第九章 数模转换与模数转换

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学习工具目录微型计算机基础01微处理器02指令系统（上）03指令系统（下）04汇编语言程序设计05存储器06输入输出与中断07可编程接口芯片08数模转换与模数转换09综合实践——交通灯控制系统10第九章数模转换与模数转换本章导读在微型计算机的输入输出系统中，经常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理的数字信号输出以控制某些外设。模数转换（A/D转换）或数模转换（D/A转换）：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。本章将主要介绍数模转换器和模数转换器的基本原理与技术指标，以及两种典型芯片DAC0832和ADC0809的工作原理与使用方法。数模转换与模数转换是两个互逆的过程，常用于计算机控制和测量仪表中。学习目标了解数模转换器的基本原理和技术指标。掌握DAC0832的工作原理和使用方法。了解模数转换器的基本原理和技术指标。掌握ADC0809的工作原理和使用方法。积极探索不同应用场景，全面提升实验设计能力，激发创新思维。任务导航任务一数模转换器任务二模数转换器数模转换器019.1.1数模转换器简介作用：将数字信号转换成模拟信号的装置，简称DAC。数模转换器的工作原理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：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，实现由数字量到模拟电流或电压的转换值为0时开关断开值为1时开关接通1．数模转换器的工作原理9.1.1数模转换器简介在权电阻网络中，自上而下各支路的电阻值都是前一支路电阻的

2倍（1）权电阻网络权电阻网络二进制数因各位数字权值不同，经权电阻网络后，各支路产生与二进制数各位权成比例的电流，这些电流经运算放大器相加转换，输出与二进制数成比例的模拟电流或电压。1．数模转换器的工作原理9.1.1数模转换器简介（1）权电阻网络电阻的种类多，阻值变化范围大，不容易得到高精度的大电阻若Di＝0，则开关Si断开若Di＝1，则开关Si闭合1．数模转换器的工作原理9.1.1数模转换器简介（2）T型电阻网络只使用两种阻值的电阻（R和2R）T型电阻网络常用在T型电阻网络中，各支路的电流直接输入到运算放大器中，具有较高的工作效率，因此被广泛采用。1．数模转换器的工作原理9.1.1数模转换器简介（1）分辨率定义：输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比，表明了数模转换器的一个最低有效位（LSB）使输出变化的程度。常用输入二进制数的位数来描述，位数越多，则分辨率越高例如1．数模转换器的工作原理9.1.1数模转换器简介（1）分辨率满量程电压：输入二进制数的各位均为1时的输出电压输出电压的最小变化量:输入的二进制数只有最低位为1时的输出电压同学们，假如我们有个能将二进制数转成电压输出的设备，那当输入二进制数全是1时输出电压会怎样？要是只有最低位是1，输出电压又会如何变化呢？2．数模转换器的技术指标9.1.1数模转换器简介（2）转换精度定义：数模转换的实际输出模拟值与理论值之间的最大偏差，表明了数模转换的精确程度。转换精度绝对精度相对精度数模转换实际输出的模拟值与理论值之差，通常以

LSB的分数形式表示满量程值校准后，实际输出的模拟值与理论值之差，通常以绝对精度与满量程（FSR）的百分比来度量例如2．数模转换器的技术指标如果有一台电子秤，它的最大称量范围是10千克，现在称量一个5千克的物体，电子秤显示的重量可能是4.99千克或5.01千克。那么，这种误差的大小对于电子秤的称量精度来说，我们应该如何衡量呢？是看误差的绝对数值大小，还是看误差相对于最大称量范围的比例？这两种衡量方式各有什么特点和意义呢？9.1.1数模转换器简介（3）建立时间定义：当输入数值满量程后，输出模拟值稳定到最终值的±1/2LSB时所需要的时间。该时间是表征数模转换器性能的重要指标，显然建立时间越长，转换速率越低。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V/µs。同学们，想象一下有个数模转换器，输入满量程后输出模拟值要稳定有个时间，这个时间变长会怎样呢？2．数模转换器的技术指标9.1.1数模转换器简介（4）温度灵敏度（5）输出范围定义：在满量程时，温度每升高1℃，输出模拟值变化的百分数。它反映了数模转换器对温度变化的灵敏程度。定义：数模转换器输出电压的最大范围，一般为5～10V。输出电压一般与参考电压、运算放大器的连接方式等有关。2．数模转换器的技术指标9.1.2数模转换器芯片DAC0832DAC0832是电流输出型数模转换器，分辨率为8位，精度为±1LSB，建立时间为1μs，温度灵敏度为20×10－6/℃，参考电压为±10V，单电源为＋5V～＋15V，功耗为20mW。1．初始化命令字DAC0832引脚图数模转换器芯片DAC0832你听说过数模转换器芯DAC0832吗？DAC0832是20引脚的双列直插式芯片DAC0832引脚图9.1.2数模转换器芯片DAC08321．初始化命令字8位数据输入端，与CPU数据总线相连片选信号，输入，低电平有效，与ILE配合决定是否起作用输入锁存允许信号，输入，高电平有效DAC0832引脚图9.1.2数模转换器芯片DAC08321．初始化命令字写信号1，将8位输入数据锁存到输入寄存器中，低电平有效此信号必须同、ILE同时有效，即：当变为高电平、ILE变为低电平时，输入数据被锁存在输入寄存器中当和同时为低电平、ILE为高电平时，输入数据不锁存DAC0832引脚图9.1.2数模转换器芯片DAC08321．初始化命令字写信号2，将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，低电平有效当或变为高电平时，输入寄存器中的数据被锁存在DAC寄存器中当与传送控制信号同时为低电平时，DAC寄存器中的数据不锁存传送控制信号，输入，低电平有效，与配合产生对DAC寄存器的锁存信号DAC0832引脚图9.1.2数模转换器芯片DAC08321．初始化命令字模拟电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和模拟电流输出2，与IOUT1之和为一常量反馈电阻引脚，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，与运算放大器配合构成电流/电压转换器当各位均为0时，输出电流最小当DAC寄存器中各位均为1时，输出电流最大参考电压输入端，输入电压范围为－10V～＋10VDAC0832引脚图9.1.2数模转换器芯片DAC08321．初始化命令字芯片电源电压，范围为＋5V～＋15V模拟地，模拟电路接地端数字地，数字电路接地端9.1.2数模转换器芯片DAC08322．DAC0832的内部结构DAC0832内部结构框图DAC0832的内部由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、一个8位数模转换器（T型电阻网络）和相应辅助电路组成。9.1.2数模转换器芯片DAC08322．DAC0832的内部结构数模转换器实际上是一个

T型电阻网络，与外部运算放大器配合完成数模转换工作。DAC寄存器为第二级锁存器，由和信号配合控制其锁存数据，从而可以实现两次缓冲输入寄存器作为第一级锁存器，由ILE、和信号配合控制其锁存数据9.1.2数模转换器芯片DAC08323．DAC0832的工作时序DAC0832工作时序图①D0～D7数据输入后，当ILE为高电平、和为低电平时，输入数据被送入输入寄存器②当和由低电平变为高电平时，输入数据被锁存在8位输入寄存器中③和同时加一个负脉冲，当由低电平变为高电平时，输入寄存器中的数据被锁存在DAC寄存器中④DAC寄存器中的数据被加到数模转换器上，产生模拟输出9.1.2数模转换器芯片DAC08324．DAC0832的输出连接方式单极性输出双极性输出单极性输出电路9.1.2数模转换器芯片DAC08324．DAC0832的输出连接方式单极性输出双极性输出双极性输出电路9.1.2数模转换器芯片DAC08325．DAC0832在不同工作模式下与CPU的连接单缓冲方式双缓冲方式直通方式定义：使输入寄存器或DAC寄存器中的一个处于直通状态，即输入数据经过一级缓冲就送入数模转换器。DAC0832在单缓冲方式下与CPU的连接电路例如9.1.2数模转换器芯片DAC08325．DAC0832在不同工作模式下与CPU的连接单缓冲方式双缓冲方式直通方式定义：输入寄存器和DAC寄存器均处于缓冲方式，即输入数据通过两个寄存器锁存后再送入数模转换器。在这种工作方式下，数据接收与数模转换可异步进行，可实现多个DAC同时转换输出9.1.2数模转换器芯片DAC08325．DAC0832在不同工作模式下与CPU的连接单缓冲方式双缓冲方式直通方式DAC0832在双缓冲方式下与CPU的连接电路9.1.2数模转换器芯片DAC08325．DAC0832在不同工作模式下与CPU的连接单缓冲方式双缓冲方式直通方式定义：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数模转换器被转换成模拟量，模拟输出总是随着输入而变化。这种工作模式在实际中很少采用9.1.3实战演练——数模转换产生梯形波1．电路设计2．程序设计DAC0832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。DAC0832在单缓冲方式下与CPU的连接电路设DAC0832的端口地址为228H，则程序清单如下。CSEGSEGMENTASSUMECS:CSEGSTART:MOVDX,0228H ;数模转换器端口地址

MOVCX,0FFHMOVAL,00H ;初始值LOP1:OUTDX,AL ;向数模转换器输出一个数据

LOOPLOP1 ;循环256次,形成梯形波的下底

MOVCX,0FFH9.1.3实战演练——数模转换产生梯形波1．电路设计2．程序设计LOP2:INCAL ;输出值增加1OUTDX,ALLOOPLOP2 ;循环输出,形成梯形波的上升沿

MOVCX,0FFHLOP3:OUTDX,ALLOOPLOP3 ;循环输出,形成梯形波的上底

MOVCX,0FFHLOP4:DECAL ;输出值减1OUTDX,ALLOOPLOP4 ;循环输出,形成梯形波的下降沿9.1.3实战演练——数模转换产生梯形波1．电路设计2．程序设计MOVAH,0BH ;调用DOS0B号功能,检查键盘状态

INT21HCMPAL,0JNEEXIT ;AL不为0时,有键按下,退出程序

JMPSTART ;重复转换过程,继续输出梯形波EXIT:MOVAH,4CH ;返回DOSINT21HCSEGENDSENDSTART9.1.3实战演练——数模转换产生梯形波1．电路设计2．程序设计课堂检测数模转换器分辨率的定义是什么？DAC0832芯片采用哪种电阻网络实现数模转换？课堂小结数模转换器数模转换器简介数模转换器芯片DAC0832实战演练——数模转换产生梯形波模数转换器029.2.1模数转换器简介作用：将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置称为模数转换器，简称ADC。计数式模数转换器逐次逼近式模数转换器双积分式模数转换器模数转换器按照工作原理1．模数转换器的工作原理9.2.1模数转换器简介工作原理：计数式模数转换器的工作原理（1）计数式模数转换器速度慢、价格低，适用于慢速系统此时，由计数器端口读出的计数值即模拟电压Vi转换后的数字量。在S端加入一个负脉冲使8位计数器清零，将模拟电压Vi加到比较器的正端，8位数模转换器输出为V0＝0，比较器输出高电平，计数器对时钟脉冲开始计数。数模转换器的输出电压V0随计数值的增加而增加，当V0＞Vi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。1．模数转换器的工作原理将模拟电压Vi输入到积分器，积分器从0开始对Vi进行固定时间的正向积分将与Vi极性相反的基准电压VREF输入到积分器进行反向积分。同时，控制逻辑使得计数器对时钟脉冲计数。当VREF的反向积分为0时，停止积分，比较器输出信号使计数器停止计数。9.2.1模数转换器简介工作原理：双积分式模数转换器的工作原理（2）双积分式模数转换器转换精度高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速系统计数器在反向积分时间内的计数值，就是输入模拟电压Vi对应的数字量。1．模数转换器的工作原理9.2.1模数转换器简介逐次逼近式模数转换器的工作原理（3）逐次逼近式模数转换器最常用工作原理：初始化时将逐次逼近寄存器清0，启动信号变为高电平后，逐次逼近寄存器开始计数。在第一个时钟脉冲，将逐次逼近寄存器最高位置1，送入数模转换器，经数模转换器生成的模拟量V0输入比较器。比较器输出高电平，则该位的1被保留若V0＜Vi比较器输出低电平，该位的1被清除若V0＞Vi1．模数转换器的工作原理9.2.1模数转换器简介逐次逼近式模数转换器的工作原理（3）逐次逼近式模数转换器工作原理：第二个时钟脉冲将逐次逼近寄存器次高位置1，重复此过程。如此经过8个时钟脉冲，逐次逼近寄存器的8位都被确定。转换结束后，逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，控制电路输出一个结束信号。逐次逼近寄存器中的数字量就是模拟电压Vi转换后的数据。这种方法就好像用天平称物体时，由大到小逐级增减砝码逐步去逼近被称物体。转换精度高、速度快，但抗干扰性差1．模数转换器的工作原理9.2.1模数转换器简介（1）分辨率定义：输出数字的最小变化量所需输入模拟量的变化值，通常用模数转换器的位数来表示分辨率，位数越多，其分辨率越高。（2）量化误差定义：模数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，一般在±1/2LSB之间。2．模数转换器的技术指标9.2.1模数转换器简介（3）转换精度定义：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，可以用绝对精度和相对精度两种方法表示。（5）输入范围模数转换器的模拟电压输入范围一般为0～5V或0～10V。（4）转换时间定义：完成一次模数转换所需要的时间。一般而言，转换精度越高，转换时间越长。2．模数转换器的技术指标9.2.2模数转换器芯片ADC0809ADC0809是逐次逼近式模数转换器，它的分辨率为8位，有8个模拟量输入通道，转换时间为100μs，单电源＋5V供电，模拟电压输入范围为0～＋5V，功耗为15mW。1．ADC0809的引脚ADC0809是28引脚的双列直插式芯片。模数转换器芯片ADC0809你听说过模数转换器芯ADC0809吗？让我们一起播放视频了解一下吧。ADC0809引脚图9.2.2模数转换器芯片ADC08091．ADC0809的引脚ADC0809引脚图8路模拟电压输入端8位数字量输出端地址输入端，它们的不同组合可用来选择不同的模拟输入通道，编码000～111分别对应IN0～IN7ADDA、ADDB和ADDC与输入通道的关系ADDCADDBADDA输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN79.2.2模数转换器芯片ADC08091．ADC0809的引脚ADC0809引脚图启动转换的控制信号，输入，高电平有效通道地址锁存信号，输入，用于选通8路模拟输入通道，高电平有效转换结束状态信号，输出，高电平有效基准电压输入端，通常与GND相连输出允许信号，高电平有效时钟输入信号，时钟频率范围为10kHz～1.2MHz基准电压输入端，通常与VCC相连该信号有效时，ADDA、ADDB和ADDC才能控制选择8路模拟输入中的某一通道9.2.2模数转换器芯片ADC08092．ADC0809的内部结构ADC0809的内部由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个模数转换器和一个三态输出锁存器组成。ADC0809内部结构框图9.2.2模数转换器芯片ADC08092．ADC0809的内部结构ADC0809内部结构框图用于选通8个模拟输入通道，实现8路模拟量分时输入根据ADDA、ADDB和ADDC三个地址输入端与译码结果，来选择不同的模拟输入通道，从而控制8路模拟开关9.2.2模数转换器芯片ADC08092．ADC0809的内部结构ADC0809内部结构框图模数转换器：定时与控制器的START信号控制模数转换的开始，输入模拟量经模数转换器转换成数字量存放在逐次逼近寄存器中用于锁存转换后的数字量，当OE有效时，打开三态门，将数字量输出到CPU9.2.2模数转换器芯片ADC08093．ADC0809的工作时序ADC0809工作时序图①将通道地址送到ADDA～ADDC上，选择8路模拟输入通道中的一路②在通道地址信号有效期间，在ALE信号的上升沿，地址被锁存③在START信号的下降沿启动模数转换④当EOC为低电平时，表示正在进行模数转换当EOC变为高电平时，表示转换结束⑤在OE的控制下，打开三态缓冲器，将转换结果输出到数据总线9.2.2模数转换器芯片ADC08094．ADC0809与CPU的连接主要解决的问题：模拟量输入端IN0～IN7数据量输出端D0～D7通道地址输入端ADDA～ADDC通道地址锁存信号ALE启动转换信号START转换结束信号EOC与系统总线的连接010203040506模拟输入端的连接（a）单路输入（b）多路输入9.2.2模数转换器芯片ADC08094．ADC0809与CPU的连接模拟信号可连接到任何一个输入端，ADDA～ADDC则根据输入信号固定连接单路输入时模拟信号按顺序分别连接到各输入端，ADDA～ADDC的不同编码对应选择不同的模拟输入通道多路输入时（1）模拟输入端的连接9.2.2模数转换器芯片ADC08094．ADC0809与CPU的连接多路输入时，ADDA～ADDC不能固定连接，要通过一个接口芯片与数据总线连接，并使用OUT指令将通道地址送入ADC0809，用于选择不同的模拟输入通道。（2）通道地址输入端的连接（a）使用8255A

（b）使用74LS273通道地址输入端的连接可选用的接口芯片有可编程并行接口芯片8255A、锁存器74LS273和74LS373等9.2.2模数转换器芯片ADC08094．ADC0809与CPU的连接D0～D7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。（3）数据输出端的连接74LS244为三态8位锁存器，常用作总线驱动，没有锁存（a）直接与数据总线相连（b）通过三态门与数据总线相连数据输出端的连接9.2.2模数转换器芯片ADC08094．ADC0809与CPU的连接（4）ALE和START端与CPU的连接（a）独立连接

（b）统一连接ALE和START端的连接两个信号分别进行控制一个脉冲信号的上升沿进行抵制锁存，下降沿启动转换9.2.2模数转换器芯片ADC08094．ADC0809与CPU的连接（5）转换结束信号判断模数转换是否结束的方法：查询方式中断方式延时方式DMA方式将EOC作为状态信号通过一个三态门连接到数据总线的某一位上。CPU启动转换后，就不断地查询这个状态位，当EOC有效时读取转换结果。将EOC作为中断请求信号接到CPU的中断请求线上。转换结束时向CPU发出中断请求，CPU响应后，在终端服务子程序中读取转换结果。不使用硬件连线，不使用EOC信号。CPU启动后，延时一段时间，此时转换结束，读取转换结果。将EOC作为DMA请求信号。转换结束后，启动DMA传送，通过DMA控制器将数据送入内存缓冲区。同学们，假设我们有一个任务：把一批书从教室A搬到教室B。我们可以用几种方法来完成：一是不停地去教室A查看书是否准备好再搬二是等有人喊一声‘书准备好了’再去搬三是估计时间差不多就去搬四是让一个同学专门负责把书直接送到教室B。这四种方法分别对应今天我们要讲的模数转换结束的四种判断方式。大家想想，这四种方法各有什么优缺点呢？9.2.3实战演练——模数转换显示转换数据1．电路设计2．程序设计ADC0809与CPU的连接9.2.3实战演练——模数转换显示转换数据ADC0809与CPU的连接1．电路设计2．程序设计9.2.3实战演练——模数转换显示转换数据ADC0809与CPU的连接1．电路设计2．程序设计DSEGSEGMENTTEXTDB'ADC0809CONVERT:'DB'RESULT=','$'DSEGENDSCSEGSEGMENTASSUMECS:CSEG,DS:DSEGSTART:MOVAX,DSEGMOVDS,AXLOP:LEADX,TEXT ;显示字符串输出9.2.3实战演练——模数转换显示转换数据1．电路设计2．程序设计MOVAH,9INT21HMOVDX,300H ;启动模数转换

XORAL,ALOUTDX,ALMOVCX,500H ;延时200μsDELAY:LOOPDELAYINAL,DX ;读取转换结果送入ALMOVDH,AL ;保存转换结果9.2.3实战演练——模数转换显示转换数据1．电路设计2．程序设计MOVDL,AL ;显示转换结果

MOVCL,4SHRDL,CL ;右移4位,将高4位移到低4位

CALLDISP ;显示DL的高位十六进制数

MOVDL,DHANDDL,0FHCALLDISP ;显示DL的低位十六进制数

MOVDL,0DH

;显示回车换行

MOVAH,29.2.3实战演练——模数转换显示转换数据1．电路设计2．程序设计INT21HMOVDL,0AHMOVAH,2