微型计算机原理与接口技术：第八章 数模与模数转换

第8章数/模与模/数转换

数/模与模/数转换概念

8.1数/模（D/A）转换器

8.1.1D/A转换器的基本原理

8.1.2D/A转换器的主要技术指标

8.1.3D/A转换器芯片DAC0832

8.2模/数（A/D）转换器

思考题、作业题

D/A与A/D转换：微型计算机处理的是数字量，而实际上外界事物大多是模拟量，如：温度、压力、浓度等等，这些都是非电的物理量，它们必须经过传感器转换为模拟的电信号，然后经过A/D转换器将模拟的电信号转换成数字信号，才能为微机所处理，这一转换过程称为A/D转换；计算机处理的数字量也必须经过D/A转换器将数字信号转换成模拟的电信号，才能为外界所接收。

D/A转换器：将数字信号转换成模拟的电信号。

A/D转换器：将模拟的电信号转换成数字信号。

传感器：一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏感元件。数/模与模/数转换概念返回8.1模拟量I/O通道的组成模拟接口电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工业生产过程传感器放大滤波多路转换&采样保持A/D转换放大驱动D/A转换输出接口微型计算机执行机构输入接口物理量变换信号处理信号变换I/O接口输入通道输出通道

8.1.1数／模(D/A)转换器的基本原理1．权电阻网络D/A转换器的基本工作原理8.1数/模转换器下页D/A转换器框图运算放大器……模拟电压输出n位数字量输入电阻网络多路模拟开关权电阻网络D/A转换器原理图OP…VOK1RfR1VrefK2R2K3R3KnRn

假定使Rf

=R，各支路上的输入电阻R1，R2……Rn分别等于21R，22R……2nR，则可得出输出电压Vo和输入数值D的关系式为式:8.1数/模转换器下页

任意一支在开关闭合时,在输出端上引起的输出电压VO与输入电压Vref之间有如下关系：

式中Rf为运算放大器的反馈电阻，Ri为输入电阻。

因此，第i支路引起的输出电压为

输入端有n个支路，按叠加定理，输出电压为各个分输出电压之和：8.1数/模转换器下页

二进制数D等于0时,Vo输出为0;

D=10000000B时,D7=1，其余为0，仅K7闭合，Vo输出为－Vref/2，D=11111111B时，全部开关闭合，Vo输出为－(255/256)×Vref。输出幅度为(255/256)Vref。

D/A转换器的转换精度与基准电压Vref和权电阻的精度以及数字量的位数n有关。显然，位数越多，转换精度就越高，但同时所需的权电阻的种类就越多。在集成电路和制造高阻值的精密电阻比较困难.8.1数/模转换器返回由叠加定理：Io=∑Ion=(8*D3+4*D2+2*D1+1*D0)*Vref/(16R)四位D/A：Io=D*Vref/(16R)Vref2RRRR2R2R2R2RioVoD3:onIo3=Vref/(2R)=8Vref/(16R)D2:on分压比：R/(R+R)=1/2Io2=Vref/(2R)*（1/2）=4Vref/(16R)Io0=1Vref/(16R)Io1=2Vref/(16R)数据位高，输出大D3D2D1D0

2T形网络D/A原理

它只由两种阻值R和2R组成，用集成工艺生产较为容易，精度也容易保证，因此得到比较广泛的应用。R-2R梯形电阻网络8.1数/模转换器下页8.1.2D/A转换器的主要技术指标

（1）分辨率（Resolution）

单位数字量所对应模拟量增量。

（2）精度（Accuracy）

分绝对精度（AbsoluteAccuracy）和相对精度（RelativeAccuracy）

绝对精度（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理想输出值之差。它是由D/A的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合引起的。

相对精度指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出与它的理论值之差。

（3）线性误差

由于种种原因，D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。8.1数/模转换器返回

（4）转换时间

转换时间是指当输人数字量满刻度变化(如全0到全1)时，从数字量输入到输出模拟量达到与终值相差±1/2LSB(最低有效位)相当的模拟量值所需的时间，它表示D/A转换器的转换速率。

（5）动态范围

动态范围是指最大和最小输出值范围。一般决定于参考电压Vref的高低。参考电压高，动态范围就大。整个D/A转换电路的动态范围除与Vref有关外，还与输出电路的运算放大器的级数及连接方法有关。适当地选择输出电路，可在一定程度上增加转换电路的动态范围。D/A转换器的主要技术指标分辨率（Resolution）输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个满量程为5V的10位DAC，±1

LSB的变化将使输出变化5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2LSB

也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSRLSB:LeastSignificantBitFSR:FullScaleRange)

转换时间从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULL08.1数/模转换器下页1．DAC0832的内部结构

8.1.3D/A转换器芯片DAC0832

DAC0832是并行接口总线的具有两级锁存器的8位D/A，与系统总线连接方法具有一定代表性。

3．DAC0832的工作方式

根据DAC0832内部两级锁存器（数据输入寄存器、DAC寄存器）使用方法的不同，0832有3种工作方式。

(1)单缓冲工作方式(2)双缓冲工作方式(3)直通工作方式8.1数/模转换器返回

2．DAC0832的主要性能指标分辨率：8位；线性误差：(0.05％~0.2％)F·S(满刻度)；转换时间：1μs；功耗：20mW。

完成D/A转换的程序段如下所示：MOV AL，DATA ；要转换的数据送ALMOV DX，PORT ；0832的端口地址送DXOUT DX，AL ；将数字量送D/A转换器进行转换8.1数/模转换器返回

(1)单缓冲工作方式

单缓冲工作方式是使输入寄存器或DAC寄存器中的任意一个工作在直通状态，另一个由CPU控制。电路连接如图。DAC寄存器工作在直通状态。

VIOUT2RfbIOUT1Vref+5VD7~D0+5VVCCILEGNDAGNDVV+5V译码电路地址总线IOWVoutDAC0832单缓冲方式下的电路连接

完成D/A转换的程序段如下所示：MOVAL，DATA；待转换的数据送ALMOVDX，Y1 ；输入寄存器端口地址Y1送DXOUTDX，AL；数据送输入寄存器MOVDX，Y2 ；DAC寄存器端口地址Y2送DXOUTDX，AL；启动变换8.1数/模转换器返回

(2)双缓冲工作方式

在这种工作方式下，CPU要对0832进行两步写操作。①将数据写入输入寄存器。②将输入寄存器的内容写入DAC寄存器。IOWY1Y2+5V译码电路地址总线VoutDAC0832双缓冲下电路连接+5VD7~D0+5VVIOUT2RfbIOUT1VrefVCCILEGNDAGNDVV8.1数/模转换器返回

(3)直通工作方式

CS、WR1、WR2以及引脚XFFR都直接接数字地，ILE接+5V，芯片就处于直通工作方式状态。此时0832就一直处于D/A转换状态，即模拟输出端始终跟踪输入端D0~D7

的变化，这种方式一般只用于数字反馈控制电路，不能直接与8088CPU的数据总线相连接。

8.2.1模／数(A/D)转换器的基本原理

一、采样、量化和编码

物理参数，如电流、电压、温度、压力，都是模拟量。模拟量的大小是连续分布的，是时间上的连续函数。要将模拟量转换成数字信号需经采样——>量化——>编码三个基本过程（数字化过程）。

1.采样

按采样定理对模拟信号进行等时间间隔采样，将得到的一系列时域上的样值去代替u=f(t)，即用u0、u1、…un代替u=f(t)。

这些样值在时间上是离散的值，但在幅度上仍然是连续模拟量。8.2模/数转换器下页

2.量化在幅值上再用离散值来表示。方法是用一个量化因子Q去度量；u0、u1、…un，便得到整量化的数字量。u0=2.4Q=2Q010u1=4.0Q=4Q100u2=5.2Q=5Q101u3=5.8Q=5Q101

3.编码将整量化后的数字量进行编码，以便微机读入和识别；编码仅是对数字量的一种处理方法。例如：Q=0.5V/格，设用三位（二进编码）8.2模/数转换器下页

二、A/D的工作原理

1.分类

按被转换的模拟量类型可分为时间/数字、电压/数字、机械变量/数字等。应用最多的是电压/数字转换器。电压/数字转换器又可分为多种类型：按转换方式可分为：直接转换、间接转换。按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。按转换原理可分为：计数式、比较式。按转换速度可分为：低速、中速、高速。按转换精度和分辨率可分为：8位、10位、12位、14位、16位、24位等等。8.2模/数转换器下页8.2模/数转换器下页

2逐次比较型A/D原理＋∑－SARD/A控制逻辑BUFFclkStartEOCDoutViV’SAR转换范围7

16

05

14

03

12

01

10

0Dx

输入Vi和输出D关系D=Vi/(Vref/256)=256*Vi/Vref100000001100000010

100000101100001010

100010101100101010

1010101011101010108.2模/数转换器下页8.2.2A/D转换器的主要技术指标

(1)分辨率

是指A/D转换器能够转换成二进制数的位数,通常也用它能够分辨的最小输入电压来表示。例如，一个输入电压量程为5V的8位A/D的转换器，它能够分辨的最小电压为5000mV/255≈19.6mV

(2)非线性误差指在整个变换量程范围内，数字量所对应的模拟输入信号的实际值与理论值之间的最大差值。

8.2模/数转换器下页

(3)转换时间和转换率完成一次A/D转换所需要的时间称为转换时间，即从发出启动转换命令信号到转换结束信号有效之间的时间间隔。

转换率为转换时间的倒数。例如：ADC0809的转换时间为100μs，其转换率为10kHz。

(4)量程指A/D转换器能够转换的模拟输入电压的变化范围。模拟电压输入分为单极性和双极性两种。

单极性：常见的量程有0~20mV、0~200mV、0~5V、0~10V或0~20V等；

双极性：常见的量程有-10~+10mV、-100~+100mV、-5V~+5V或-10V~+10V等。8.2模/数转换器下页

1．ADC0809的内部结构

8.2.3A/D转换器芯片ADC0809

ADC0809是逐次逼近型8位单片A/D转换芯片。片内含8路模拟开关，可允许8个模拟量输入。片内带有三态输出缓冲器。IN0IN1…IN7ADDCADDBADDAALE

8路模拟开关地址锁存器D7~D0OESTARTEOCVCCGNDADC0809结构示意图CLKVref+Vref-8-bitADC8位三态输出缓冲

3．ADC0809的工作时序

8.2模/数转换器下页

2．ADC0809的主要性能指标分辨率：8位。转换时间：100μs。电源：单电源0~+5V。ADC0809的工作时序通道号ADDCBAEOCALESTART模拟信号保持稳定数据OED7~D08.2模/数转换器下页

4．ADC0809的应用【例】如图，编写8路模拟量的循环数据采集程序。设转换结果(数字量)放在DATA为首的内存单元中。

≥1U1&U2G2AG2BGU3CBA≥1D7Q7D6Q6……D0Q0E1E2U7≥1≥1D7D6…D0OEEOCU9ADDCADDBADDAALESTARTQ7D7Q6D6……Q0D0E1E2

U8D2~D0D7D6…D0IORA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOWIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN774LS244×274LS138ADC0809ADC0809典型接口Y1Y0Y28.2模/数转换器下页

4．ADC0809的应用通道选择端口地址Y0为78H，使用数据总线的D2、D1和D0位。EOC状态信号端口地址Y1为79H，使用数据总线的D7位。数据输出口地址Y2为7AH。程序段如下：MOV SI，OFFSETDATA；DATA内存单元偏址MOV BL,0 ；通道号,初始指向第0路MOV CX,8 ；共采集8次,每