微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)：第八章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換

第8章數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換概念

8.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

8.1.3D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832

8.2模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器

思考題、作業(yè)題

D/A與A/D轉(zhuǎn)換：微型計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字量，而實(shí)際上外界事物大多是模擬量，如：溫度、壓力、濃度等等，這些都是非電的物理量，它們必須經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為模擬的電信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能為微機(jī)所處理，這一轉(zhuǎn)換過程稱為A/D轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量也必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬的電信號，才能為外界所接收。

D/A轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬的電信號。

A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

傳感器：一般是指能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換的敏感元件。數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換概念返回8.1模擬量I/O通道的組成模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)0010110110101100工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器放大濾波多路轉(zhuǎn)換&采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換輸出接口微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入接口物理量變換信號處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道

8.1.1數(shù)／模(D/A)轉(zhuǎn)換器的基本原理1．權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器下頁D/A轉(zhuǎn)換器框圖運(yùn)算放大器……模擬電壓輸出n位數(shù)字量輸入電阻網(wǎng)絡(luò)多路模擬開關(guān)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖OP…VOK1RfR1VrefK2R2K3R3KnRn

假定使Rf

=R，各支路上的輸入電阻R1，R2……Rn分別等于21R，22R……2nR，則可得出輸出電壓Vo和輸入數(shù)值D的關(guān)系式為式:8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器下頁

任意一支在開關(guān)閉合時(shí),在輸出端上引起的輸出電壓VO與輸入電壓Vref之間有如下關(guān)系：

式中Rf為運(yùn)算放大器的反饋電阻，Ri為輸入電阻。

因此，第i支路引起的輸出電壓為

輸入端有n個(gè)支路，按疊加定理，輸出電壓為各個(gè)分輸出電壓之和：8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器下頁

二進(jìn)制數(shù)D等于0時(shí),Vo輸出為0;

D=10000000B時(shí),D7=1，其余為0，僅K7閉合，Vo輸出為－Vref/2，D=11111111B時(shí)，全部開關(guān)閉合，Vo輸出為－(255/256)×Vref。輸出幅度為(255/256)Vref。

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與基準(zhǔn)電壓Vref和權(quán)電阻的精度以及數(shù)字量的位數(shù)n有關(guān)。顯然，位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度就越高，但同時(shí)所需的權(quán)電阻的種類就越多。在集成電路和制造高阻值的精密電阻比較困難.8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器返回由疊加定理：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分壓比：R/(R+R)=1/2Io2=Vref/(2R)*（1/2）=4Vref/(16R)Io0=1Vref/(16R)Io1=2Vref/(16R)數(shù)據(jù)位高，輸出大D3D2D1D0

2T形網(wǎng)絡(luò)D/A原理

它只由兩種阻值R和2R組成，用集成工藝生產(chǎn)較為容易，精度也容易保證，因此得到比較廣泛的應(yīng)用。R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器下頁8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）分辨率（Resolution）

單位數(shù)字量所對應(yīng)模擬量增量。

（2）精度（Accuracy）

分絕對精度（AbsoluteAccuracy）和相對精度（RelativeAccuracy）

絕對精度（絕對誤差）指的是在數(shù)字輸入端加有給定的代碼時(shí)，在輸出端實(shí)際測得的模擬輸出值（電壓或電流）與應(yīng)有的理想輸出值之差。它是由D/A的增益誤差、零點(diǎn)誤差、線性誤差和噪聲等綜合引起的。

相對精度指的是滿量程值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸入的模擬輸出與它的理論值之差。

（3）線性誤差

由于種種原因，D/A的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性（各數(shù)字輸入值所對應(yīng)的各模擬輸出值之間的連線）與理想的轉(zhuǎn)換特性（始終點(diǎn)連線）之間是有偏差的，這個(gè)偏差就是D/A的線性誤差。8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器返回

（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指當(dāng)輸人數(shù)字量滿刻度變化(如全0到全1)時(shí)，從數(shù)字量輸入到輸出模擬量達(dá)到與終值相差±1/2LSB(最低有效位)相當(dāng)?shù)哪M量值所需的時(shí)間，它表示D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。

（5）動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指最大和最小輸出值范圍。一般決定于參考電壓Vref的高低。參考電壓高，動態(tài)范圍就大。整個(gè)D/A轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)范圍除與Vref有關(guān)外，還與輸出電路的運(yùn)算放大器的級數(shù)及連接方法有關(guān)。適當(dāng)?shù)剡x擇輸出電路，可在一定程度上增加轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)范圍。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）輸入的二進(jìn)制數(shù)每±1個(gè)最低有效位(LSB)使輸出變化的程度。一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示:如8位、10位例：一個(gè)滿量程為5V的10位DAC，±1

LSB的變化將使輸出變化5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV轉(zhuǎn)換精度（誤差）實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。一般用最小量化階⊿來度量，如±1/2LSB

也可用滿量程的百分比來度量，如0.05%FSRLSB:LeastSignificantBitFSR:FullScaleRange)

轉(zhuǎn)換時(shí)間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差±1/2LSB所對應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間tV1/2LSBtCVFULL08.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器下頁1．DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8.1.3D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832

DAC0832是并行接口總線的具有兩級鎖存器的8位D/A，與系統(tǒng)總線連接方法具有一定代表性。

3．DAC0832的工作方式

根據(jù)DAC0832內(nèi)部兩級鎖存器（數(shù)據(jù)輸入寄存器、DAC寄存器）使用方法的不同，0832有3種工作方式。

(1)單緩沖工作方式(2)雙緩沖工作方式(3)直通工作方式8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器返回

2．DAC0832的主要性能指標(biāo)分辨率：8位；線性誤差：(0.05％~0.2％)F·S(滿刻度)；轉(zhuǎn)換時(shí)間：1μs；功耗：20mW。

完成D/A轉(zhuǎn)換的程序段如下所示：MOV AL，DATA ；要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送ALMOV DX，PORT ；0832的端口地址送DXOUT DX，AL ；將數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器返回

(1)單緩沖工作方式

單緩沖工作方式是使輸入寄存器或DAC寄存器中的任意一個(gè)工作在直通狀態(tài)，另一個(gè)由CPU控制。電路連接如圖。DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。

VIOUT2RfbIOUT1Vref+5VD7~D0+5VVCCILEGNDAGNDVV+5V譯碼電路地址總線IOWVoutDAC0832單緩沖方式下的電路連接

完成D/A轉(zhuǎn)換的程序段如下所示：MOVAL，DATA；待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送ALMOVDX，Y1 ；輸入寄存器端口地址Y1送DXOUTDX，AL；數(shù)據(jù)送輸入寄存器MOVDX，Y2 ；DAC寄存器端口地址Y2送DXOUTDX，AL；啟動變換8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器返回

(2)雙緩沖工作方式

在這種工作方式下，CPU要對0832進(jìn)行兩步寫操作。①將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器。②將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器。IOWY1Y2+5V譯碼電路地址總線VoutDAC0832雙緩沖下電路連接+5VD7~D0+5VVIOUT2RfbIOUT1VrefVCCILEGNDAGNDVV8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器返回

(3)直通工作方式

CS、WR1、WR2以及引腳XFFR都直接接數(shù)字地，ILE接+5V，芯片就處于直通工作方式狀態(tài)。此時(shí)0832就一直處于D/A轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即模擬輸出端始終跟蹤輸入端D0~D7

的變化，這種方式一般只用于數(shù)字反饋控制電路，不能直接與8088CPU的數(shù)據(jù)總線相連接。

8.2.1模／數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的基本原理

一、采樣、量化和編碼

物理參數(shù)，如電流、電壓、溫度、壓力，都是模擬量。模擬量的大小是連續(xù)分布的，是時(shí)間上的連續(xù)函數(shù)。要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需經(jīng)采樣——>量化——>編碼三個(gè)基本過程（數(shù)字化過程）。

1.采樣

按采樣定理對模擬信號進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，將得到的一系列時(shí)域上的樣值去代替u=f(t)，即用u0、u1、…un代替u=f(t)。

這些樣值在時(shí)間上是離散的值，但在幅度上仍然是連續(xù)模擬量。8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

2.量化在幅值上再用離散值來表示。方法是用一個(gè)量化因子Q去度量；u0、u1、…un，便得到整量化的數(shù)字量。u0=2.4Q=2Q010u1=4.0Q=4Q100u2=5.2Q=5Q101u3=5.8Q=5Q101

3.編碼將整量化后的數(shù)字量進(jìn)行編碼，以便微機(jī)讀入和識別；編碼僅是對數(shù)字量的一種處理方法。例如：Q=0.5V/格，設(shè)用三位（二進(jìn)編碼）8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

二、A/D的工作原理

1.分類

按被轉(zhuǎn)換的模擬量類型可分為時(shí)間/數(shù)字、電壓/數(shù)字、機(jī)械變量/數(shù)字等。應(yīng)用最多的是電壓/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。電壓/數(shù)字轉(zhuǎn)換器又可分為多種類型：按轉(zhuǎn)換方式可分為：直接轉(zhuǎn)換、間接轉(zhuǎn)換。按輸出方式分可分為：并行、串行、串并行。按轉(zhuǎn)換原理可分為：計(jì)數(shù)式、比較式。按轉(zhuǎn)換速度可分為：低速、中速、高速。按轉(zhuǎn)換精度和分辨率可分為：8位、10位、12位、14位、16位、24位等等。8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

2逐次比較型A/D原理＋∑－SARD/A控制邏輯BUFFclkStartEOCDoutViV’SAR轉(zhuǎn)換范圍7

16

05

14

03

12

01

10

0Dx

輸入Vi和輸出D關(guān)系D=Vi/(Vref/256)=256*Vi/Vref100000001100000010

100000101100001010

100010101100101010

1010101011101010108.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率

是指A/D轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù),通常也用它能夠分辨的最小輸入電壓來表示。例如，一個(gè)輸入電壓量程為5V的8位A/D的轉(zhuǎn)換器，它能夠分辨的最小電壓為5000mV/255≈19.6mV

(2)非線性誤差指在整個(gè)變換量程范圍內(nèi)，數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入信號的實(shí)際值與理論值之間的最大差值。

8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換率完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間，即從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有效之間的時(shí)間間隔。

轉(zhuǎn)換率為轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。例如：ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，其轉(zhuǎn)換率為10kHz。

(4)量程指A/D轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓的變化范圍。模擬電壓輸入分為單極性和雙極性兩種。

單極性：常見的量程有0~20mV、0~200mV、0~5V、0~10V或0~20V等；

雙極性：常見的量程有-10~+10mV、-100~+100mV、-5V~+5V或-10V~+10V等。8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

1．ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8.2.3A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809

ADC0809是逐次逼近型8位單片A/D轉(zhuǎn)換芯片。片內(nèi)含8路模擬開關(guān)，可允許8個(gè)模擬量輸入。片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器。IN0IN1…IN7ADDCADDBADDAALE

8路模擬開關(guān)地址鎖存器D7~D0OESTARTEOCVCCGNDADC0809結(jié)構(gòu)示意圖CLKVref+Vref-8-bitADC8位三態(tài)輸出緩沖

3．ADC0809的工作時(shí)序

8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

2．ADC0809的主要性能指標(biāo)分辨率：8位。轉(zhuǎn)換時(shí)間：100μs。電源：單電源0~+5V。ADC0809的工作時(shí)序通道號ADDCBAEOCALESTART模擬信號保持穩(wěn)定數(shù)據(jù)OED7~D08.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

4．ADC0809的應(yīng)用【例】如圖，編寫8路模擬量的循環(huán)數(shù)據(jù)采集程序。設(shè)轉(zhuǎn)換結(jié)果(數(shù)字量)放在DATA為首的內(nèi)存單元中。

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

U8D2~D0D7D6…D0IORA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOWIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN774LS244×274LS138ADC0809ADC0809典型接口Y1Y0Y28.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器下頁

4．ADC0809的應(yīng)用通道選擇端口地址Y0為78H，使用數(shù)據(jù)總線的D2、D1和D0位。EOC狀態(tài)信號端口地址Y1為79H，使用數(shù)據(jù)總線的D7位。數(shù)據(jù)輸出口地址Y2為7AH。程序段如下：MOV SI，OFFSETDATA；DATA內(nèi)存單元偏址MOV BL,0 ；通道號,初始指向第0路MOV CX,8 ；共采集8次,每