第11章模数和数模转换

第11章模/数和数/模转换第11章模/数和数/模转换11.2模/数（A/D）转换器11.1数/模(D/A)转换器A/D与D/A转换的用途当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。

A/D转换器完成模拟量→数定量的转换，

D/A转换器完成数字量→模拟量的转换。A/D转换的过程把模拟电压或模拟电流转换为数字量一般分两步进行

。对模拟电压或模拟电流采样，得到与此电压或电流相对应的离散脉冲序列。用模数转换器将离散脉冲变为离散的数字信号，这样就完成了模拟量向数字量的转换。

11.1.1数/模（D/A）转换器的工作原理数/模（D/A）转换器输入的数字量的大小是由二进制代码按数位组合起来表示的。其中Di=0或1(i=0,1…n-1)；20，21，…2n-1分别为对应数位的权。在D/A转换中，要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相对应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。11.1.1数/模（D/A）转换器的工作原理数/模（D/A）转换器的核心是“解码网络”，常用的有“权电阻解码网络”和“T型解码网络”。

“T型解码网络”D/A转换器主要由四部分组成：基准电压VREF、T型(R-2R)电阻网络、位切换开关Ki(i=0,1…n-1)和运算放大器A。D/A转换器输入的二进制数从低位到高位(D0～Dn-1)分别控制对应的位切换开关(K0～Kn-1),它们通过R-2R型电阻网络，在各2R支路上产生与二进制数各位的权成比例的电流，再经运算放大器A相加，并按比例转换成模拟电压VOUT输出。D/A转换器的输出电压VOUT与输入的二进制数D0～Dn-1的关系式为：

其中：K是与运算放大器的反馈电阻和支路电阻有关的参数。

11.1.1数/模（D/A）转换器的工作原理在图11.1中可以看到，一个支路中，无论开关倒向左边还是右边，都可以认为“接地”，只不过倒向左边时才能给运算放大器提供电流。T型电阻网络中，节点K0右边是两个2R的电阻并联，它们的等效电阻为R。同理，节点K1、……、Kn-1、Kn的等效电阻也为R，即在Dn-1点等效于一个数值为R的电阻连在参考电压VREF上。这样就可以算出Dn-1点、Dn-2点、Dn－3……点的电压分别是VREF/2、VREF/4、VREF/8

……。那么当开关Kn-1倒向左边时可以得到运算放大器的输入电流为VREF/2R，同理可以算出Kn-2、Kn-3、Kn-4倒向左边时运算放大器的输入电流分别为VREF/4R、VREF/8R。

假定此时开关Kn-1、Kn-2、……、K1、K0对应1位二进制数，当开关都倒向左边就相当于二进制数11……11，流入运算放大器的电流为：相应的输出电压为（其中RO是运算放大器的反馈电阻）：11.1.2数模（D/A）转换器的主要性能参数

集成化的D/A转换芯片按输入二进制的位数常见的有8、12、16、20位D/A转换器。D/A转换器一般是根据自己的需要选择相应数据位宽度和速度的D/A转换芯片，在选择D/A转换器芯片时一般考虑如下指标：（1）分辨率：

指D/A转换器能分辨的最小电压增量，或1个二进制增量所代表的模拟量大小。分辨率的表示式为：分辨率=Vref/2n

若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。（2）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。一般电流型D/A转换器在几百纳秒到几微秒之内；而电压型D/A转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。（3）精度：

指D/A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作为衡量单位（如1/2LSB）。如D/A分辨率为20mV，则精度为±10mV.（4）线性度：

当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。11.1.3数模（D/A）转换器及接口电路D/A转换器的种类很多，按数字量输入方式可分为并行D/A转换器和串行D/A转换器两种；按模拟量输出方式分，可分为电流输出型D/A转换器和电压输出型D/A转换器两种；按D/A转换器的分辨率可分为低分辨率D/A转换器、中分辨率D/A转换器和高分辨率D/A转换器三种。8位D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是美国数据公司生产的8位双缓冲数/模（D/A）转换器，片内带有数据锁存器，可与微处理器直接连接。其主要技术指标如下：单电源＋5～＋15V；分辨率为8位；转换时间为1μs；功耗为200mW；VREF输入端电压±25V。DAC0832结构框图及引脚说明DAC0832具有双缓冲功能，即输入数据可分别经过两个寄存器保存。第一个寄存器称为8位输入寄存器，数据输入端直接连接到数据总线上；第二个寄存器为8位DAC寄存器，连接到8位D/A转换器上。各个引脚说明如下：D0～D7：8位数据输入端。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。此信号用来控制8位输入寄存器的数据是否能被锁存的控制信号之一。CS：片选信号，低电平有效。此信号与ILE信号一起用于控制WR1信号能否起作用。WR1：写信号1，低电平有效。在ILE和CS有效的情况下，此信号用于控制将输入数据锁存于输入寄存器中。ILE、CS、WR1是8位输入寄存器工作时的三个控制信号。DAC0832结构框图及引脚说明8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据转换成相对应的模拟量，输出信号端如下：IOUT1：DAC电流输出1，它是逻辑电平为1的各位输出电流之和，此信号一般作为运算放大器的差动输入信号之一。IOUT2：DAC电流输出2，它是逻辑电平为0的各位输出电流之和，此信号一般作为运算放大器另一个差动输入信号。Rfb：反馈电阻引脚，该电阻被制作在芯片内，用作运算放大器的反馈电阻。ＶREF：基准电压输入引脚。一般在－10Ｖ～＋10Ｖ范围内，由外电路提供。ＶCC：逻辑电源。一般在＋5Ｖ～＋15Ｖ范围内。最佳为＋15Ｖ。AGND：模拟地。芯片模拟电路接地点。DGND：数字地。芯片数字电路接地点。DAC0832结构框图及引脚说明DAC0832的工作过程DAC0832的工作过程可简单描述如下：CPU执行输出指令，输出8位数据给DAC0832；在CPU执行输出指令的同时，使ILE、CS、WR1三个控制信号端都有效，8位数据锁存于8位输入寄存器中；当WR2、XFER两个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，这时8位D/A转换器开始工作，8位数据转换为相对应的模拟电流，从Iout1和Iout2输出。ＶREF：基准电压输入引脚。一般在－10Ｖ～＋10Ｖ范围内，由外电路提供。DAC0832的工作方式针对DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有如下三种工作方式：单缓冲方式：这种方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情况。其工作方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据，或是其中的一个处于直通状态，输入数据经过一级缓冲送入D/A转换器电路。在这种方式下，只需执行一次写操作，即可完成D/A转换，可以提高DAC的数据吞吐量。双缓冲方式：这种方式适用于多个DAC0832同时输出的场合。其工作方式是数据先传输到DAC0832的输入寄存器，再控制这些DAC0832同时传输数据到DAC寄存器以实现多个D/A转换同步输出，在这种方式下需要执行两次写操作才能完成一次D/A转换。直通方式：这种方式适用于连续反馈控制电路中。其工作方式是两个寄存器都处于直通状态，即ILE、CS、WR1、WR2和XEFR都处于有效电平状态，数据直接送入D/A转换器电路进行D/A转换。DAC0832接口电路DAC0832是8位的D/A转换器，可以连接数据总线为8位、16位或32位的CPU。当连接8位CPU时，DAC0832的数据线D0～D7可以直接接到CPU的数据总线D0～D7，当连接16位或32位的CPU时，DAC0832的数据线D0～D7接到CPU数据总线的低8位(D0～D7)。为了提高数据总线的驱动能力，D0～D7可经过数据总线驱动器(如74LS244)，再接到DAC0832的数据输入端(D0～D7)。D7~D0IOWA9~A0AEN系统总线DI0~7WR1ILECSDAC0832译码器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout

DAC0832单缓冲方式连接+5V200H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。 采用单缓冲方式连接如图所示。 利用DAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如输出锯齿波、三角波的程序段如下：

TRG：MOVDX，200H MOVAL，0H TN1：

OUTDX，AL INCAL

JNZTN1 MOVAL，0FFHTN2：OUTDX，AL DECAL JNZTN1…………输出锯齿波程序段如下：TRG：MOVDX，200H MOVAL，0HTN：OUTDX，AL INCAL JMPTN …………11.2模/数（A/D）转换器A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件，模拟量可以是电压、电流等信号，也可以是温度、压力、湿度等随时间连续变化的非电物理量。这些模拟量可以通过适当的传感器（如压力传感器、温度传感器等）转换成电信号。这个过程通常分4步进行，即采样、保持、量化和编码，其中前两步在采样保持电路中实现，后两步在A/D转换过程中实现。11.2.1A/D转换器的工作原理实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等，下面介绍这几类A/D转换器：逐次逼近法A/D转换器是一种比较常见的A/D转换器，它是一个具有反馈回路的闭路系统，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图11.4所示。它的基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

双积分法A/D转换器双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图11.5（a）所示。它的基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分式A/D每进行一次转换，都要进行一次固定时间的正向积分和一次积分时间与输入电压成正比的反向积分，故称为双积分。双积分式A/D转换器的转换时间较长，一般需要四五十毫秒。电压频率转换法A/D转换器采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，如图11.6所示。它的工作原理是Ｖ/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。11.2.2模数（A/D）转换器的主要性能参数分辨率：分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输入量，通常用转换器输出数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。

如8位ADC满量程为5V,则分辨率为5000mV/256=20mV，也就是说当模拟电压小于20mV，ADC就不能转换了，所以分辨率一般表示式为：分辨率=Vref/2位数（单极性）或分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性）转换时间：完成一次A/D转换所需的时间，称为A/D转换电路的转换时间。

量程：量程是指所能转换的输入电压范围。精度：精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。

温度系数和增益系数：这两项指标都是表示A/D转换器受环境温度影响的程度。

11.2.3模/数（A/D）转换器芯片及接口电路8位A/D转换器芯片ADC0809:ADC0809是National公司生产的CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器。它具有8路模拟量输入、8位数字量输出，可在程序控制下对任一路模拟量进行转换。ADC0809的主要技术指标如下：分辨率8位；电源电压6.5V；转换时间为100μs；模拟输入电压范围为0V～+5V，不需零点和满刻度校准；功耗约15mW；未经调整误差为1/2LSB或1LSB。ADC0809结构框图及引脚说明ADC0809的结构框图和引脚如图11.7所示，主要包括以下几个部分：通道选择开关：可采集8路模拟信号，通过多路转换开关，实现分时采集8路模拟信号。IN0～IN7：8路模拟信号输入端。通道地址锁存和译码：用来控制通道选择开关。通过对ADDA、ADDB、ADDC三个地址选择端的译码，控制通道选择开关，接通某一路的模拟信号，采集并保持该路模拟信号，输入到DAC0809比较器的输入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址输入端，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号。输入，高电平有效。用来控制通道选择开关的打开与闭合。ALE＝1时，接通某一路的模拟信号，ALE＝0时，锁存该路的模拟信号。逐次逼近A/D转换器：逐次逼近A/D转换器包括比较器、8位树型开关D/A转换器、逐次逼近寄存器。START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A/D转换结束信号，输出，高电平有效。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640kHz。REF(＋)、REF(-)：基准电压。-VREF为0V或-5V，＋VREF为＋5V或0V。8位锁存器和三态门：经A/D转换后的数字量保存在8位锁存寄存器中，当输出允许信号OE有效时，打开三态门，转换后的数据通过数据总线传送到CPU。由于ADC0809具有三态门输出功能，因而ADC0809数据线可直接挂在CPU数据总线上。D0～D7：8位数字量输出端。ADC0809的工作过程ADC0809的工作过程可简单描述如下：确定ADDA、ADDB、ADDC三位地址，决定选择哪一路模拟信号；2．使ALE接受一正脉冲信号，使该路模拟信号经选择开关到达比较器的输入端；3．使START接受一正脉冲信号，START的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换；4．EOC输出信号变低，指示转换正在进行；5．A/D转换结束，EOC变为高电平，指示A/D转换结束。此时，数据已保存到8位三态输出锁存器中。此时CPU就可以通过使OE信号为高电平，打开ADC0809三态输出，由ADC0809输出的数字量传送到CPU。通常CPU读取A/D转换器的数据的方法有三种：查询法：CPU在启动A/D转换之后，不断地查询转换结束信号EOC的状态，即执行输入指令，读EOC并判断其状态，如果EOC为“0”，表示A/D转换正在进行；反之EOC为“1”，表示A/D转换已经结束。一旦A/D转换结束，CPU立即执行输入指令，产生输出允许信号OE，读取A/D转换数据(D0～D7)。适合于转换时间比较短的A/D转换器。优点:接口电路设计简单。缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低2．定时法：如果已知A/D转换器的转换时间为T0，那么在CPU启动A/D转换之后，只需延时等待该段时间，就可以读取A/D转换的数据，延时等待的时间不能小于A/D转换器的转换时间。适合于转换时间比较短的A/D转换器。优点:接口电路设计比查询法简单，不必读取EOC的状态。缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低；另外还必须知道A/D转换器的转换时间。3．中断法：CPU在启动A/D转换之后，就转去执行别的程序，一旦A/D转换结束，EOC就变为高电平，EOC信号可作为中断申请信号，通知CPU转换结束，可以读入经A/D转换后的数据。中断服务程序所要作的事情是：使OE信号变为高电平，打开ADC0809三态输出，由ADC0809输出的数字量传送到