B11第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換

第8章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換8.1概述8.2

數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器8.3

模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時(shí)間和數(shù)值上都離散的量18.1概述

數(shù)字量數(shù)字量模擬量微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多路開(kāi)關(guān)放大器放大器物理量1物理量2物理量n放大器傳感器傳感器傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器受控對(duì)象控制信號(hào)模擬量D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動(dòng)電路…2傳感器測(cè)量物理量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（模擬電壓或電流）放大器傳感器輸出的信號(hào)放大到ADC所需的量程范圍多路開(kāi)關(guān)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分時(shí)連接到A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器周期性采樣連續(xù)信號(hào)，并在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)保持不變放大驅(qū)動(dòng)電路采用功率放大器，驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備38.2

數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器1.D/A轉(zhuǎn)換的基本原理2．D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)3.D/A轉(zhuǎn)換器DAC083241.D/A轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)字量→按權(quán)相加→模擬量＝1×23＋1×22＋0×21＋1×201101B＝135DAC的核心部件一般需要外接解碼網(wǎng)絡(luò)電子轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)運(yùn)算放大器精密電壓基準(zhǔn)源DAC一般包含集成ADC芯片內(nèi)部一般含有：解碼網(wǎng)絡(luò)電子轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)緩沖寄存器不同的DAC的差別主要表現(xiàn)在：

采用不同的解碼網(wǎng)絡(luò)。6T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓電子開(kāi)關(guān)Iout1Iout27T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF虛地運(yùn)算放大器等效電阻為RIout1Iout28說(shuō)明：支路電流Ii或者流入地或者流入虛地，其值恒定不變。當(dāng)Ii流入虛地時(shí)，它成為IOUT1的一部分流經(jīng)反饋電阻，形成輸出電壓的一部分。任一節(jié)點(diǎn)（a、b、c、d）向右看去的等效電阻均為R，且兩個(gè)支路的電阻相等均為2R，即電流I每經(jīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)即平均分流一次。9電路中總電流I及各節(jié)點(diǎn)的支路電流：I=VREF/RI3=I/2I2=I3/2=I/22I1=I2/2=I/23

I0=I1/2=I/24Iout1=I3+I2+I1+I0 =VREF/R×(1/2+1/22+1/23+1/24)

Rfb=R

Vout=-Iout1×Rfb =-VREF×[(23+22+21+20)/24]Vout=-(D/2n)×VREF102．D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)1）分辨率反映D/A轉(zhuǎn)換的靈敏度，是指D/A轉(zhuǎn)換器能夠辨別的最小電壓增量，通常用最低有效位對(duì)應(yīng)的模擬量表示。例如，電壓滿量程是10V，8位D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為39.2mV。在工程中，直接以DAC能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)表示分辨率。如8、10、12、14、16位DAC。112）轉(zhuǎn)換精度表示輸出電壓接近理想值的程度。絕對(duì)轉(zhuǎn)換精度用數(shù)字量的最低有效位（LSB)的一半表示。

即：相對(duì)轉(zhuǎn)換精度絕對(duì)轉(zhuǎn)換精度相對(duì)于滿量程輸出的電壓值表示。

即：

123）轉(zhuǎn)換速率和建立時(shí)間轉(zhuǎn)換速率是指模擬輸出電壓的變化速度。建立時(shí)間是指輸入代碼為全1時(shí)，輸出模擬量達(dá)到滿量程值的時(shí)所需時(shí)間。4）線性誤差輸出特性偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值。一般用折合的輸入數(shù)字量表示。

例：線性誤差小于。13建立時(shí)間示意圖

14線性誤差示意圖

理想曲線線性誤差實(shí)際曲線數(shù)字入模擬出153.D/A轉(zhuǎn)換器DAC08321）DAC0832的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）DAC0832的工作方式3）DAC0832的電壓輸出電路4）DAC0832的應(yīng)用161）DAC0832的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER17DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說(shuō)明DAC0832內(nèi)部含有：二級(jí)鎖存器

（8位輸入寄存器、8位DAC寄存器）一個(gè)（R－2R）T型解碼網(wǎng)絡(luò)DAC0832為電流輸出型芯片轉(zhuǎn)換結(jié)果以一對(duì)差動(dòng)電流IOUT1和IOUT2輸出當(dāng)外接運(yùn)算放大器時(shí)才能得到模擬電壓。DAC0832能直接與微機(jī)接口芯片內(nèi)部具有二級(jí)鎖存器數(shù)據(jù)輸入電平與TTL電平相兼容18LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout12）DAC0832的工作方式三種工作方式：兩級(jí)鎖存、一級(jí)鎖存和無(wú)鎖存。（1）兩級(jí)鎖存方式兩個(gè)寄存器異步受控于系統(tǒng)對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)可輸入另一個(gè)數(shù)據(jù)。19（2）一級(jí)鎖存方式兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個(gè)寄存器處于受控狀態(tài)亦可兩個(gè)寄存器同步受控于系統(tǒng)。LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout120（3）無(wú)鎖存方式兩個(gè)寄存器都是直通鎖存器LE1＝1、LE2＝1直通（輸出等于輸入）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI7～DI0D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1213）DAC0832的電壓輸出電路（1）單極性輸出電路Vout=-Iout1×Rfb=-(D/28)×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF22當(dāng)VREF固定為某一極性時(shí)，輸出模擬電壓的極性是固定的。設(shè)

VREF=-5VD=FFH=255時(shí)，最大輸出電壓：

Vmax=(255/256)×5V=4.98VD=00H時(shí)，最小輸出電壓：

Vmin=(0/256)×5V=0VD=01H時(shí)，一個(gè)最低有效位（LSB）電壓：

VLSB=(1/256)×5V=0.02V23（2）雙極性輸出電路R1（R）R3(2R)R2(2R)RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1+I2=024輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量D的關(guān)系:R2=R3=2R1得Vout2=-(2Vout1+VREF)因Vout1=-(D/28)×VREF故

Vout2=(D-27)/27×VREF25Vout2=(D-27)/27×VREFVREF固定在某一極性，輸出信號(hào)有正或負(fù)兩種可能。當(dāng)D>=128（80H）時(shí)，Vout2與VREF同極性當(dāng)D<128時(shí)，Vout2與VREF反極性DAC0832接成雙極性電壓輸出形式后，輸入8位數(shù)字位的最高位實(shí)際為符號(hào)位當(dāng)VREF為正時(shí)，D7=1表示正，D7=0表示負(fù)當(dāng)VREF為負(fù)時(shí)，D7=0表示正，D7=1表示負(fù)。26雙極性輸入輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系

輸入數(shù)字量D VREF=+5VVREF=-5V００００００００ －5V＋5V ０００００００１

－4.96V＋4.96V

…０１１１１１１１

－0.04V＋0.04V １０００００００0V0V １００００００１

＋0.04V－0.04V

…

１１１１１１１０ ＋4.92V－4.92V １１１１１１１１ ＋4.96V－4.96V 274）DAC0832的使用例：如圖，DAC0832工作于單緩沖方式，雙極性電壓輸出。要求：(1)編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)從Vout2輸出鋸齒波；(2)編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)從Vout2輸出正弦波；(3)閱讀程序段，判斷從Vout2輸出的波形。2829(1)輸出鋸齒波CODESEGMENT ASSUMECS：CODESTART：MOVCL，0 MOVDX，290HLLL： MOVAL，CL OUTDX，AL INCCL MOVAH，1 INT16H JELLL MOVAH，4CH INT21HCODEENDS ENDSTART輸入數(shù)字量NVREF=5V時(shí)VO理想值 ００００００００–5V ０００００００１

–4.96V

…０１１１１１１１

–0.04V １０００００００

0V １００００００１+0.04V

…

１１１１１１１０+4.92V １１１１１１１１

+4.96V 30(2)輸出正弦波DATASEGMENTSINDB80H,96H,0AEH,0C5H,0D8H,0E9H,0F5H,0FDHDB0FFH,0FDH,0F5H,0E9H,0D8H,0C5H,0AEH,96HDB80H,66H,4EH,38H,25H,15H,09H,04HDB00H,04H,09H,15H,25H,38H,4EH,66HDATAENDS CODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART：MOVAX，DATAMOVDS，AXLL：MOVSI，OFFSETSINMOVBH，3231LLL：MOVAL，[SI]MOVDX，290HOUTDX，ALMOVAH，1INT16HJNEEXITMOVCX，30DELAY：LOOPDELAYINCSIDECBHJNZLLLJMPLLEXIT：MOVAH，4CHINT21HCODEENDSENDSTART32(3)閱讀程序段，判斷輸出波形。MOVDX，290HMOVAL，0FFHLOOP1：INCALOUTDX，ALCALLDELAYCMPAL，0FFHJNELOOP1LOOP2：DECALOUTDX，ALCALLDELAYCMPAL，0JNELOOP2JMPLOOP1DELAYPROCMOVCX，20HLOOP3：LOOPLOOP3RETDELAYENDP338.3

模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器1．A/D轉(zhuǎn)換的基本原理2．A/D轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)3．A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809341.A/D轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換的全過(guò)程采樣保持量化編碼由采樣保持電路完成由A/D轉(zhuǎn)換電路同時(shí)完成采樣：將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬量。保持：將采樣得到的模擬量值保持下來(lái)使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值。35采樣器輸入輸出波形36量化：用基本的量化電平q的個(gè)數(shù)表示采樣——保持電路得到的模擬電壓值。2q3q1q4q4q量化方法：四舍五入或只舍不入由量化產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差，它是原理性誤差4q3q2q1q37編碼：把已量化的模擬數(shù)值用二進(jìn)制編碼、BCD碼或其他編碼表示。例如：用二進(jìn)制編碼表示2q3q1q4q010011001100

若將一個(gè)模擬電壓用二進(jìn)制表示，需要一套標(biāo)準(zhǔn)電壓，各電壓之間存在二進(jìn)制關(guān)系，最小值為量化電平。38A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)進(jìn)行量化、編碼，轉(zhuǎn)換為N位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)。常用的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)計(jì)數(shù)器式雙積分式逐次逼近式用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)單片集成ADC通常是逐次逼近式ADC。39逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器基本原理從最高位開(kāi)始逐位試探40收到啟動(dòng)信號(hào)，逐次逼近寄存器清0，使輸出電壓V0為0，啟動(dòng)信號(hào)結(jié)束后開(kāi)始轉(zhuǎn)換。8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)程逐次逼近寄存器D7置1，10000000產(chǎn)生模擬電壓V0VINV0，D7=1保留下來(lái)VINV0，D7=0逐次逼近寄存器D6置1，x1000000產(chǎn)生模擬電壓V0VINV0，D6=1保留下來(lái)VINV0，D6=041……逐次逼近寄存器D0置1，xxxxxxx1產(chǎn)生模擬電壓V0VINV0，D0=1保留下來(lái)VINV0，D0=0經(jīng)過(guò)8次比較后，逐次逼近寄存器中得到的值就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，控制電路送出一個(gè)結(jié)束信號(hào)控制將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入輸出緩沖寄存器，得到數(shù)字量輸出。42①D7置1②D7清0/置1，D6置1③D6清0/置1，D5置1④D5清0/置1，D4置1⑤D4清0/置1，D3置1⑥D(zhuǎn)3清0/置1，D2置1⑦D2清0/置1，D1置1⑧D1清0/置1，D0置1⑨D0清0/置1N位A/D轉(zhuǎn)換器完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行N次比較，一般需要N+1個(gè)CLK周期。432.A/D轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)1）分辨率ADC的分辨率是指它能夠分辨最小的量化信號(hào)的能力，一般用位數(shù)來(lái)表示。例如，電壓滿量程是5V，8位A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為19.6mV。442）轉(zhuǎn)換精度反映實(shí)際輸出接近理想輸出的精確程度。通常用數(shù)字量的最低有效位（LSB）來(lái)表示。數(shù)字量的最低有效位的當(dāng)量Δ：LSB對(duì)應(yīng)的模擬量。模擬量在范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字量，

則精度為：模擬量在范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字量，則精度為：3）轉(zhuǎn)換率1秒時(shí)間內(nèi)能完成轉(zhuǎn)換的次數(shù)。453．A/D轉(zhuǎn)換器ADC08091）ADC0809的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）ADC0809與主機(jī)的連接及使用3）ADC0809應(yīng)用舉例461）ADC0809的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809地址鎖存和譯碼OE通道選擇開(kāi)關(guān)ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三態(tài)鎖存緩沖器DACVcc比較器CLKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定時(shí)和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC47（1）ADC0809的引腳IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入線

模擬電壓輸入范圍為0～5V。ADDA～ADDC：3根地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號(hào)

上升沿鎖存。START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)

上升沿復(fù)位SAR，下降沿啟動(dòng)控制邏輯，開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換工作。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)

在START信號(hào)上升沿之后的0～8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，EOC信號(hào)由高變低，以指示轉(zhuǎn)換工作正在進(jìn)行中，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，EOC再變?yōu)楦唠娖健?8OE：輸出允許，高電平有效

當(dāng)該信號(hào)有效時(shí)，打開(kāi)芯片的三態(tài)門(mén)使轉(zhuǎn)換結(jié)果送至數(shù)據(jù)總線。D0～D7：8位數(shù)字量輸出線CLK：外部時(shí)鐘輸入線

要求時(shí)鐘頻率不能高于640KHZ。VREF（+）、VREF（-）：基準(zhǔn)電壓輸入線

提供模擬信號(hào)的基準(zhǔn)電壓，一般單極性輸入時(shí)，VREF（+）接+5V，VREF（-）接地。49（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809的內(nèi)部由三部分組成：8路模擬量輸入選擇與地址鎖存電路8位三態(tài)輸出鎖存緩沖器典型8位逐次逼近ADC8路模擬量輸入選擇與地址鎖存電路實(shí)現(xiàn)地址信號(hào)ADDA～ADDC的輸入、鎖存及譯碼，選中一路模擬量信號(hào)送逐次逼近ADC。508位三態(tài)輸出鎖存緩沖器完成對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)字量的鎖存與緩沖。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，控制邏輯把逐次逼近寄存器中的8位二進(jìn)制數(shù)打入鎖存緩沖器，同時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。8位逐次逼近ADC由比較器、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)型開(kāi)關(guān)、逐次逼近寄存器和控制與時(shí)序電路組成。該部分完成對(duì)某一路模擬量的8次比較，在逐次逼近寄存器中獲得與被轉(zhuǎn)換的模擬量相對(duì)應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)。256R電阻網(wǎng)絡(luò)和樹(shù)型開(kāi)關(guān)組成片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換器。51（3）ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)52（4）ADC0809的轉(zhuǎn)換公式輸出數(shù)字量輸入模擬電壓53單極性轉(zhuǎn)換示例基準(zhǔn)電壓VREF(+)=5V，VREF(－)=0V輸入模擬電壓Vin=1.5V N=(1.5-0)/(5-0)×256 =76.8≈77=4DH54雙極性轉(zhuǎn)換示例

基準(zhǔn)電壓VREF(+)=+5V，VREF(－)=-5V

輸入模擬電壓Vin=-1.5VN=(-1.5+5)/(5+5)×256=89.6≈90=5AH552）ADC0809與主機(jī)的連接及使用D0～D7200h～207hIRQ2A3～A9譯碼VccD0～D7EOCADDAADDBADDC模擬輸入（0～5V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN3OESTARTGNDVREF(-)

IOR

IOWALED0/A0D1/A1D2/A256（1）產(chǎn)生ALE和START有效信號(hào)ADC0809的ADDC、ADDB、ADDA連至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的低三位D2～D0時(shí)，CPU執(zhí)行下列程序段：MOVDX，200HMOVAL，03HOUTDX，ALADC0809的ADDC、ADDB、ADDA連至系統(tǒng)地址總線的低三位A2～A0時(shí)，CPU執(zhí)行下列程序段：MOVDX，203HMOVAL，03HOUTDX，AL57（2）CPU讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)識(shí)別EOC信號(hào)，讀ADC0809端口獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果。若DX中存放了ADC0809的端口地址（如200H），CPU執(zhí)行指令：INAL，DX數(shù)據(jù)傳送方式中斷方式程序查詢方式定時(shí)方式58①中斷方式將EOC接至8259A，即將EOC作為CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)，上升沿觸發(fā)，以中斷方式請(qǐng)求CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)段

adtempdb0 ；給定一個(gè)臨時(shí)變量代碼段；設(shè)置中斷向量等工作

sti

；開(kāi)中斷

movdx,200h outdx,al

；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

…… ；其他工作59Adintproc

sti

pushax pushdx pushds

movax,data

mov

ds,ax

movdx,200h inal,dx

mov

adtemp,al

moval,20h out20h,al popds

popdx popax

iret

Adint

endp60②程序查詢方式將EOC通過(guò)三態(tài)門(mén)接至系統(tǒng)的一根數(shù)據(jù)總線上如D0。CPU查詢D0位是否為低電平，若為低電平，再查詢D0位是否為高電平，若是則表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU再執(zhí)行讀ADC0809端口的指令即可。61VccD7A3～A9D0～D7D0～D7OEEOCA0A1A2ADDAADDBADDC

譯碼500KHzCLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE+5VIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7220h～227h238h～23fhIORIOW62數(shù)據(jù)段adtempdb0 代碼段

movax,data

mov

ds,ax

movdx,220hstart1: outdx,al

pushdx

movdx,238hstart2: inal,dx

testal,80h

jnzstart2 start3:inal,dx

testal,80h

jzstart3 popdx

inal,dx

mov

adtemp,al63③定時(shí)方式已知完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，可用定時(shí)器定時(shí)大于或等于該轉(zhuǎn)換時(shí)間，等待定時(shí)時(shí)間一到即讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，或定時(shí)申請(qǐng)中斷讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。也可在啟動(dòng)ADC0809后，用軟件延時(shí)一個(gè)固定時(shí)間，然后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。這種方式不用考慮轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。64（3）ADC0809通過(guò)8255A與主機(jī)的連接653）ADC0809應(yīng)用舉例例1：參圖，編程采樣ADC0809的八路模擬量并將采樣到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)段3000H開(kāi)始的單元中。66

MOVBX，