微机接口第9章AD与DA转换ppt课件

1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术徐建平徐建平 成贵学成贵学 第第9章章 A/D与与D/A转换转换 n在微型计算机的输入在微型计算机的输入/ /输出系统中，常输出系统中，常需要把外界连续变化的模拟信号送入计需要把外界连续变化的模拟信号送入计算机进行运算，或者把计算机中经过处算机进行运算，或者把计算机中经过处理的数字信号输出控制某些外设。理的数字信号输出控制某些外设。n完成由模拟信号到数字信号或由数字完成由模拟信号到数字信号或由数字信号到模拟信号转换的过程分别称为模信号到模拟信号转换的过程分别称为模/ /数数A/DA/D转换或数转换或数/ /模模D/AD/A转换。转换。 【本章内容提要】【本章

2、内容提要】 了解了解D/AD/A转换器的基本原理和技术指标转换器的基本原理和技术指标掌握掌握DAC0832DAC0832的工作原理和使用方法的工作原理和使用方法了解了解A/DA/D转换器的基本原理和技术指标转换器的基本原理和技术指标掌握掌握DAC0809DAC0809的工作原理和使用方法的工作原理和使用方法9.1 D/A转换器转换器n9.1.1 D/A转换器概述转换器概述n将数字信号转换成模拟信号的装置称将数字信号转换成模拟信号的装置称为为D/A转换器，简称转换器，简称DAC。 1DAC原理nD/AD/A转换器的工作原理如图转换器的工作原理如图9-19-1所示。所示。n基准电压经过开关接到输入

3、电路上，输入基准电压经过开关接到输入电路上，输入的二进制数的各位数字分别控制一个开关：的二进制数的各位数字分别控制一个开关：值为值为1 1时开关接通，值为时开关接通，值为0 0时开关断开。时开关断开。n输入电流通过一个电阻网络后，各支路的输入电流通过一个电阻网络后，各支路的电流输入运算放大器经过相加和转换，从电流输入运算放大器经过相加和转换，从而实现由数字量到模拟电流或电压的转换而实现由数字量到模拟电流或电压的转换 （1 1权电阻网络权电阻网络n在权电阻网络中，自上而下各支路的电在权电阻网络中，自上而下各支路的电阻值都是前一支路电阻的阻值都是前一支路电阻的2 2倍，如图倍，如图9-29-2所示

4、。所示。n由于输入的二进制数的各位数字的权值由于输入的二进制数的各位数字的权值不同，经过权电阻网络后，各支路可产不同，经过权电阻网络后，各支路可产生与二进制数各位的权成比例的电流。生与二进制数各位的权成比例的电流。n各支路的电流再经过运算放大器相加和各支路的电流再经过运算放大器相加和转换，产生与二进制数成比例的模拟电转换，产生与二进制数成比例的模拟电流或电压。流或电压。 n转换后的输出电压转换后的输出电压V0V0与输入基准电压与输入基准电压VrefVref的关系为：的关系为：n其中，若其中，若DiDi1 1，则开关，则开关SiSi闭合；若闭合；若DiDi0 0，则开关则开关SiSi断开。断开。

5、（2 2T T型电阻网络型电阻网络n常用的方法是采用常用的方法是采用T T型电阻网络，这种方法型电阻网络，这种方法只使用两种阻值的电阻只使用两种阻值的电阻R R和和2R2R），如图），如图9-39-3所示。各处的电压依次为：所示。各处的电压依次为：2DAC技术指标技术指标（1 1分辨率分辨率分辨率指的是输出电压的最小变化量与满量程分辨率指的是输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比，表明了输出电压之比，表明了D/AD/A转换器的一个最转换器的一个最低有效位低有效位LSBLSB使输出变化的程度。使输出变化的程度。分辨率也常用输入二进制数的位数来描述，位分辨率也常用输入二进制数的位数来描述，位数越

6、多，则分辨率越高，转换时对应输入模数越多，则分辨率越高，转换时对应输入模拟信号的电压值越小。拟信号的电压值越小。n例如，例如，8 8位位D/AD/A转换器芯片的满量程电压为转换器芯片的满量程电压为5V5V，n则则DAC0832DAC0832的分辨率为的分辨率为8 8位，或者表示为：位，或者表示为：5V/(28-1)5V/(28-1)19.6mV19.6mV。1258V1258Vn满量程电压指的是，输入二进制数的各位均满量程电压指的是，输入二进制数的各位均为为1 1时的输出电压。时的输出电压。n输出电压的最小变化量指的是，输入的二进输出电压的最小变化量指的是，输入的二进制数只有最低位为制数只有最

7、低位为1 1时的输出电压。时的输出电压。 （2 2转换精度转换精度n转换精度指的是转换精度指的是D/AD/A转换的实际输出模拟值与理转换的实际输出模拟值与理论值之间的最大偏差，表明了论值之间的最大偏差，表明了D/AD/A转换的精确程转换的精确程度。度。n转换精度有两种表示方法：绝对精度和相对精度。转换精度有两种表示方法：绝对精度和相对精度。n绝对精度是指绝对精度是指D/AD/A转换实际输出的模拟值与理论转换实际输出的模拟值与理论值之差，通常以值之差，通常以LSBLSB的分数形式表示。的分数形式表示。n相对精度是指满量程值校准后，实际输出的模拟相对精度是指满量程值校准后，实际输出的模拟值与理论值

8、之差，通常以绝对精度与满量程值与理论值之差，通常以绝对精度与满量程FSRFSR的百分比来度量。的百分比来度量。n例如，满量程值为例如，满量程值为10V10V时，时，n n位位D/AD/A转换器的转换器的精度为精度为1/2 LSB1/2 LSB，则其最大可能误差为：，则其最大可能误差为： n精度为精度为0.05%0.05%表示最大可能误差为：表示最大可能误差为：（3 3转换速率转换速率转换速率是指大信号工作时，模拟输出电压的转换速率是指大信号工作时，模拟输出电压的最大变化速度，单位为最大变化速度，单位为V/sV/s（4 4建立时间建立时间建立时间指的是，当输入数值满量程后，输出建立时间指的是，当

9、输入数值满量程后，输出模拟值稳定到最终值的模拟值稳定到最终值的1/2LSB1/2LSB时所需要的时所需要的时间。该时间是表征时间。该时间是表征D/AD/A转换器性能的重要指转换器性能的重要指标，显然建立时间越大，转换速率越低。标，显然建立时间越大，转换速率越低。（5 5温度灵敏度温度灵敏度温度灵敏度指的是，在满量程时，温度每升温度灵敏度指的是，在满量程时，温度每升高高11，输出模拟值变化的百分数。它反映，输出模拟值变化的百分数。它反映了了D/AD/A转换器对温度变化的灵敏程度。转换器对温度变化的灵敏程度。（6 6输出范围输出范围所谓输出范围，指的是所谓输出范围，指的是D/AD/A转换器输出电压

10、的转换器输出电压的最大范围，一般为最大范围，一般为5V10V5V10V。输出电压一般与。输出电压一般与参考电压、运算放大器的连接方式等有关。参考电压、运算放大器的连接方式等有关。9.1.2 D/A转换器芯片转换器芯片DAC0832nDAC0832DAC0832是电流输出型是电流输出型D/AD/A转换器，它的分辨转换器，它的分辨率为率为8 8位，精度为位，精度为1LSB1LSB，建立时间为，建立时间为1s1s，温度灵敏度为温度灵敏度为202010-6/10-6/，参考电压为，参考电压为10V10V，单电源为，单电源为5V5V15V15V，功耗，功耗20mW20mW。1DAC0832引脚引脚nDA

11、C0832DAC0832是是2020引脚的双列直插式芯片，如图引脚的双列直插式芯片，如图9-49-4所示。各引脚的定义及功能如下。所示。各引脚的定义及功能如下。DI7 DI0DI7 DI0：8 8位数据输入端，与位数据输入端，与CPUCPU数据总数据总线相连。线相连。CSCS：片选信号，输入，低电平有效，与：片选信号，输入，低电平有效，与ILEILE配合决定配合决定WR1WR1是否起作用。是否起作用。ILEILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有：输入锁存允许信号，输入，高电平有效。效。WR1WR1：写信号：写信号1 1，将数据，将数据8 8位输入数据锁存到输入寄位输入数据锁存到输入寄存器中，

12、低电平有效。此信号必须同存器中，低电平有效。此信号必须同CSCS、ILEILE同时同时有效，即当有效，即当CSCS和和WR1WR1同时为低电平、同时为低电平、ILEILE为高电平时，为高电平时，输入数据不锁存；当输入数据不锁存；当WR1WR1变为高电平、变为高电平、ILEILE变为低电变为低电平时，输入数据被锁存在输入寄存器中。平时，输入数据被锁存在输入寄存器中。WR2WR2：写信号：写信号2 2将锁存在输入寄存器中的数据送到将锁存在输入寄存器中的数据送到8 8位位DACDAC寄存器中进行锁存，低电平有效。当寄存器中进行锁存，低电平有效。当WR2WR2与传与传送控制信号送控制信号XFERXFE

13、R同时为低电平时，同时为低电平时，DACDAC寄存器中的寄存器中的数据不锁存；当数据不锁存；当WR2WR2或或XFERXFER变为高电平时，输入寄变为高电平时，输入寄存器中的数据被锁存在存器中的数据被锁存在DACDAC寄存器中。寄存器中。XFERXFER：传送控制信号，输入，低电平有效，与：传送控制信号，输入，低电平有效，与WR2WR2配合产生对配合产生对DACDAC寄存器的锁存信号。寄存器的锁存信号。IOUT1IOUT1：模拟电流输出：模拟电流输出1 1，是逻辑电平为，是逻辑电平为1 1的各位的各位输出电流之和。当输出电流之和。当DACDAC寄存器中各位均为寄存器中各位均为1 1时，输时，输

14、出电流最大；当各位均为出电流最大；当各位均为0 0时，输出电流最小。时，输出电流最小。IOUT2IOUT2：模拟电流输出：模拟电流输出2 2，与，与IOUT1IOUT1之和为一常量。之和为一常量。RFBRFB：反馈电阻引脚，反馈电阻设置在芯片内部，：反馈电阻引脚，反馈电阻设置在芯片内部，将此引脚接到外部运算放大器的输出端，与运算将此引脚接到外部运算放大器的输出端，与运算放大器配合构成电流放大器配合构成电流/ /电压转换器。电压转换器。VREF：参考电压输入端，输入电压范围：参考电压输入端，输入电压范围为为10V10V。VCC：芯片电源电压，范围为：芯片电源电压，范围为5V15V。AGND：模拟

15、地，模拟电路接地端。：模拟地，模拟电路接地端。DGND：数字地，数字电路接地端。：数字地，数字电路接地端。2DAC0832的内部结构nDAC0832DAC0832的内部由一个的内部由一个8 8位输入寄存器、一位输入寄存器、一个个8 8位位DACDAC寄存器、一个寄存器、一个8 8位位D/AD/A转换器转换器T T型型电阻网络和相应辅助电路组成，如图电阻网络和相应辅助电路组成，如图9-59-5所示。所示。3DAC0832工作时序工作时序nDAC0832DAC0832的工作时序如图的工作时序如图9-69-6所示。芯片的所示。芯片的工作过程如下：工作过程如下：4DAC0832输出连接方式nDAC08

16、32DAC0832的输出分为单极性输出和双极性的输出分为单极性输出和双极性输出两种。输出两种。nDAC0832DAC0832实现单极性电压输出的电路连接实现单极性电压输出的电路连接如图如图9-79-7所示，输出电压为：所示，输出电压为：nDAC0832DAC0832实现双极性电压输出的电路连接实现双极性电压输出的电路连接如图如图9-89-8所示，使所示，使R2R2R3R32R12R1，则输出，则输出电压为：电压为：REFREFREFREFOUTREFOUTOUTVDVVDVVRRVRVV12812825622132115 5DAC0832DAC0832在不同工作模式下在不同工作模式下与与CPU

17、CPU的连接的连接nDAC0832DAC0832可工作在可工作在3 3种工作方式下：单缓种工作方式下：单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式。冲方式、双缓冲方式和直通方式。（1 1单缓冲方式单缓冲方式n单缓冲方式是指，使输入寄存器或单缓冲方式是指，使输入寄存器或DACDAC寄存器寄存器中的一个处于直通状态，即输入数据经过一中的一个处于直通状态，即输入数据经过一级缓冲就送入级缓冲就送入D/AD/A转换器。转换器。（2 2双缓冲方式双缓冲方式n双缓冲方式是指，输入寄存器和双缓冲方式是指，输入寄存器和DACDAC寄存器均寄存器均处于缓冲方式，即输入数据通过两个寄存器处于缓冲方式，即输入数据通过两个寄存器锁

18、存后再送入锁存后再送入D/AD/A转换器。转换器。n在这种工作方式下，数据接收与在这种工作方式下，数据接收与D/AD/A转换可异转换可异步进行，可实现多个步进行，可实现多个DACDAC同时转换输出。同时转换输出。 （3 3直通方式直通方式n直通方式是指，内部的两个寄存器都处于直直通方式是指，内部的两个寄存器都处于直通状态，即数据到达输入端就立即加到通状态，即数据到达输入端就立即加到D/AD/A转换器被转换成模拟量，模拟输出总是随着转换器被转换成模拟量，模拟输出总是随着输入而变化。输入而变化。n这种工作模式在实际中很少采用。这种工作模式在实际中很少采用。实训实训9-1 数模转换产生梯形波数模转换

19、产生梯形波1 1电路设计电路设计DAC0832DAC0832采用单缓冲方式，输出端接运算放大采用单缓冲方式，输出端接运算放大器，由运算放大器产生梯形波来实现，其电器，由运算放大器产生梯形波来实现，其电路连接图如图路连接图如图9-99-9所示。所示。2 2程序设计程序设计设设DAC0832DAC0832的端口地址为的端口地址为228H228H，则程序清单如，则程序清单如下：下：CSEG SEGMENTCSEG SEGMENT ASSUME CS: CSEG ASSUME CS: CSEGSTART: MOV DX, 0228HSTART: MOV DX, 0228H;D/A;D/A转换器端口地址

20、转换器端口地址 MOV CX, 0FFH MOV CX, 0FFH MOV AL, 00H MOV AL, 00H; ;初始值初始值 LOP1: OUT DX, AL LOP1: OUT DX, AL; ;向向D/AD/A转换器输出一个数据转换器输出一个数据 LOOP LOP1 LOOP LOP1; ;循环循环256256次，形成梯形波的下底次，形成梯形波的下底 MOV CX, 0FFH MOV CX, 0FFH LOP2: INC AL LOP2: INC AL; ;输出值增加输出值增加1 1 OUT DX, AL OUT DX, AL LOOP LOP2 LOOP LOP2; ;循环输出，

21、形成梯形波的上升沿循环输出，形成梯形波的上升沿 MOV CX, 0FFH MOV CX, 0FFH LOP3: OUT DX, AL LOP3: OUT DX, AL LOOP LOP3 LOOP LOP3; ;循环输出，形成梯形波的上底循环输出，形成梯形波的上底 MOV CX, 0FFH MOV CX, 0FFH LOP4: DEC AL LOP4: DEC AL; ;输出值减输出值减1 1 OUT DX, AL OUT DX, AL LOOP LOP4 LOOP LOP4 ; ;循环输出，形成梯形波的下降沿循环输出，形成梯形波的下降沿 MOV AH, 0BH; MOV AH, 0BH;调用

22、调用DOS 0BDOS 0B号功能，检查键盘状态号功能，检查键盘状态 INT 21H INT 21H CMP AL, 0 CMP AL, 0 JNE EXIT JNE EXIT;AL;AL不为不为0 0时，有键按下，退出程序时，有键按下，退出程序 JMP START JMP START ; ;重复转换过程，继续输出梯形波重复转换过程，继续输出梯形波EXIT: MOV AH, 4CHEXIT: MOV AH, 4CH; ;返回返回DOSDOS INT 21H INT 21HCSEG ENDSCSEG ENDS END START END START9.2 A/D转换器转换器9.2.1 A/D9.

23、2.1 A/D转换器概述转换器概述n将连续变化的模拟信号转换为数字信号的将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置称为装置称为A/DA/D转换器，简称转换器，简称ADCADC。1 1ADCADC原理原理nA/DA/D转换器按照工作原理可分为计数式转换器按照工作原理可分为计数式A/DA/D转换器、双积分式转换器、双积分式A/DA/D转换器和逐次比较式转换器和逐次比较式A/DA/D转换器三种。转换器三种。（1 1计数式计数式A/DA/D转换器转换器n计数型计数型A/DA/D转换器的工作原理是：在转换器的工作原理是：在S S端加入一个端加入一个负脉冲使负脉冲使8 8位计数器清零，将模拟电压位计数器清零

24、，将模拟电压ViVi加到比加到比较器的正端，较器的正端，8 8位位D/AD/A转换器输出为转换器输出为V0V00 0，比较，比较器输出高电平，计数器对时钟脉冲开始计数。器输出高电平，计数器对时钟脉冲开始计数。D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压V0V0随计数值的增加而增加，随计数值的增加而增加，当当V0V0ViVi时，比较器输出低电平，计数器停止计时，比较器输出低电平，计数器停止计数，同时发出一个转换结束信号。此时，由计数数，同时发出一个转换结束信号。此时，由计数器端口读出的计数值即为模拟电压器端口读出的计数值即为模拟电压ViVi转换后的数转换后的数字量，如图字量，如图9-129-12

25、所示。所示。（2 2双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器n双积分式双积分式A/D转换器的工作原理是：将模拟电压转换器的工作原理是：将模拟电压Vi输入到积分器，积分器从输入到积分器，积分器从0开始对开始对Vi进行固定时进行固定时间的正向积分。间的正向积分。n然后，将与然后，将与Vi极性相反的基准电压极性相反的基准电压VREF输入到积输入到积分器进行反向积分。同时，控制逻辑使得计数器分器进行反向积分。同时，控制逻辑使得计数器对时钟脉冲计数。当对时钟脉冲计数。当VREF的反向积分为的反向积分为0时，停时，停止积分，比较器输出信号使计数器停止计数。止积分，比较器输出信号使计数器停止计数。n计数器在

26、反向积分时间内的计数值，就是输入模计数器在反向积分时间内的计数值，就是输入模拟电压拟电压Vi对应的数字量，如图对应的数字量，如图9-13所示。所示。 （3 3逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器8 8位位n逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器是最常用的一种转换器是最常用的一种A/DA/D转转换电路，其工作原理如图换电路，其工作原理如图9-149-14所示。所示。2 2ADCADC技术指标技术指标（1 1分辨率分辨率分辨率是指输出数字的最小变化量所需输入模拟量的分辨率是指输出数字的最小变化量所需输入模拟量的变化值，通常用变化值，通常用A/DA/D转换器的位数来表示分辨率，位转换器的位数

27、来表示分辨率，位数越多，其分辨率越高。数越多，其分辨率越高。（2 2量化误差量化误差量化误差是指量化误差是指A/DA/D转换器量化结果和被量化模拟量的转换器量化结果和被量化模拟量的差值，这是连续的模拟信号量化后的固有误差，一差值，这是连续的模拟信号量化后的固有误差，一般在般在1/2LSB1/2LSB之间。之间。（3 3转换精度转换精度转换精度指的是对于一个数字量所对应的输入模拟量转换精度指的是对于一个数字量所对应的输入模拟量的实际值与理论值之间的误差，可以用绝对精度和的实际值与理论值之间的误差，可以用绝对精度和相对精度两种方法表示。相对精度两种方法表示。（4 4转换时间转换时间转换时间指的是完

28、成一次转换时间指的是完成一次A/DA/D转换所需要的转换所需要的时间。一般转换精度越高，转换速度越时间。一般转换精度越高，转换速度越慢。慢。（5 5输入范围输入范围一般一般A/DA/D转换器的模拟电压输入范围为转换器的模拟电压输入范围为05V05V或或010V010V。9.2.2 A/D9.2.2 A/D转换器芯片转换器芯片ADC0809ADC0809ADC0809是逐次逼近式是逐次逼近式A/D转换器转换器它的分辨率为它的分辨率为8位位有有8个模拟量输入通道个模拟量输入通道转换时间为转换时间为100s单电源单电源5V供电供电模拟电压输入范围为模拟电压输入范围为05V功耗功耗15mW。1 1AD

29、C0809ADC0809引脚引脚nADC0809是是28引脚的双列直插式芯片，如引脚的双列直插式芯片，如图图9-15所示。各引脚的定义及功能如下。所示。各引脚的定义及功能如下。IN7IN0：8路模拟电压输入端。路模拟电压输入端。D7D0：8位数字量输出端。位数字量输出端。ADDA、ADDB和和ADDC：地址输入端，：地址输入端，它们的不同组合可用来选择不同的模拟它们的不同组合可用来选择不同的模拟输入 通 道 ， 编 码输入 通 道 ， 编 码 000111分 别 对 应分 别 对 应IN0IN7，如表，如表9-1所示。所示。START：启动转换的控制信号，输入，：启动转换的控制信号，输入，高电

30、平有效。高电平有效。ALE：通道地址锁存信号，输入，用于选通：通道地址锁存信号，输入，用于选通8路模拟输入通道，高电平有效。该信号有效时，路模拟输入通道，高电平有效。该信号有效时，ADDA、ADDB和和ADDC才能控制选择才能控制选择8路模拟路模拟输入中的某一通道。输入中的某一通道。EOC：转换结束状态信号，输出，高电平有效。：转换结束状态信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，高电平有效。：输出允许信号，高电平有效。CLOCK：时钟输入信号，时钟频率范围为：时钟输入信号，时钟频率范围为10KHz1.2MHz。VREF(+)：基准电压输入端，通常与：基准电压输入端，通常与VCC相连。相连。

31、VREF(-)：基准电压输入端，通常与：基准电压输入端，通常与GND相连。相连。2ADC0809的内部结构的内部结构nADC0809内部由一个内部由一个8路模拟开关、一路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个个地址锁存与译码器、一个A/D转换器转换器和一个三态输出锁存器组成，如图和一个三态输出锁存器组成，如图9-16所示。所示。3ADC0809工作时序工作时序nADC0809的工作时序如图的工作时序如图9-17所示。所示。芯片的转换过程如下：芯片的转换过程如下：4ADC0809与与CPU的连接的连接nADC0809与与CPU的连接，的连接，n主要是解决模拟量输入端主要是解决模拟量输入端IN7IN

32、0、n数据量输出端数据量输出端D7D0、n通道地址输入端通道地址输入端ADDCADDA、n通道地址锁存信号通道地址锁存信号ALE、n启动转换信号启动转换信号STARTn转换结束信号转换结束信号EOC与系统总线的连接问题。与系统总线的连接问题。（1模拟输入端的连接模拟输入端的连接n模拟信号可以是单路输入或多路输入，模拟信号可以是单路输入或多路输入，如图如图9-18所示。所示。（2通道地址输入端的连接通道地址输入端的连接n多路输入时，多路输入时，ADDCADDA不能固定连接，不能固定连接，要通过一个接口芯片与数据总线连接，并使要通过一个接口芯片与数据总线连接，并使用用OUT指令将通道地址送入指令将通道地址送入ADC0809，用，用于选择不同的模拟输入通道。于选择不同的模拟输入通道。n可选用的接口芯片有可编程并行接口芯片可选用的接口芯片有可编程并行接口芯片8255A如图如图9-19a所示）、锁存器所示）、锁存器74LS273如图如图9-19b所示和所示和74LS373等。等。（3数据输出端的连接数据输出端的连接nD7D0可直接连接到系统数据总线上，可直接连接到系统数据总线上，也可通过一个三态门与数据总线相连，也可通过一个三态门与数据总线相连，如图如图9-20所示。所示。n74LS244为为3态态8位缓冲器，一般用作总线位缓冲器，一般用作总线驱动器。驱动器