第八章 数模和模数转换

第八章数模和模数转换1第一页，共五十七页，2022年，8月28日8.1概述

A/D和D/A转换技术主要用于计算机控制和测量仪表中。

2第二页，共五十七页，2022年，8月28日8.2数/模（D/A）转换器

一、D/A转换原理

I0I1I2I3V0=-(I0+I1+I2+I3)•R0R03第三页，共五十七页，2022年，8月28日04第四页，共五十七页，2022年，8月28日D/A转换器的两个指标：(1)分辨率：在D/A转换时，将最低位增1所引起的增量和最大输入量的比称为分辨率，即

分辨率=1/（2n-1）(2)精度：即转换精度

绝对转换精度：就是指每个输出电压接近理想值的程度。绝对精度与标准电源精度、权电阻的精度有关。可用D/A变换器的输出变化量来表示，如几分之几伏。也有用D/A变换器最低有效位LSB的几分之几来表示，如LSB。5第五页，共五十七页，2022年，8月28日

相对转换精度：是更加常用的描述输出电压接近理想值程度的物理量。一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用最低有效位（LSB）的几分之几表示。例如：一个D/A转换器的相对精度为1/2LSB，则可能出现的最大相对误差为：FS：为满量程输出电压6第六页，共五十七页，2022年，8月28日二、D/A转换器件和与系统的连接1.分类

根据能否直接与系统相连这一点，目前市场上的D/A转换芯片可以分为两类：一类其芯片内部没有数据输入寄存器，如AD7520、AD7521、DAC0808等。这类芯片内部结构简单，价格低，但这些芯片不能直接和总线相连。另一类芯片内部有数据输入寄存器，例如DAC0832、DAC7524等，这些芯片使用时可以直接和系统总线相连。7第七页，共五十七页，2022年，8月28日

2.不带数据输入寄存器的D/A芯片与系统的连接

内部不带数据寄存器的D/A芯片，使用时不可以直接和数据总线相连，要求在D/A转换器的前面增加一个数据锁存器，再与数据总线相连。图7.5不带数据输入寄存器的D/A转换器的连接8第八页，共五十七页，2022年，8月28日9第九页，共五十七页，2022年，8月28日MOVAL，DATALOUTPORTL，ALMOVAL，DATAHOUTPORTH，ALOUTPORT，AL10第十页，共五十七页，2022年，8月28日※3.带有数据输入寄存器的D/A芯片与系统的连接

内部带有数据输入寄存器的D/A芯片，使用时可以将D/A芯片直接和数据总线相连。以DAC0832为例来具体介绍这类转换芯片的工作原理和使用方法。（1）DAC0832内部功能结构

DAC0832的功能示意图见下图所示11第十一页，共五十七页，2022年，8月28日

工作方式：有三种，即双缓冲工作方式、仅有输入寄存器工作在锁存状态的单缓冲方式或仅有DAC寄存器工作在锁存状态的单缓冲方式。12第十二页，共五十七页，2022年，8月28日(2)DAC0832芯片的引脚13第十三页，共五十七页，2022年，8月28日DAC0832是一个8位电流输出型的DAC芯片。(2)要使DAC0832输出电压信号，一般在其输出端接运算放大器。14第十四页，共五十七页，2022年，8月28日(3)DAC0832芯片的外部连接15第十五页，共五十七页，2022年，8月28日(4)D/A转换编程

假设DAC0832与系统的连接图如前所示：设要转换的数据放在1000H单元，实现一次D/A转换，其程序如下：

MOVBX，1000HMOVAL，[BX]MOVDX，PORTA;PORTA为D/A转换器端口号

OUTDX,AL;往D/A转换器输出数据16第十六页，共五十七页，2022年，8月28日（5）DAC0832应用

试用8255和DAC0832设计一个锯齿波发生器；要求：画出硬件连线示意图编写程序（含8255初始化程序）解：硬件连接线路图示意图见后所示此题没有要求接口地址，可假设8255的4个端口地址分别为：PORTA、PORTB、PORTC、PORTCT；程序段如下：

17第十七页，共五十七页，2022年，8月28日译码器地址信号RESETA2A1IORIOWD0~D7D0~D7ILEXFERRFBDGNDWR2CSWR1+5V输出-+IOUT1IOUT28255DAC0832D0~D7RESETA0WRRDA1PA0~7CS18第十八页，共五十七页，2022年，8月28日INIT55：MOVDX，PORTCTMOVAL，80HOUTDX，ALJCB：MOVDX，PORTAMOVAL，0FFH

ROTATE：INCALOUTDX，ALJMPROTATERET若改变锯齿波周期，加延时子程序。19第十九页，共五十七页，2022年，8月28日一、A/D转换涉及的参数1.转换精度：

反映了A/D转换器的实际输出接近理想输出的精确程度。A/D转换的精度通常是用数字量的最低有效位（LSB）来表示的。设数字量的最低有效位对应于模拟量,则称为数字量的最低有效位的当量。8.3模/数（A/D）转换器20第二十页，共五十七页，2022年，8月28日2.转换率：

是用完成一次D/A转换所需要的时间的倒数来表示，所以转换率表明了D/A转换的速度。3.分辨率：表明了能够分辨最小的量化信号的能力。通常用位数来表示A/D转换器的分辨率。对于一个能实现N位转换的A/D转换器来说，它能分辨的最小量化信号的能力为2N位.21第二十一页，共五十七页，2022年，8月28日二、A/D转换的方法

1.计数式

2.双积分式

3.逐次逼近式

4.用软件和D/A转换器来实现A/D转换22第二十二页，共五十七页，2022年，8月28日*三、A/D转换器与系统的连接

目前A/D转换芯片型号很多，既有通用而廉价AD570、AD7574、ADC0801(0802、0803、0804、0809)、也有高精度高速度的AD5774、AD578、ADC1130、ADC1131，还有高分辨率的ADC1210（12位）ADC1140（16位）等。不管是那种型号的A/D转换芯片，其对外引腿都是类似的。一般A/D转换芯片的引腿涉及这几类信号：模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号。A/D与系统连接时，就要考虑这些信号的连接问题。23第二十三页，共五十七页，2022年，8月28日1.输入模拟电压的连接A/D转换芯片的输入模拟电压即可为单端的，也可为差动的。芯片上常用VIN(-)、VIN(+)标号注出输入端。若为电压信号直接与转换的模拟信号相连，否则要将其转换成电压信号。

24第二十四页，共五十七页，2022年，8月28日2.

数据输出线与系统总线的连接

分两种情况：

第一种：若芯片输出端带有可控的三态输出门，如ADC0804，则这类芯片的输出端可直接与系统总线相连。

DB(CPU)A/D三态OERDINAL,PORTA(产生RD信号)25第二十五页，共五十七页，2022年，8月28日2.

数据输出线与系统总线的连接

第二种：A/D内部有三态输出门。但这种三态门不是受外部控制的，而是由A/D转换电路在转换结束时自动接通的。如AD570；此外还有些A/D转换器不带三态输出门电路。对这类芯片，其数据输出线就不能直接和系统的数据总线相连，而是必须通过I/O接口或附加的三态门电路实现A/D转换器和CPU之间的数据传输。

DB(CPU)A/DI/O接口或三态门26第二十六页，共五十七页，2022年，8月28日3.启动信号

启动信号一般有两种形式：

电平启动信号，要求在整个转换过程中都必须保持启动信号有效，若中途撤除，那就回立即停止转换而得到错误的结果。一般用并行接口或D触发器发启动信号，使其在A/D转换期间保持有效电平。如：AD570等。用脉冲信号来启动的，通常用CPU执行输出指令时发出的片选信号和写信号即可在片内产生启动脉冲，从而开始转换。如ADC0804、ADC0809、ADC1210等。

脉冲信号

电平信号27第二十七页，共五十七页，2022年，8月28日4.转换结束信号以及转换数据的读取

A/D转换结束时，A/D转换芯片会输出转换结束信号，通知CPU读取转换数据。

CPU一般可采用4种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。

程序查询方式：不断读取A/D转换结束信号。

中断方式：用转换结束信号作为中断请求信号。CPU等待方式：是利用CPU的READY引脚的功能。固定的延时程序方式：28第二十八页，共五十七页，2022年，8月28日举例：[例1]带有可控三态门的A/D转换器进行A/D转换，且采用中断方式传输转换数据。

以ADC0804为例。

ADC0804是8位分辨率、逐次逼近型模/数转换器，转换精度为1LSB，转换时间为100s.ADC0804与系统总线的连接见下图所示：29第二十九页，共五十七页，2022年，8月28日

主程序：OUTPORTAD，AL中断程序：INAL，PORTADWR和CS同时有效启动（负脉冲）30第三十页，共五十七页，2022年，8月28日[例2]

用不带可控三态门的A/D转换器实现A/D转换，且分别采用程序查询方式及等待方式来读取转换结果。

以AD570为具体对象介绍。

AD570是8位逐次比较型单片集成模/数转换芯片。AD570将D/A转换电路、参考电压、时钟脉冲、比较器、逐次逼近寄存器及输出缓冲器集成在一块芯片上，所以一般情况，只需要接上+5V及-15V电源，加上模拟输入，发出启动转换信号，而不需要任何外部电路即可实现8位A/D转换。31第三十一页，共五十七页，2022年，8月28日

由于AD570内部带有三态输出门，但不是外部可控的。因此AD570的数据输出线不能直接与系统的数据总线相连。解决的办法：通过并行接口芯片8255A等与系统相连。

（1）CPU工作于查询方式来读取转换结果

AD570与系统总线连接的电路图为：

32第三十二页，共五十七页，2022年，8月28日INI55：MOVAL，92HW:INAL,PORTBOUTPORTCT，ALRCRAL,01ADZH：MOVAL，01JCWOUTPORTC,ALMOVAL,01MOVAL,00OUTPORTC,ALOUTPORTC,ALINAL,PORTAAINBO10010010V+V-33第三十三页，共五十七页，2022年，8月28日(2)

CPU工作于等待方式读取转换结果INI55：MOVAL，90HMOVAL，0OUTPORTC,ALOUTPORTC,ALADZH：MOVAL,01INAL,PORTAOUTPORTC,AL1001000034第三十四页，共五十七页，2022年，8月28日

以ADC1210为例。ADC1210是低功耗中速12位逐次比较型的A/D转换器，转换时间为100s，主要硬件特性如下：

(1)芯片内有输出锁存器，但没有三态功能；

(2)以脉冲作为启动信号，要求启动信号的宽度等于时钟信号，启动输入端为SC；

(3)转换结束信号为CC，低电平有效，一直维持到下次启动转换为止；

(4)转换结束以二进制反码输出。[例3]8位以上的A/D转换器和系统的连接硬件连接图见教材35第三十五页，共五十七页，2022年，8月28日

若某10位A/D变换器芯片的引脚简图及工作波形如图所示。试画出该A/D芯片与8088系统总线相连接的接口电路图，并编制采集子程序，要求将采集到的数据放在BX中。接口芯片和地址自定。

[例4]8位以上的A/D转换器和系统的连接D0~D9STARTENBUSYVSTARTBUSYEND0D9~10位A/D转换器及其时序图36第三十六页，共五十七页，2022年，8月28日

分析：

本题中没有规定接口芯片，就可以任意选。简单三态门、三态锁存器、可编程并行接口8255等都可以实现连接，利用8255会更加方便一些。利用8255作为A/D变换器接口的硬件连接图如下所示。37第三十七页，共五十七页，2022年，8月28日ABCGG2AG2BY0A12RESETA1A0IORIOWD7~D0A7A6A5A4A3A2A13A11A10A9A15A14A8&+D7~D0RESETA0WRRDA1PA0PA7~PB0PB1PC1PC0CSPC7D0D7~D8D9STARTENBUSYV8088系统38第三十八页，共五十七页，2022年，8月28日INI55：MOVDX，0FF03HMOVAL，10011010BOUTDX，ALMOVDX，0FFO2HMOVAL，00HOUTDX，ALDATACQ：MOVDX，0FF02HMOVAL，01HOUTDX，ALMOVAL，00HOUTDX，AL

；使START=0，EN=0；产生启动正脉冲39第三十九页，共五十七页，2022年，8月28日WAIT：INAL，DXANDAL，80HJZWAITMOVAL，02HOUTDX，ALMOVDX，0FF00HINAL，DXMOVBL，ALINCDXINAL，DXANDAL，03H；等待变换结束；使EN=1，有效；读D0~D7；读D8D9；屏蔽高6位40第四十页，共五十七页，2022年，8月28日

MOVBH，ALMOVDX，0FF02HMOVAL，00HOUTDX，ALRET；再使START=0，EN=0，A/D转换器停止转换41第四十一页，共五十七页，2022年，8月28日

7.4采样保持电路+-输入+状态控制开关A1A2-采样保持电路芯片有通用型的，如AD583K、AD582KLF398等；也有高速的，如THS-0025、THS-0060、THC-0300、THC-1500；还有高分辨率的，如SHA1144、ADC1130等。42第四十二页，共五十七页，2022年，8月28日7.5多路转换模拟开关

可采用的方法有两种：

第一种方法：是用独立的多路转换模拟开关来轮流切换各回路和A/D、D/A之间的通路。对于A/D转换来说，要用到多路输入、一路输出的模拟开关电路；对于D/A转换来说，要用到一路输入、多路输出的模拟开关电路。这两种电路都已经有集成电路芯片，如AD7501、AD7503和CD4501、CD4502、CC4067等。43第四十三页，共五十七页，2022年，8月28日

第二种方法：是选择内部带有多路转换模拟开关电路的A/D、D/A转换器。比如ADC0808、ADC0809就是内部带多路输入、一路输出切换开关的A/D转换器。介绍ADC0809芯片44第四十四页，共五十七页，2022年，8月28日*ADC0809芯片ADC0809是单片、CMOS、逐次比较、8位模/数变换器。片内包含8位模/数变换器、8通道多路转换器与微控制器相兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适用于过程控制、智能仪器和机床控制等领域。45第四十五页，共五十七页，2022年，8月28日主要性能：可锁存三态输出，输出与TTL兼容；具有锁存控制的8路模拟开关；分辨率：8位;无需外部进行零点和满度调整;转换时间(fCLK=500KHz):128s转换精度：0.4%46第四十六页，共五十七页，2022年，8月28日IN0IN7：8路输入通道的模拟量输入端口2-12-8

：8位数字量输出端口START，ALE：启动信号输入端口和地址锁存控制信号端口。这两个信号也可连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模/数转换。REF(+),REF(-)：为参考电压输入端。引脚：47第四十七页，共五十七页，2022年，8月28日

引脚：EOC，OE：分别为转换结束信号脉冲输入端口和输出允许控制端口。这两个信号也可连接在一起表示模/数转换结束。OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。VCC，GND：分别为主电源输入端和接地端。一般将REF(+)与VCC连在一起，REF(-)与GND连在一起48第四十八页，共五十七页，2022年，8月28日引脚：CLK：时钟输入端。ADDA，ADDB，ADDC：8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。其对应关系如下：

49第四十九页，共五十七页，2022年，8月28日

地址码对应的输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN750第五十页，共五十七页，2022年，8月28日应用举例：

设有一系统，要求监控8路模拟输入信号，每一路转换精度要求8位，当这8路信号的前7路之和大于第8路时，则输出一报警信号（LED亮）。

(1)画出硬件连线图；

(2)写出对8路模拟信号进行A/D转换，并将结果送入BUF内存区的程序段。要求：用8255的A口输入A/D转换后的8位数字量51第五十一页，共五十七页，2022年，8月28日用8255的C口上半口输出通道选择信号和启动脉冲信号；C口的下半口PC7接收A/D转换器转换结束信号；用8255B口的PB7输出报警信号，点亮LED发光二极管。（系统采用8088CPU）

解：（1）根据题要求画出硬件连接图如下：

8255的4个端口地址为：200H、201H、202H、203H52第五十二页，共五十七页，2022年，8月28日RESETA1A0IORIOWA7A8A9D7~D0A6A5A4A3A2+ABCGG2AG2BY0D7~D0ADDBADDAIN0IN7OE．．．ADDCSTARTALEEOC+5V．．．8路模拟输入+5VLEDD7~D0RESETA0CSWRRDA1PA0PA7~PC0PC1PC2PC3PB0~PB7PC753第五十三页，共五十七页，2022年，8月28日INIT55:

MOVDX,203HMOVAL,98HOUTDX,AL