微型计算机原理及其应用第10章模数及数模转换

1、1微型计算机原理及其应用第10章 模/数和数/模转换210.1 概述模拟信号：在时间或数值上连续变化的信号.数字信号：在时间和数值上都离散的信号.模拟传感器A/D转换器模拟电量执行元件D/A转换器模拟电量被控对象非电量控制操作数字处理系统数字量数字量将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。 3数字电压表模拟信号数字显示电路数字信号模数转换温度控制器 温度模拟信号数字信号单片机或微机传感器模数转换几个简单数字处理系统的结构框图：CD播放器 脉冲数字信号模拟信号扩音器数字信号处理电路数模转换激光头41

2、0.2 D/A转换器D/A转换器dn-1dn-2d0uO或iO输出输入数模转换电路输入输出的关系n位二进制数dn-1dn-2d0的大小输入为二进制码，输出为模拟电压/电流输出电压与输入的二进制码的值成正比例：K为比例系数 D3D2D1D0 VO 0000 0V 0001 0.25V 0010 0.5V 0011 0.75V 0100 1V 0101 1.25V 0110 1.5V 0111 1.75V 1000 2V 1001 2.25V 1010 2.5V 1011 2.75V 1100 3V 1101 3.25V 1110 3.5V 1111 3.75V5DAC的分类：按结构：权电阻网络D

3、AC、倒T形电阻网络DAC；按输入方式：并行输入型、串行输入型将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。转换原理6运算放大器的原理理想运放在负反馈条件下的两个特点： A+-iV-V+RfvoRvii-i+“虚短”“虚断”由此推出：7权电阻网络D/A转换器电路及工作原理vORF(R/2) A-+23R22R2RRI0I1I2I3d0d1d2d3i VREFS0S1S2S3V-V+Si：d=1时接VREF， d=0时接地此式即表明模拟输出与数字输入成正比。8推广到一般情况：优点：电阻数量少

4、，结构简单；缺点：位数较多时，电阻种类多，差别大，不易集成。每条支路上的电阻反映了该位的权，故称权电阻网络。改变RF可改变比例系数vORF(R/2) A-+23R22R2RRI0I1I2I3d0d1d2d3i VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSB9倒T形电阻网络D/A转换器电路及工作原理由图可知不管开关接左还是接右，支路电流都不变，只是接左电流流入地，接右电流流向R 。d0d1d2d3i VREFvOR A-+V-V+S3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI3I2I1I0Idi为1 ：Si与运放的反相输入端（“虚地”）连接di为0 ：Si与地连接10RI2I3I1R

5、R2R2R2R2R2RI0+UREFI0011 22 33 RRRR0分别从虚线00 、11 、22 、33处向左看的电路等效电阻均为RI = UREF /RI3 = I21I2 = I41I1 = I81I0 = I16111d0d1d2d3i VREFvOR A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI3I2I1I0I电阻支路为倒T型，故名倒T型电阻网络DAC推广：n位数模转换器的输出改变RF可改变比例系数解决了阻值相差太大的问题12权电流型D/A转换器解决措施：将电阻换成恒流源。模拟开关的问题：若模拟开关的导通电阻不相等，则电流有误差，转换有误差

6、。恒流源的实现：三极管集电极电流。 d0d1d2d3i VREF（-）vORF A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S0I/16I/8I/4I/213原理：因T的基极接在一起，故发射极同电位，故各支路电流均相差2倍。 恒流源IB0用来为T提供基极偏置电流。 A1与TR构成基准电流发生电路， 产生I/2I/4I/8I/16d3d2d1d0iOMSBLSBS0S1S2S3vORF A2-+VEE(-)+-IB0IECIE0IE1IE2IE32R2R2R2R2RRRRRIREF A1RRVREFTRT3T2T1T0TC-+I注意该公式中无负号。14权电流型集成D/A转换器DAC0808简介 8位数

7、字输入 需外接运放、反馈电阻、参考电压。 Vcc13IO4MSBA15VR-15A26A37VR+14A48A59A610COMP16A711LSBA812VEE3 DAC0808上述参数下：VCC=+5V A VREF=10VRF vOVEE=-15VRR5K5K5K0.01F15DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）16具有双极性输出的D/A转换器二进制算术运算中，正负数采用补码表示。补码的定义：符号位：正数为0，负数为1数值位：正数的数值位与原码相同；负数的数值位为反码加1例：3符号位0，数值位11，补码011 3符号位1，数值位01，补码101若在DAC输

8、入端输入补码，则输出模拟电压应有正负两种极性。故称双极性输出。17补码d2d1d0对应十进制数要求输出电压011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V将符号位反相单极性输出偏移-4V111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2-2V001+1-3V0000-4V使补码输入d2d1d0=000时，输出vO=0即可。 VB、RB的取值：思路： 符号位反相。加偏移电压。 实现：符号位经非门反相后再输入。在反相端加偏移电压VB VREF(-8V)d0d1d2LSBMSB

9、S2S1S02R2R2R2RRRvOR A-+1iBRBVB(+)可确定VB、RB取值以三位二进制补码为例讨论18以四位DAC为例画出转换特性曲线 可以看出输出电压在幅值上是不连续的，一个级差为 0000001101101001110011111/163/165/167/169/1611/1613/1615/1610.2.2 D/A转换器的指标通常用分辨率和转换精度来描述。19分辨率反映了D/A转换器的灵敏度，即最小增量值。 1、分辨率定义1：用输入二进制数的位数n表示，如8位；定义2：用最低有效位对应的模拟量进行表示；最低位为1，其它位均为0时对应的输出电压称为1LSB，即输入全为1时对应的

10、输出电压称为满刻度输出，用FSR表示，即20分辨率只反映了理论精度，实际精度与误差有关.分为绝对转换精度和相对转换精度：1）绝对转换精度：表示输出电压接近于理想值的程度，用数字量的最低有效位LSB的1/2进行表示；2）相对转换精度：用绝对转换精度相对于满量程输出的电压值表示。2转换精度 213. D/A转换器的转换速率和建立时间建立时间tset ：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围内的时间称为建立时间。不包含运放的DAC中， tset可达包含运放的DAC中， tset可达当需外加运放构成DAC时，应采用转换速率快的运放。输入信号由全0变为全1所需时间最长。

11、转换速率 ：模拟输出电压的变化速度，单位为22分辨率只反映了理论精度，实际精度与误差有关。所谓线性误差即偏离理想转换特性的最大值。4线性误差 误差的来源 VREF的波动；A的零漂;S的导通电阻与压降；R的阻值偏差;线性误差用模拟量和理想值的最大差值折合成的数字输入量表示：如1LSB、1/2LSB。23vO1与d3d2d1d0的大小成正比，即输入量越大，误差越大。A的零漂引起的误差(漂移误差) vO2VREF引起的误差(比例系数误差) vO1vO2与d3d2d1d0的大小无关，是一常数，使转换特性曲线平移。S的导通压降引起的误差 vO3设S的导通压降为vS，则各开关的vS大小方向都不同，故vO3

12、不是一常数，且与 d3d2d1d0的大小无关，称之为非线性误差。 R的阻值偏差引起的误差 vO4由于R的偏差大小方向不同，故vO4也不是一常数，也属于非线性误差。最大误差转换误差分析： 2410.2.3 D/A转换器芯片DAC0832 DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mm。其内部结构如图所示，它由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成和引脚排列如下所示。 2526该D/A转换器为20引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：(1)D7-D0转换数据输入。

13、(2)CS片选信号（输入），低电平有效。(3)ILE数据锁存允许信号（输入），高电平有效。(4)WR1第一信号（输入），低电平有效。该信号与ILE 信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当ILE=1和XFER=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和WR1 =1时，为输入寄存器锁存方式。(5) WR2 第2写信号(输入),低电平有效. 当 WR2=0和XFER=0时,为DAC寄存器直通方式; 当WR2=1和XFER=0时,为DAC寄存器锁存方式。 (6)XFER数据传送控制信号(输入),低电平有效 。 27(7)Iout2电流输出“1”。当数据为全“1”时，输出电流最大； 为

14、全“0”时输出电流最小。(8)Iout2电流输出“2”。 DAC转换器的特性之一是：Iout1 +Iout2=常数。(9)RFB反馈电阻端 既运算放大器的反馈电阻端，因DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb 即为运算放大器的反馈电阻。(10)Vref基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电 阻网络相连接，该电压可正可负，范围为-10V+10V.(11)DGND数字地(12)AGND模拟地28DAC0832工作方式 DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信号可以构成三种不同的工作方式。1) 直通方式：W

15、R1= WR2 =0时，数据可以从输入端经两 个寄存器直接进入D/A转换器。2)单缓冲方式：两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。3)双缓冲方式：两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。 29单缓冲方式的接口与应用1单缓冲方式连接 所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个（多位DAC寄存器）处于直通方式，而另一个处于受控锁存方式。 为使DAC寄存器处于直通方式，应使WR2 =0和XFER=0。为此可把这两个信号固定接地，或如电路中把WR2与WR1相连，把XFER与CS相连。 为使输入寄存器处于受控锁存

16、方式，应把WR1接CPU的WR，ILE接高电平。此外还应把CS接高位地址线或地址译码输出，以便于对输入寄存器进行选择。 3031【例】锯齿波电压发生器在一些控制应用中，需要有一个线性增长的电压（锯齿波）来控制检测过程、移动记录笔或移动电子束等。对此可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，其电路连接图如下图所示。32图中的DAC0832工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的源程序如下： MOV AL， 00H ；取下限值 MOV DX，7FFFH；指向0832口地址MM： OUT DX，AL；输出

17、INC AL；延时 NOP NOP NOP SJMP MM；反复执行上述程序就可得到锯齿波。 33几点说明： (1)程序每循环一次，AL加1，因此实际上锯齿波的上升边是由256个小阶梯构成的，但由于阶梯很小，所以宏观上看就如图中所示的线性增长锯齿波。 34（2）可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯齿波的周期。并可根据需要，通过延时的方法来改变波形周期。若要改变锯齿波的频率，可通过延迟程序即可。延时较短时可用NOP指令实现），需要延时较长时，可以使用一个延长子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。（3）通过AL加1，可得到正向的锯齿波，反之AL减1可得到负向的锯齿波。（4） 程

18、序中AL的变化范围是0255，因此得到的锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅锯齿波，可通过在程序中通过置初值和终值的方法实现。 35【例】 矩形波电压发生器,采用单缓冲方式，口地址设为FEFFH.参考程序如下：ORG 1100HSTART: MOV DX , 00FEH ；送DAC0832口地址LOOP: MOV AL , 0FFH ；送高电平数据 MOVX DX , AL LCALL DELAYH ；调用延时子程序 MOV AL , 0 ；送低电平数据 MOVX DX , AL LCALL DELAYL ；调用延时子程序 SJMP LOOP 3610.3 A/D转换器模数转换器输入与输出关系输

19、入为模拟电压，输出为二进制码转换方式直接转换ADC间接转换ADC并联比较型反馈比较型双积分型V-F变换型逐次比较型计数比较型并行输出型串行输出型按输出方式ADC的分类A/D转换器dn-1dn-2d0VI输出输入37t D2D1D0 t1 000t2 010t3 10001234567010100110110110101011010001010011011101110110110100000D2D1D0 VIADCtV采样量化编码9.3.1 A/D转换的基本原理38tV010010001100110111010000151413121110 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0量化细一些，提高

20、转换精度10110110010000110100010101011011110011011100011139tV151413121110 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0采样再细一些，更准确地反应变化规律0000，0001，0100，0110，1000，1001，1100，1100，1110，1110，1101，1100，1011，1001，0110，0101，0100，0011，0011，0011，0100，0100，0110，0110，0110，0110，1011，1011，1100，1110，1110，1101，1100，1011，0111。40A/D转换的基本原理vIttvSA/

21、D转换过程要经过采样保持，量化编码2个步骤一、采样保持采样：即在不同的时间点上把信号采样下来，从而将在时间上连续的模拟信号转换成在时间上离散的信号。保持：每次采样完毕要保持一段时间，以供ADC将采样下来的信号进行转换。过高，保持时间短，不能保证ADC可靠转换采样定理：对采样频率的要求：过低，不能反映原始信号的变化规律。41二、量化和编码采样后的信号在数值上还是连续的，而数字信号在数值上是离散的，量化即是将数值上连续的信号变成数值上是离散的信号。量化即把采样信号表示为最小单位的整数倍，此最小单位叫做量化单位，用表示。把量化结果用代码表示出来，称为编码，这些代码的输出就是A/D转换的输出结果。当输

22、入电压不为的整数倍时，必然产生误差，称为量化误差。42例：把01V的模拟电压转换成3位二进制代码，即用000111表示01V的电压解：方法一取最小量化单位为1/8 V，即 =1/8 V并规定：01/8V为0 ， 1/82/8V为1 ，1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0V1111101011000110100010007=7/8V6=6/8V5=5/8V4=4/8V3=3/8V2=2/8V1=1/8V0=0V输入信号二进制代码代表的模拟电压则最大量化误差为1 =1/8V。方法二取最小量化单位为2/15 V，即=2/15 V，并规定：01/15V为0 ， 1/153/1

23、5V为1 ， 3/155/15V为2 ， 则最大量化误差为1/2 =1/15V。1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V1111101011000110100017=14/15V6=12/15V5=10/15V4=8/15V3=6/15V2=4/15V1=2/15V输入信号二进制代码代表的模拟电压0000=0V0V43采样保持电路基本形式vL=0，S闭合，C充电（ =RCH），vO=vI，采样。vL=1，S打开，C无放电回路，vO保持。_+ACHvOvLvI_+ASR集成采样保持器LF198441. 直接A/D转换器输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，不

24、需要中间变量。一）并联比较型思路：用比较器实现量化，编码器实现数字量输出。电路如下所示：45比较器C1C7：同相输入端接vI反相端接参考电压，参考电压的大小由电阻分压得到。寄存器FF1FF7：暂存量化结果，等待时钟到来，统一送入编码器编码。Qn+1=Dn编码器：将量化结果进行编码，实现数字量输出。为8/3线优先编码器。优先权自上而下逐位降低。高电平有效。+_R+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1R/21DC1+_1111111C2C3C4C5C6C7C1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1d2d1d0MSBLSB(20)(21)(22)VREF153VR

25、EF1513VREF15VREFvICPR1DC18/3线优先编码器46工作原理：+_R+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1R/21DC1+_1111111C2C3C4C5C6C7C1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1d2d1d0MSBLSB(20)(21)(22)VREF153VREF1513VREF15VREFvICPR1DC18/3线优先编码器当vIVREF/15时，C1C7=0编码：d2d1d0=000当VREF/15 vI3VREF/15时，C2C7=0编码： d2d1d0=001C1=1当3VREF/15 vI5VREF/15时，C3C7=

26、0编码： d2d1d0=010C1C2=1当13VREF/15 vIVREF时，编码： d2d1d0=111C1C7=1依此类推47特点：速度快不用附加采样保持电路所用器件多，n位A/D转换需2n-1个比较器和触发器vIC7C6C5C4C3C2C1d2d1d0(01/15)VREF000(1/153/15)VREF0000001001(3/155/15)VREF0000011010(5/157/15)VREF0000111011(7/159/15)VREF0001111100(9/1511/15)VREF0011111101(11/1513/15)VREF0111111110(13/151)V

27、REF11148二） 反馈比较型ADC基本思路：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟信号电压相比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是所求的转换结果。1.计数型ADC方框图计数器对脉冲源计数，其输出为数字量，该数字量送入DAC，转换为模拟信号vO，与vI比较，若vO0模拟输入并行数字输出MSBLSBLSBMSBvOCP&vLG控制转换信号转换49工作过程：转换前， vL=0，门G被封锁，计数器不工作，清零，输出为0，vO0模拟输入并行数字输出MSBLSBLSBMSBvOCP&vLG控制转换信号

28、特点：电路简单，所用器件不多；转换速度慢，n位ADC最长的转换时间为(2n-1)TC转换TC502.逐次渐近型ADC 基本原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重量12348 g + 4 g8 g暂时结果8 g12 g12 g13 g比较判别顺 序8 g + 4 g + 2 g8 g + 4 g + 1 g8 g 13 g12 g 13 g13 g = 13 g该砝码的去留留留去留设vI，3位DAC的VREF=8VDAC输入 DAC输出100 4V110 6V101 5V最高位置1保留最高

29、位1，第二位置1去掉第二位1，第三位置1保留第三位1转换结果：10151DAC逐次渐近寄存器脉冲源C+_vI并行数字输出MSBLSBLSBMSBvOvL控制转换信号控制逻辑CP方框图：转换原理：逐次渐近寄存器在vL、CP的控制下先输出100（以三位为例），经D/A转换后输出vO，若vO vI，则C输出控制信号使寄存器输出010；若vO vI，则C输出控制信号使寄存器去掉第二位1，并使第三位置1，若vO 0A_+S1S0RC积分器比较器-VREF0A_+S1S0RC积分器比较器-VREF056特点：稳定R、C、TC的变化不会影响转换结果抗干扰性强若vI引进对称干扰，在T1期间积分值为0，故VO1

30、不变，转换结果不变。常见干扰为50Hz干扰，故应取TC为的整数倍。速度慢最长积分时间：2T1=2n+1TC由此也可得出该电路要求：vIVREF否则对VREF积分计数器计满值时，vO也不会上升到0，转而又对vI积分T2T1VO1vOt对称干扰T1vItvOtT1T257二）V-F变换型ADC在TG时间里对vO进行计数，计数值正比于vI特点：基本思路：将电压V转换成与之成正比的频率信号，并在固定时间内对其进行计数，则计数结果(正比于电压V)即为转换结果。压控振荡器计数器寄存器&TGvIvO并行数字输出MSBLSBVCO输出是调频信号，易于传输，且抗干扰能力强。适用于遥测、遥控系统中。一般将VCO放

31、在发射端，其他部分放在接收端。由于高精度的VCO不易得到，因此精度不易提高。转换速度慢。这是由于计数型原理决定的。58A/D转换的转换精度与转换速度定义1：n定义2：1.分辨率也采用分辨率和转换误差描述转换精度。若用3位ADC，则输出有8种状态，能分辨出的输入电压的最小差异为5/23；若用10位ADC，则输出有1024种状态，能分辨出的输入电压的最小差异为5/210；例：输入05V。故n越大，分辨率越高。含义：能分辨出的输入电压的最小差异。含义：对输入信号的分辨能力。59定义1：定义2：2.转换误差单位：LSB3. 转换率：表示A/D转换的速度，定义为一次转换时间的倒数。60二、转换速度不同类

32、型ADC间速度相差悬殊。并联比较型最快。转换时间小于50ns。逐次渐近型次之。转换时间多在10100s之间。双积分型速度最低。转换时间多在数十毫秒到数百毫秒之间。在速度要求高的场合，还要考虑采样保持电路的获取时间。（微秒数量级）。61集成A/D转换器及其应用ADC0809CMOS八通道八位逐次逼近型ADC28脚双列直插式模/数转换器内部有8通道多路开关、地址译码、电压比较器、8位DA转换器、控制及时序电路等。 工作过程：由地址选择输入（IN0IN7），ALE进行地址锁存；START启动AD转换；转换开始EOC0；转换结束EOC1，向外发出结束信号；使能OE1，读取转换结果。62控制与时序逐次逼

33、近寄存器模拟开关256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器8路模拟开关地址锁存与译码比较器8位DA模拟输入IN0IN73位地址CBA地址锁存允许ALEVCCGNDVRVROE输出允许8位输出EOC启动START时钟CLK5V15V500KHz1MHz转换结束ADC0809结构框图63图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。通道选择表 64ADC0809的工作时序图 65信号引脚 ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装， 对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下： IN7IN0模拟量输入通道 A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址。 ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。66 START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。 D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片 机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高