 故需选用故需选用1313位位A/DA/D转换器。转换器。ms562161. 转换时间转换时间= 3. 转换时间转换时间 转换速度比较：并联比较型转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型逐次逼近型 双积分型双积分型 数十数十 ns 数十数十 s 数十数十 ms 指指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。转换时间越小，转换速度越高。282

18、7262524232221201912345678910IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLK1112131418171615D4D0VREF-D2VCCVREF+GNDD1ADC0809内部有内部有“8选选1”MUX。当。当ALE信号有效时，信号有效时，ADD_C、ADD_B、ADD_A选择选择IN0IN7。例如。例如ADD_C、ADD_B、ADD_A分别为分别为011时，选择时，选择IN3通道。通道。数字输出：有三态缓冲器，当数字输出：有三态缓冲器，当Enable有效时，从有效时，从D7D0引脚输出转换后的数

19、字。引脚输出转换后的数字。启动信号：启动信号：START。负脉冲启动。负脉冲启动。转换结束信号：转换结束信号：EOC，高电平有效。，高电平有效。ADC 0809的接口设计的接口设计1ADC 0809的接口设计的接口设计通道选择由系统地址信号通道选择由系统地址信号A2A0连至连至ADD_C、ADD_B、ADD_A实现。实现。ALE信号由信号由A12A3经译码经译码后形成的后形成的CS信号和信号和IOW信号或非获得。信号或非获得。设设A12A3=180H时，时，CS有效，以下指令可以执行有效，以下指令可以执行通道选择：通道选择：MOV DX，180H+n ；n=07OUT DX，AL ；AL的值无

20、关的值无关F模数转换模数转换ADC 0809的接口设计的接口设计START信号与信号与ALE信号相连，通道选择的同时，启信号相连，通道选择的同时，启动转换。动转换。转换结束信号转换结束信号EOC接接8255的的PB0，应使用，应使用8255PB工工作在方式作在方式0输入。输入。CPU查询查询PB0即可获知转换是否即可获知转换是否完成。完成。以下指令可以读取转换后的数字：以下指令可以读取转换后的数字：MOV DX，180HIN AL，DXA0809 EQU 180H A8255 EQU 190H ；8255的地址为的地址为190H193HMOV AL，1xxxx01xB ；8255初始化，初始化

21、，PB方式方式0输入输入MOV DX，A8255+3OUT DX, AL；转换通道；转换通道IN5的程序的程序MOV DX，A0809+5OUT DX，AL ；通道选择并启动转换；通道选择并启动转换NEXT：MOV DX, A8255+1 ; 8255PBIN AL，DXAND AL，01HJZ NEXT ; PB0=0, 未完成未完成MOV DX，A0809IN AL，DX ；AL=转换结果转换结果STARTSTART是是ADC0809ADC0809的的A/DA/D转换启动信号，高电平时内部逐次逼近转换启动信号，高电平时内部逐次逼近寄存器清寄存器清0 0，由，由1010变化时开始变化时开始A

22、/DA/D转换，信号宽度转换，信号宽度100ns.CLK100ns.CLK为为时钟信号，最大为时钟信号，最大为600KHz.ADC0809600KHz.ADC0809设图设图10-1210-12所示电路的所示电路的CS=180CS=180187H187H，采用中断方式的采集程序如下：，采用中断方式的采集程序如下：IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7Q0Q1Q2Q31ACLKOEStartALEA0A1A2IRQ2EOC+5V+5V8MHzIORIOW180H187H图10-12 ADC0809典型连接include #include Void interrupt far adc-proc()；Main() void (interrupt far*mode)()； disable()；关中断 mode=getvect(0 x0a)； 取IRQ2中断向量 setvect(0 x0a,adc-proc)；设置中断向量 enable(); 开中断 outportb(0 x180,00); 启动ADC转器，选择IN0通道 while(！Kbhit() 等待键盘 setvect(0 x0a,mode); 有键按下时，恢复IRQ2中断向量 voed interrupt far adc-proc()中断服务程序 unsigne