第8章 数模及模数转换

1、第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 第8章 A/D及D/A变换器接口 1.数字到模拟(D/A)变换器 1) D/A变换器的基本原理及技术指标 典型的D/A变换器芯片通常由模拟开关、权电阻网络、缓冲电路等组成，其框图如图1所示。第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图1 典型D/A变换器芯片的组成框图 模拟开关权电阻网络D0数字量输入D1Dn-1参考电源(VREF)缓冲电路VOUT模拟电压输出第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 其中数字量的每一位都对应一个模拟开关。当某位为1时，与其相对应的模拟开关接通，参考电压通过权电阻网络，在输出端产生与该位二进制数相对应的权值电压。当有多位为

2、1时，其相应的各位权值电压经电阻网络求和输出，从而实现数模转换。即 121021()22222REFnnOUTnnVDDDDV其中Di=0或1(i=0，1，2，n-1)。 D/A变换器的主要技术指标有：分辨率、精度、变换时间和动态范围。 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (1)分辨率 分辨率表示D/A变换器的1个LSB(最低有效位)输入使输出变化的程度，通常用D/A变换器输入的二进制位数来描述，如8位、10位、12位等。对于一个分辨率为n位的D/A变换器来说，当D/A变换器输入变化1LSB时，其输出将变化满刻度值的2-n。 (2)精度 精度表示由于D/A变换器的引入，使其输出和输入之间

3、产生的误差。 D/A变换器的误差主要由下面几部分组成： 非线性误差。 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 温度系数误差。 电源波动误差。 完整的D/A变换电路还应包括与D/A芯片输出相接的运算放大器，这些器件也会给D/A变换器带来误差。考虑到这些因素是相对独立的，因此D/A变换器的总精度可用均方误差来表示，可写为： 2总= 2非线性+ 2电源波动+ 2温度漂移+ 2运放 (8-1) 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 若某系统要求D/A变换电路的总误差必须小于0.1%。已知某D/A芯片的最大非线性误差为0.05%。那么根据式(12-1)可以确定，电源波动、温度漂移和运算放大器所引起

4、的均方误差为： 2电源波动+ 2温度漂移+ 2运放 又假设，后三者是相等的，则经计算可得： 2电源波动= 2温度漂移= 2运放=0.05%10.250.75100000010000001000000(8-2)第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (3) 变换时间 (4)动态范围 所谓动态范围，就是D/A变换电路的最大和最小的电压输出值范围。D/A变换电路后接的控制对象不同，其要求也有所不同。 2) 典型的D/A变换器芯片举例 (1)引线及其功能 D/A变换器DAC0832的引线及内部结构简图如图2和3所示。第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图2 DAC0832的引线图 DAC0832

5、1D3RfbDGNDVCCWR2XFER2345678910D2D1D0VREF11121314151617181920CSWR1AGNDILED4D5D6D7IOUT2IOUT1第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图3 DAC0832内部结构图8位输入寄存器4711932010VREFIOUT2IOUT1RfbAGNDVCC(5V或15V)DGND&191217ILELE18位DAC寄存器1316D0D7输入数据CS1WR1118WR2XFERLE2812Rfb(模拟地)(数字地)8位D/A变换网络第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 DAC0832为20条引线的芯片，各引线定义如下

6、： D0D7：8条输入数据线； ILE：输入寄存器选通命令，它与 、 配合使输入寄存器的输出随输入变化； ：片选信号； ：写输入寄存器信号； ：写变换寄存器信号； ：允许输入寄存器数据传送到变换寄存器； CS1WRCS1WR2WRXFER第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 VREF：参考电压输入端，其电源电压可在-10+10V范围中选取； IOUT1、IOUT2：D/A变换器差动电流输出； Rfb：反馈端，接运算放大器输出； AGND：模拟信号地； DGND：数字信号地； VCC：电源电压，可用+5V(或+15V)。第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (2)工作时序 D/A芯片DA

7、C0832的工作时序如图4所示。 图4 DAC0832的工作时序 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (3) DAC0832的几种典型输出连接方式 D/A芯片将数字量转换为模拟量时有两种输出形式，即电流型与电压型。 单极性输出电路。 图5(a)为反相输出电路，其输出电压为： 双极性输出电路。 图5(b)是同相输出电路，其电压输出为： OUTViR(83) 21(1)OUTRViRR(84)第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 图5 单极性输出电路(a)反相输出；(b)同相输出 D/AiVOUTD/AVOUTR(a)(b)RR1R2第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 双极性输出电

8、路。在某些微机应用系统中，要求D/A的输出电压是双极性的，例如要求输出-5+5V。在这种情况下，D/A的输出电路要做相应的变化。图6就是DAC0832双极性输出电路的实例。 图6 双极性输出电路 D/AVOUTVREFA1RfbV1R2R3A2R4VREF第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 由电路参数计算可得到最后的输出电压表达式为：VOUT=-2V1-VREF (85) 设V1为0-5V，则选取VREF为+5V。那么：VOUT=010V-5V=-55V (86) (4) DAC0832与8088微处理器的连接 ；用D/A产生锯齿波的程序 DAOUT：MOV DX，278H ；端口地址送

9、DX MOV AL，00H ；准备起始输出数据 ROUND：OUT DX，AL DEC AL JMP LOOP ；循环形成周期锯齿波 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图7 DAC0832与PC/XT总线的连接图 D0D7VCCILE5VD0D7WR1&111111IOWA9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENCSVREFRfbIOUT1IOUT2A1XFERWR2DGNDAGNDA27.5k15k15k5VVOUT0.1F第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换START：MOV DX，0278HNEXT1：INC AL OUT DX，AL CMP AL，0FFH JNE NEX

10、T1NEXT2：DEC AL OUT DX，AL CMP AL，00H JNE NEXT2 JMP NEXT1 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 2. 模拟到数字(A/D)变换器 A/D变换器与D/A变换器一样，是微机应用系统的一种重要接口。 1) A/D变换器的基本工作原理及结构 (1) A/D变换器的基本工作原理 的定义为： = 最大输入电压 A/D变换器的量化电平数目 (87) 在本例中， 51.224095VmV (88) 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (2)A/D变换器的结构框图 一种逐次反馈型A/D变换器的结构框图如图8所示。从图中可以看到，它由5大部分组成：接

11、口控制逻辑、逐次变换寄存器、D/A变换器、比较器及三态驱动器。在有的A/D变换器芯片中，还包含有参考电源等其他附属电路。 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图8 逐次反馈型A/D变换器结构框图 三 态驱动器D0D7D/A变换器逐次变换寄 存 器接口控制逻 辑控制输入状态输出VREFAIN第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 2) A/D变换器的主要技术指标 (1)精度 A/D变换器的总精度由各种因素引起的误差所决定。这些误差有： 量化误差。 量化误差用绝对误差可表示为： 量化误差=1/2 量化间隔 用相对误差可表示为：量化误差= 0.5 量化电平数目 第第8章章 数模及模数转换数模及

12、模数转换 图9 A/D变换器的转换特性 01234000001101011100模拟量/V数字量(二进制)第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 非线性误差。 电源波动误差。 温度漂移误差。 零点漂移误差。 参考电源误差。 2222212345(89) 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (2) 变换时间(或变换速率) (3) 输入动态范围 一般A/D变换器的模拟电压输入范围大约为05V或010V。 (1) 12位A/D变换器芯片AD574 AD574的引线及功能。 AD574的工作时序。 AD574的应用。 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图10 AD574的引线图 1A0A

13、GNDREFINSTS2345678910CE5VREFOUT192021222324CSDB11111213141516171825262728AD5745V12/8R/C15VBIP10VIN20VINDB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0DGND第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 表1 AD574控制功能状态表 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图11 AD574的工作时序 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换(i)AD574的模拟输入电路模拟输入电路的极性选择输入路数的扩展采样保持电路滤波电容的连接(ii)AD574与CPU连接第第8章章

14、数模及模数转换数模及模数转换 图12 AD574的模拟电压输入(a)单极性输入； (b)双极性输入 REFINREFOUTAD57410VIN20VINBIP1000V10V0V20V15V15V(a)(b)REFINREFOUTAD57410VIN20VINBIP1005V5V10V10V100第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图13 8路模拟开关H1508引线图 UTA0A1A2EN4567121110913314IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7V(12V)V(12V)GND第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 图14 采样保持电路连接

15、AD57410V470pF648LF3983VIN70.10.112V12V采样保持1第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 对应图15的采集变换程序如下： ；对8255初始化，此段程序放在应用程序开始的位置上 INTI55：MOV DX，0063H MOV AL，10011010B OUT DX，AL；控制字写入8255的CR MOV AL，00000001B OUT DX，AL；位控方式，使PC0=1 ；以下是对输入信号进行一次变换的程序第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换D0D7A0A1D0D7RDWRA0A1CSY01CBAG2AGA15A14A13A12A11A10A9A8A7

16、A6A5A4A3A2RESETRESETG2BIOWIOR&74LS138PA0PA1PA7PB0PB1PB2PB3D0D1D7D8D9D10D11PC0PC7STSRINREFOUTBIP10VIN5V5VCER/C12/85VA0CS8255AD574图15 AD547经8255与8088系统总线相连接第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换ACQUQ：MOV DX，0062H MOV AL，00H OUT DX，AL MOV AL，01H OUT DX，AL ；由PC0输出负R/ 脉冲启动变换开始 NOP NOPC第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换WAITS：IN AL，DX ；取

17、STS状态 AND AL，80H ；判断变换结束否? JNZ WAITS；未结束等待 MOV DX，0060H INAL，DX ；读A口，取得A/D变换低8位 MOV BL，AL MOV DX，0061H IN AL，DX AND AL，0FH；读B口，取得高4位 MOV BH，AL RET 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 (2) 8位A/D变换器芯片ADC0809 ADC0809的引脚定义如图16所示。它共有28个引脚，其中： D0(2-8)D7(2-1)：输出数据线； IN0IN7：8路模拟电压输入端； ADDA，ADDBADDC：路地址输入，ADDA是最低位，ADDC是最高位；

18、 START：启动信号输入端，下降沿有效； 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 ALE：地址锁存信号，用来锁存ADDAADDC的地址输入，上升沿有效； EOC：变换结束状态信号，高电平表示一次变换已结束； OE：读允许信号，高电平有效； CLK：时钟输入端； VREF(+)、VREF(-)：参考电压输入端； VCC：5V电源输入； GND：地。 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换1OECLKIN22345678910IN7REF()192021222324IN1111213141516171825262728ADC0809STARTD1IN0ADDCALED7IN3D4D0IN4I

19、N5IN6EOCD8VCCGNDD2REF()D5D6ADDBADDA图17 ADC0808引线图第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换图18 ADC0809工作时序图 第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 结合图18，并假定系统初始化时已将74LS273的Q7初始化为0，则采集程序可如下： ACQ09 ：MOV AX，SEGDATA MOV DS，AX MOV SI，OFFSETDATA MOV BL，0 MOV CL，8 GOON：MOV AL，BL MOV DX，007AH OUT DX，AL；送出路地址第第8章章 数模及模数转换数模及模数转换 OR AL，80H OUT DX，AL ；送ALE上升沿 AND AL，7FH OUT DX，AL；输出START NOP MOV DX，0079H PWAT：INAL，DX；读EOC状态 AND AL，01H JZ PWAT MOV DX，007AH MOV AL，BL第第8章章