第8章-微機原理及單片機 AD和DA轉換器

第8章A/D和D/A轉換器DAC0832學習目標了解DAC0832的結構和工作原理。理解D/A轉換器的編程及其應用。了解ADC0809轉換器的結構和工作原理。理解A/D轉換器的編程及其應用。學習內容第一部分：數(shù)字量與模擬量第二部分：模擬量輸入輸出通道第三部分：數(shù)/模（D/A）轉換

數(shù)字量（Digit）和模擬量（Analog） 為了使用計算機對模擬量進行采集、加工和輸出，需要把模擬量轉換成便于數(shù)字計算機存儲和加工的數(shù)字量（A/D轉換，ADC），或者把數(shù)字量轉換成模擬量(D/A轉換，DAC)。模擬量輸入輸出通道1．傳感器（變送器）把外部的物理量（例如：聲音、溫度、壓力、流量等）轉換成電流或電壓信號。2．

A/D轉換器將電壓表示的模擬量轉換成數(shù)字量，送計算機處理，它是輸入通道的核心環(huán)節(jié)。3．信號處理

傳感器輸出的信號比較微弱，需要經過放大獲得ADC所要求的輸入電平范圍。安裝在現(xiàn)場的傳感器及其傳輸線路容易受到干擾信號的影響，需要加接濾波電路，濾去干擾信號。4．多路開關需要監(jiān)測或控制的模擬量往往多于一個?？梢允褂枚嗦纺M開關，輪流接通其中的一路，使多個模擬信號共用一個ADC進行A/D轉換。5．采樣/保持器

A/D轉換期間保持輸入信號不變的電路稱為采樣/保持電路。轉換開始之前，采樣/保持電路采集輸入信號(采樣)。轉換進行過程中，它向A/D轉換器保持固定的輸出(保持)。6．D/A轉換器

D/A轉換器將成數(shù)字量轉換成模擬量輸出。數(shù)/模（D/A）轉換第一部分：D/A轉換原理第二部分：D/A轉換的主要性能指標第三部分：D/A轉換芯片—DAC0832第四部分：DAC0832的應用D/A轉換原理

數(shù)字量是由一位一位的二進制數(shù)位構成的，每個數(shù)位都代表一定的權。

把一個數(shù)字量變成模擬量，必須把每一位上的代碼按照權來轉換為對應的模擬量，再把各模擬量相加，這樣，得到的總的模擬量便對應于給定的數(shù)據(jù)。

通常用T型網絡實現(xiàn)數(shù)字量向模擬電流的轉換；再利用運算放大器將電流信號轉換為電壓信號。權電阻D/AD/A轉換的主要性能指標（1）分辨率分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。（2）精度

精度是指某一數(shù)字量的理論輸出值和經DAC轉換的實際輸出值之差。（3）線性誤差指數(shù)字量變化時，D/A轉換器輸出的模擬量按比例關系變化的程度。（4）轉換時間指數(shù)字量從輸入到完成轉換、輸出達到最終值并穩(wěn)定為止所需的時間。D/A轉換芯片—DAC0832DAC0832主要特性：分辨率8位；電流建立時間1μS；數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；輸出電流線性度可在滿量程下調節(jié)；邏輯電平輸入與TTL電平兼容；單一電源供電（＋5V～＋15V）；低功耗，20mW。DAC0832內部結構8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7~DI0ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模擬地)8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由LE1加以控制。8位輸入寄存器用于存放待轉換的數(shù)字量，由LE2控制。8位D/A寄存器由8位T型電阻網絡和電子開關組成，電子開關受8位DAC寄存器的輸出控制，T型電阻網絡能輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流。T型電阻網絡D/A轉換就是要將數(shù)字量D轉換成與之成正比的模擬量V，即：V=R×D，其中R為比例系數(shù)。數(shù)模轉換（D/A）電路形式是多種多樣的，多數(shù)采用T型電阻解碼網絡。在T型解碼網絡中，有一個標準電源VREF。二進制數(shù)的每一位di（i=0,1,2）對應一個電阻2R，并由該二進制值di控制一個雙向電子開關Ki。從A點看：I0=VA/(2R);I1=2I0B點左邊的網絡電路可簡化一個2R的等效電阻，與A點同樣原理可得：I1=VB/(2R);I2=2I1最后將整個網絡電路等效為一個阻值為R的電阻，則由H點：I=VREF/RI7=I/21、I6=I/22、I5=I/23、I4=I/24、I3=I/25、I2=I/26、I1=I/27、I0=I/28當輸入數(shù)據(jù)為11111111時，總電流：Io1=I/28*(27+26+25+24+23+22+21+20)輸出電壓：

Vo=-Io1*Rfb=-((VREF/R)/28)*(27+26+25+24+23+22+21+20)*Rfb推廣到一般情況，對于n位二進制數(shù)D，其輸出電壓為：V=(VREF*Rfb)

/(R*2n)*DDAC0832的引腳信號2019181716151413121112345678910

VCC

ILE

WR2

XFER

DI4

DI5

DI6

DI7IOUT1IOUT2

CS

WR1

AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDD0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線ILE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；CS:片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR1:為輸入寄存器的寫選通信號。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當輸入全為1時Iout1最大。Iout2:電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。DAC0832的工作方式直通方式當ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達DI7～DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉換器，被轉換成模擬量。單緩沖方式只要把兩個寄存器中的任何一個接成直通方式，而用另一個鎖存器數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。+-Voport數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VCSDAC0832DI0~DI7IOUT1IOUT2RFBXFER

WR2WR1ILE單緩沖工作方式:

輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于直通狀態(tài)D/A轉換IOUT2DI7~DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&輸入寄存RFB-+VoIOWA9~A0D7~D0+5VPC總線port地址譯碼DAC寄存轉換一個數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,ALport數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832DI0~DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS

WR1WR2ILE單緩沖工作方式:

輸入寄存器工作于直通狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài)IOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7~D0+5VPC總線portWR2IOWA9~A0XFERD/A轉換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&轉換一個數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,AL雙緩沖方式把DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器都接成受控鎖存方式。這種方式適用于多路D/A同時進行轉換的系統(tǒng)。DAC0832PC總線數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2CS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAGNDIOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7~D0+5VPC總線port2WR2IOWA9~A0XFERD/A轉換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&port1轉換一個數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX，port1OUTDX,AL;打開第一級鎖存MOVDX,port2OUTDX,AL;打開第二級鎖存當要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。思考：相應的程序如何編寫？地址譯碼port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉換DI7~DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉換DI7~DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7~D0A9~A0IOWPC總線+5v+5v例1

連線如圖，計算當數(shù)字量為0CDH時的輸出Vo。數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port2轉換一個數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,0CDHMOVDX，port1OUTDX,ALMOVDX,port2OUTDX,ALDAC0832的應用輸出鋸齒波的程序段

MOV

AL,0J1：CALL

OUTPUT ；輸出當前值

INC

AL ；產生下一個輸出值

JMP

J1輸出三角波的程序段S0： MOV

AL，0 ；AL中置初值0，

S1: CALL

OUTPUT ；輸出三角波的上升段

INC

AL

JNC S1

S2： CALL

OUTPUT ；輸出三角波的下降段

DEC

AL ；產生下降段下一個值

JNZ S2 ；

JMP

S1 ；下降段結束，

；輸出下一個三角波

OUTPUT

PROC

NEAR

MOV

DX,PORT0 ；DAC0832端口地址

OUT

DX,AL

INC

DX

OUT

DX,AL

PUSH

AX

MOV

AX,N ；延時的時間常數(shù)

WT: DEC

AX

JNZ

WT ；延時

POP

AX

RET

OUTPUT

ENDP子程序“OUTPUT”

A/D轉換第一部分：

模擬信號的采樣、量化和編碼第二部分：A/D轉換器的主要技術指標第三部分：A/D轉換原理第四部分：A/D轉換器的應用信號變換中的采樣、量化和編碼

由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉換過程為：

取樣、保持、量化和編碼。

模擬信號數(shù)字信號采樣保持量化編碼1.采樣和保持采樣：模擬信號的大小隨著時間不斷地變化，A/D轉換實際上是按一定的周期對各瞬時值進行轉換。采樣保持：對于變化較快的輸入模擬信號，A/D轉換前可采用采樣保持器，使得在轉換期間保持固定的模擬信號值。采樣定理：采樣頻率要高于或至少等于輸入信號最高頻率的2倍。實際應用中，采樣頻率可以達到信號最高頻率的4～8倍。量化：量化是把采樣值取整為最小單位Δ的整數(shù)倍。編碼：把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。2.量化和編碼A/D轉換器的主要技術指標1、分辨率ADC的分辨率是指使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。常用二進制的位數(shù)表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者說分辨率為滿刻度FS的1/212。一個10V滿刻度的12位ADC能分辨輸入電壓變化最小值是10V×1/212=2.4mV。2、量化誤差量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進行量化而引起的誤差。實際上，要準確表示模擬量，ADC的位數(shù)需很大甚至無窮大。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。3、偏移誤差偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱為零值誤差。假定ADC沒有非線性誤差，則其轉換特性曲線各階梯中點的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點所對應的輸入電壓值就是偏移誤差。4、絕對精度在一個轉換器中，任何數(shù)碼所對應的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對精度。5、轉換速率ADC的轉換速率是能夠重復進行數(shù)據(jù)轉換的速度，即每秒轉換的次數(shù)。而完成一次A/D轉換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉換速率的倒數(shù)。A/D轉換原理這種方式的轉換中有兩個積分時間：T0：用模擬輸入電壓對電容積分（充電）的時間這個時間是固定的；T1：以電容充電后的電壓為初值，對參考電源VRef反向積分，也就是積分電容被放電至零所需的時間。1.雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器

逐次逼近式A/D轉換器8位D/A轉換器逐次逼近寄存器緩沖寄存器控制電路D7~D0CLK啟動信號轉換結束比較器：Vi＞V0輸出為“1”Vi≤V0輸出為“0”Vi輸出模擬電壓V0+-逐次逼近式A/D轉換器典型A/D轉換器芯片ADC0809逐次逼近型8位A/D轉換芯片；片內有8路模擬開關，可以同時連接8路模擬量；單極性，量程為0～5V；典型的轉換速度100μs；片內有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線連接；有較高的性能價格比，適用于對精度和采樣速度要求

不高的場合或一般的工業(yè)控制領域。ADC0809的內部邏輯結構8路模擬開關地址鎖存譯碼電子開關逐次逼近寄存器控制與時序解碼網絡STARTCLK三態(tài)門VCCGNDVREF(+)VREF(-)OEEOCIN0IN7ADDCADDBADDAALE··ADC0809引腳與內部結構ADC0809引腳功能如下：IN0~IN7：模擬量輸入，用于輸入被轉換的模擬量。ALE：通道鎖存信號，高電平有效。在高電平時將通道選擇ABC鎖存。A、B、C：通道選擇，用于選擇模擬通道。被選模擬通道與ABC的關系如下表所示。D0~D7：數(shù)字量輸出，是轉換后的數(shù)字量。START：啟動轉換信號，正脈沖啟動ADC0809開始轉換。EOC：轉換結束信號，高電平時表示轉換結束，通知CPU可以讀數(shù)據(jù)。OE：輸出允許信號，由CPU送來，高電平時數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D0~D7數(shù)據(jù)線上。CLK：工作時鐘輸入端。其頻率為640kHz。Vcc：工作電源，+5V。GND：地線。VR+、VR-：參考電壓輸入端。通常情況下VR+與Vcc相連，VR-與GND相連。

A/D轉換器接口基本原理與方法（1）

ALE信號鎖存地址信號ADDA~ADDC。（2）START脈沖啟動A/D轉換（3）轉換完成后，轉換結束信號EOC變?yōu)楦唠娖剑嚎梢宰鳛闋顟B(tài)信號由CPU查詢；可以作為中斷請求信號通知CPU。（4）CPU在查詢式I/O程序或中斷服務程序中：執(zhí)行輸入指令（讀ADC0809數(shù)據(jù)端口）；該指令經地址譯碼電路產生OE信號，0809內三態(tài)緩沖器被打開，轉換結果通過數(shù)據(jù)總線進入CPU。對0809的8路模擬量輸入通道輪流采樣，每個通道采樣24次