1、 第十章第十章 数数/模和模模和模/数转换数转换10.1 概述10.2 数/模（D/A）转换10.3 模数（A/D）转换10.4 采样保持电路（略）10.1 概述一、问题的提出一、问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算
2、机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。A/DA/D转换转换器完成模拟量器完成模拟量数定量的转换，数定量的转换，D/AD/A转换器完成数字量转换器完成数字量模拟模拟量的转换。量的转换。二、模拟接口二、模拟接口定义：定义：A/D D/A转换器可视作一外部设备转换器可视作一外部设备功能：功能：将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系，使模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行能进行
3、 控制与监测。控制与监测。三、模拟输入输出系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路传感器传感器将各种现场的物理量测量出来将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）并转换成电信号（模拟电压或电流）放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传
4、感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信噪比多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保持器周期性地采样连续信号，周期性地采样连续信号，并在并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变一、一、D/AD/A变换器的基本构成变换器的基本构成 模拟开关模拟开关 电阻网络电阻网络 运算放大器运算放大器权电阻网络权电阻网络R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量 10.2 2 数数/模（
5、模（D/AD/A）转换）转换二、基本变换原理运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输与输入电压入电压Vin的关系为：的关系为：VinRf VOR fOinRV=-VR若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：n0fini=1i1V=-RVRVinRf VOR1Rn令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref，则有nn0frefrefiii=1i=1f11V=-RV=-V2 R2如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si断开，则上式变换为断开，则上式变换为n0i
6、refii=11V=-SV2若若Si=1,该项对该项对VO有贡献；有贡献；若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献对应的电路对应的电路权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8这里，上式中的这里，上式中的n=8如果用如果用8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，则不同的二进制代码就对，则不同的二进制代码就对应不同输出电压应不同输出电压VO；当代码在当代码在0FFH之间变化时，之间变化时，VO相应地在相应地在0-(255/256)Vref之间变化；之间变化
7、；为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转转换器采用换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻阻(R和和2R)。R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络13T T型电阻网络中，节点型电阻网络中，节点D D的右边为两个的右边为两个2R2R的电阻并联，它们的等效电阻的电阻并联，它们的等效电阻为为R R，几点，几点C C右边也是两个右边也是两个2R2R的电阻并联，结果等效电阻也是的电阻并联，结果等效电阻也是R R，以此类推，最后，在以此类推，最后，在A A点等效于一个数值为点等效于一个数值为R R的电阻连在参考电压的电阻
8、连在参考电压V VREFREF上。这样各点的电压分别为上。这样各点的电压分别为:V Va a=V=VREFREF，V Vb b=V=VREFREF/2/2，V Vc c=V=VREFREF/4/4，V Vd d=V=VREFREF/8/8当开关接通当开关接通Iout1Iout1时，各点的电流为：时，各点的电流为：I I0 0=V=Vd d/2R/2R，I I1 1=V=Vc c/2R,I/2R,I2 2=V=Vb b/2R,I/2R,I3 3=V=Va a/2R/2R根据线性电路的叠加原理，输出电流根据线性电路的叠加原理，输出电流I Iout1out1就是：就是：I Iout1out1=I=I
9、0 0+I+I1 1+I+I2 2+I+I3 3=(V=(VREFREF/2R)/2R)*(1/8+1/4+1/2+1)(1/8+1/4+1/2+1)然后通过运算放大器的反相输出，得到电压输出然后通过运算放大器的反相输出，得到电压输出V Voutout=-I=-Iout1out1 R Rfbfb。令。令R Rfbfb=R=R，则：，则：V Voutout=V VREFREF *(2(20 0+2+21 1+2+22 2+2+23 3)/2)/24 4 将上述电路推广到将上述电路推广到n n位转换器，则有：位转换器，则有：V Voutout=(2=(20 0*D D0 0+2+21 1*D D1
10、 1+2+22 2*D D2 2+2+2n-1n-1*D Dn-1n-1)/2)/2n n*V VREFREF其中其中D D0 0DDn-1n-1 表示相应的二进制位。表示相应的二进制位。14三、主要技术指标1、分辨率（、分辨率（Resolution）输入的二进制数每输入的二进制数每1个最低有效位个最低有效位(LSB)使输出变化的使输出变化的程度。程度。分辨率的表示有两种：分辨率的表示有两种：最小输出电压与最大输出电压之比最小输出电压与最大输出电压之比 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示，用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示，位数位数越多，分辨率越高。越多，分辨率越高。分辨率的表示式
11、为：分辨率的表示式为：分辨率分辨率=V=Vrefref/2/2位数位数或或 分辨率分辨率=（V V+ref+ref+V+V-ref-ref)/2)/2位数位数 若若V Vrefref=5V=5V，8 8位的位的D/AD/A转换器分辨率为转换器分辨率为5/256=20mV5/256=20mV。分辨率举例分辨率举例一个满量程为一个满量程为5V的的10位位D/A变换器，变换器，1 LSB的变化将使输出变化的变化将使输出变化 5/210=5/1024 =0.00488V =4.88mV（LSB-Least Significant BitLSB-Least Significant Bit）2、转换精度（
12、误差）、转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差实际输出值与理论值之间的最大偏差可用最小量化阶可用最小量化阶来度量：来度量：=1/2 LSB1/2 LSB也可用满量程的百分比来度量：也可用满量程的百分比来度量：如如0.05%FSR0.05%FSR(FSR-Full Scale Range)(FSR-Full Scale Range)3、转换时间、转换时间从开始转换到与满量程值相差从开始转换到与满量程值相差1/2 1/2 LSBLSB所对应的模拟量所需要的时间所对应的模拟量所需要的时间tV1/2 LSBtCVFULL4 4、线性度、线性度 当数字量变化时，当数字量变化时，D/AD/A转换
13、器输出的模转换器输出的模拟量按比例变化的程度。拟量按比例变化的程度。线性误差线性误差 模拟量输出值与理想输模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。出值之间偏离的最大值。DAC DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求，同的要求，DACDAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：的输入输出特性一般考虑以下几方面：（1 1）输入缓冲能力：）输入缓冲能力：DACDAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有的输入缓冲能力是非常重要的，
14、具有缓冲能力（数据寄存器）的缓冲能力（数据寄存器）的DACDAC芯片可直接与芯片可直接与CPUCPU或系统总线相或系统总线相连，否则必须添加锁存器。连，否则必须添加锁存器。二、二、DAC的输入输出特性：的输入输出特性：（2 2）输入码制：）输入码制：DACDAC输入有二进制和输入有二进制和BCDBCD码两种，对于单极性码两种，对于单极性DACDAC可接收二进制和可接收二进制和BCDBCD码；双极性码；双极性DACDAC接收偏移二进制或补码。接收偏移二进制或补码。（3 3）输出类型：）输出类型：DACDAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行
15、电流需要选择，也可进行电流电压转换。电压转换。（4 4）输出极性：）输出极性：DACDAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性正负变化，则必须使用双极性DACDAC芯片。芯片。1、接口的功能（、接口的功能（CPU给给DAC送数据无须条件查询）送数据无须条件查询）DACDAC芯片与芯片与CPUCPU或系统总线连接时，可从数据总线宽度是或系统总线连接时，可从数据总线宽度是否与否与DACDAC位数据匹配、位数据匹配、DACDAC是否具有数据寄存器两个方面来考是否具有数据寄存器两个方面来考虑，所以接口的功能主要考虑以下两点：虑，所以接口的功
16、能主要考虑以下两点：（1）进行数据缓冲与锁存）进行数据缓冲与锁存 （2）需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行）需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行转换转换2、接口形式、接口形式 （1）直通）直通 （2）通过外加三态门，数据锁存器与）通过外加三态门，数据锁存器与CPU相连相连 （3）通过可编程的）通过可编程的I/O接口芯片与接口芯片与CPU相连相连三、三、D/AD/A转换器与转换器与CPUCPU的接口的接口 1.DAC0832与与CPU的接口的接口 （1）DAC0832的性能参数的性能参数 DAC0832DAC0832是一片典型的是一片典型的8 8位位DACDAC芯片芯片 分
17、辨率：分辨率：8位位 电流型：内部有电流型：内部有2级缓冲器级缓冲器 转换时间：转换时间：1mS 功耗：功耗：20mW 四、四、D/AD/A转换器接口的设计转换器接口的设计 （2 2）DAC0832DAC0832引脚和内部结构如图所示。引脚和内部结构如图所示。2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDDAC0832的内部结构的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入输入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A转转
18、换换器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER2.DAC0832的数字接口8位数字输入端位数字输入端DI0DI7（DI0为最低位）为最低位）输入寄存器（第输入寄存器（第1级锁存）的控制端级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第寄存器（第2级锁存）的控制端级锁存）的控制端XFER*、WR2*直通锁存器的工作方式直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE1，直通（输出等于输入），直通（输出等于输入）LE0，锁存（输出保持不变），锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器
19、器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式的工作方式：直通方式LE1LE21输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器转换器LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：单缓冲方式的工作方式：单缓冲方式LE11，或者，或者LE21两个寄存器之一始终处于直通状态两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832
20、的工作方式：双缓冲方式的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据转换的同时；输入另一个数据优点：数据接收与优点：数据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行；可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出分时写入分时写入、同步转换同步转换LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout13.DAC0832的模拟输出的模拟输出Iout1、Iout2电流输出端电流输出端Rfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）反馈电阻引出端（电阻在芯
21、片内）VREF参考电压输入端参考电压输入端10V10VAGND模拟信号地模拟信号地VCC电源电压输入端电源电压输入端5V15VDGND数字信号地数字信号地单极性电压输出单极性电压输出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF单极性电压输出：例子单极性电压输出：例子设设 VREF5VDFFH255时，最大输出电压：时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98VD00H时，最小输出电压：时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0VD01H时，一个最低有效位（时，一个最低有效位（LSB）电压：）电压：VLSB（1/256）
22、5V0.02VVout（D/2n）VREF双极性电压输出：电路双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I2011OUT232OUT2REF1RVIRVRVI双极性电压输出：公式双极性电压输出：公式取取 R2R32R1得得 Vout2（2Vout1VREF）因因 Vout1（D/28）VREF故故 Vout2（D27）/27）VREF双极性电压输出：例子双极性电压输出：例子设设 VREF5VDFFH255时，最大输出电压：时，最大输出电压：Vmax（255128）/1285V4.96VD0
23、0H时，最小输出电压：时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5VD81H129时，一个最低有效位电压：时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREF4.输出精度的调整输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_AGND调零调零电位器电位器调满刻度调满刻度电位器电位器电源电源 5VADI10K1M1KVREF5.地线的连接地线的连接DGNDAGND模拟电路模拟电路数字电路数字电路ADCDAC模拟电路模拟电路数字电路数字电路6.6.应用举例应用举例 利用利用DACDAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如
24、可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如输出锯齿波、三角波的输出锯齿波、三角波的程序段如下：程序段如下：JNZ TN1 JNZ TN1 MOV AL MOV AL，0FFH0FFHTN2TN2：OUT DXOUT DX，ALAL DEC AL DEC AL TRGTRG：MOV DXMOV DX，200H200H MOV AL MOV AL，0H0HTN1TN1：OUT DXOUT DX，ALAL INC AL INC ALJNZ TN2JNZ TN2JMP TN1JMP TN1产生产生0 0ALAL全全“1”1”输输出出输出锯齿波程序段如下：TRG：MOV DX，200H MO
25、V AL，0HTN：OUT DX，AL INC AL JMP TN 7.127.12位位DACDAC连接连接 由于微机的由于微机的I/OI/O指令一次只能输出指令一次只能输出8 8位数据，因位数据，因此对于数据宽度大于此对于数据宽度大于8 8位位DACDAC只能分两次输入数只能分两次输入数据，为此一般大于据，为此一般大于8 8位数据宽度的位数据宽度的DACDAC内部均设内部均设计有两级数据缓冲，如计有两级数据缓冲，如1212位位DAC1210DAC1210内部就有两内部就有两级数据缓冲，内部结构如图所示。级数据缓冲，内部结构如图所示。8位输入位输入锁存器锁存器4位输入位输入锁存器锁存器12位位
26、DAC存储器存储器12位相乘型位相乘型D/A转换器转换器LELELELSBMSBDI11 15DI10 16DI9 17DI8 18DI7 19DI6 20DI5 4DI4 5DI3 6DI2 7DI1 8DI0 9BYTE1 23/BYTE2CS 1 WR1 2WR1 21WR2 2210 Vref14 Iout213 Iout111 Rfb24 Vcc3 AGND24 DGND DAC1210内部结构在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力。声波等），由于计算机只能处理离散物理量（如温度、压力。声波等），由于计
27、算机只能处理离散的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过这一操作过程就是程就是A/DA/D转换。转换。AlanogyDATAA/DCPUI/O10.3 模数（模数（A/D）转换）转换二、A/D转换的基本原理存在多种存在多种A/D转换技术，各有特点，转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合分别应用于不同的场合4种常用的转换技术种常用的转换技术计数器式计数器式逐次逼近式逐次逼近式双积分式双积分式并行式并行式45各种各种ADC的优缺点的优缺点n计数式计数式ADC：最简单，但转换速度最慢。：最简单，但转换速度最慢。n并行转换式并行转换式ADC：速
28、度最快，但成本最高。：速度最快，但成本最高。n逐次逼近式逐次逼近式ADC：转换速度和精度都比较高，：转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格低，所以在微型机应用系且比较简单，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。统中最常用。n双积分式双积分式ADC：转换精度高，抗干扰能力强，：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。高的场合，如测量仪表。46工作原理及技术指标工作原理及技术指标n逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。见图。Vi-+逐次逼近寄存器逐次逼近寄
29、存器D/A转换器转换器Vc比较器比较器数字量输出数字量输出控制电路控制电路模拟量输入模拟量输入4747工作原理工作原理 类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。近被称物体。例如：例如：用用8 8个砝码个砝码2 20 0g g，2 21 1g g，2 27 7g g，可以称出，可以称出1 1255g255g之之 间的物体。间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g176g）。）。1 1）ADCADC从高到低逐次给从高到低逐次给SARSAR的每一位的每一位“置置1”1”（
30、即加上不同权（即加上不同权重的砝码），重的砝码），SARSAR相当于放法码的称盘；相当于放法码的称盘；2 2）每次）每次SARSAR中的数据经中的数据经D/AD/A转换为电压转换为电压V VC C ；3 3）V VC C与输入电压与输入电压V Vi i比较，若比较，若V VC CVVi i，保持当前位的，保持当前位的11，否，否则当前位则当前位置置00；4 4）从高到低逐次比较下去，直到）从高到低逐次比较下去，直到SARSAR的每一位都尝试完；的每一位都尝试完；5 5）SARSAR内的数据就是与内的数据就是与V Vi i相对应的相对应的2 2进制数。进制数。48主要技术指标主要技术指标n精度精
31、度 量化间隔量化间隔(分辨率分辨率)=Vmax/电平数电平数(即满量程值即满量程值)例：某例：某8位位ADC的满量程电压为的满量程电压为5V，则其分辨率为，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量量字长有限字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高字长越长，精度越高)绝对量化误差绝对量化误差=量化间隔量化间隔/2=(满量程电压满量程电压/(2n-1)/2 相对量化误差相对量化误差=1/2*1/量化电平数目量化电平数目*100%例：满量程电压
32、例：满量程电压=10V，A/D变换器位数变换器位数=10位，则位，则 绝对量化误差绝对量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差相对量化误差 1/211*100%=0.049%三、三、A/DA/D转换器特性转换器特性 A/DA/D转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数有：转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数有：（1 1）分辨率：）分辨率：指指A/DA/D转换器可转换成数字量的最小电压转换器可转换成数字量的最小电压 ，是是反映反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度转换器对最小模拟输入值的敏感度 所以分辨率一般表示式为：所以分辨率一般表示式为：分辨率分辨率=Vref/2
33、=Vref/2位数位数（单极性）（单极性）或或 分辨率分辨率=（V+ref-V-ref)/2V+ref-V-ref)/2位数位数（双极性）（双极性）分辨率通常是用分辨率通常是用A/D的位数来表示，比如的位数来表示，比如 8位、位、10位、位、12位位等等 所以，所以，A/D转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。如如：8 8为为ADCADC满量程为满量程为5V,5V,则分辨率为则分辨率为5000mV/256=20mV5000mV/256=20mV，也就也就是说当模拟电是说当模拟电 压小于压小于20mV20mV，ADCADC就不能转换了，就不能转换了，（2 2
34、）转换时间：）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。一般转换速度越快越好（特别是动态的数字量输出的时间。一般转换速度越快越好（特别是动态信号采集）。常见有：信号采集）。常见有：超高速（转换时间超高速（转换时间1ns1ns）、高速（转换时间）、高速（转换时间11s s）、）、中中 速（转换时间速（转换时间1ms1ms）低速（转换时间低速（转换时间1s)1s)等。等。如果采集对象是动态连续信号，要求如果采集对象是动态连续信号，要求f f采采2 f2 f信信，也就是，也就是说必须在信号的一个周期内采集说必须在信号的一个周期内采集
35、2 2个以上的数据，才能保证个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出现信号形态被还原（避免出现“假频假频”），这就是），这就是“最小采样最小采样”原理。若原理。若f f信信=20kHz=20kHz，则，则f f采采 40kHz 40kHz，其转换时间要求，其转换时间要求2525s.s.（4 4）线性度：）线性度：当模拟量变化时，当模拟量变化时，A/DA/D转换器输出的数转换器输出的数 字量按比例变化的程度字量按比例变化的程度（5）量程：）量程：指能够转换的电压的范围：指能够转换的电压的范围：05V，0 10V等等 （3）精度：）精度：有绝对精度和相对精度有绝对精度和相对精度 绝对精度绝对精
36、度 指定应于一个给定的数字量的实际指定应于一个给定的数字量的实际 模拟量输入与理论模拟量输入之差。模拟量输入与理论模拟量输入之差。相对精度相对精度 指在整个转换范围内任一数字量所指在整个转换范围内任一数字量所 对应的模拟量实际值与理论值之差对应的模拟量实际值与理论值之差 通常也用最小有效位的分数表示。通常也用最小有效位的分数表示。2转换时间转换时间 指从启动转换信号被输入开始到结束获得稳指从启动转换信号被输入开始到结束获得稳定的数字量输出量为止所需的时间。定的数字量输出量为止所需的时间。3转换启动信号（电位启动和脉冲启动）转换启动信号（电位启动和脉冲启动）在转换过程中必须保持高在转换过程中必须
37、保持高/低电平信号一直有低电平信号一直有效，否则将导致转换出错。效，否则将导致转换出错。四、四、ADC的输入输出特性的输入输出特性 1.输出数据位数输出数据位数 8位，位，10位，位，12位，位，16位等位等4 片上带有三态门输出琐存器片上带有三态门输出琐存器 可直接与可直接与CPU的的DB相连相连 片上未带三态门输出琐存器片上未带三态门输出琐存器 与与CPU相连需外加琐存器相连需外加琐存器5 转出数字量有二进制和转出数字量有二进制和BCD码码 ADC的数字量输出线位数越多，说明其分辨率越高。的数字量输出线位数越多，说明其分辨率越高。6 模拟信号输入及通道模拟信号输入及通道 模拟信号输入来自于
38、外部信号输入对象，有单、多通道模拟信号输入来自于外部信号输入对象，有单、多通道 之分。之分。五、五、A/D转换器与微处理器的接口转换器与微处理器的接口 1、接口应具备的功能；接口应具备的功能；A/D转换器的转换是由外部控制，需发送转换启动信号转换器的转换是由外部控制，需发送转换启动信号 启动启动A/D进行进行A/D转换。转换。读取读取“转换结束转换结束”状态信号，用以查询转换是否结束若状态信号，用以查询转换是否结束若 该状态信号有效，可用于产生中断请求或该状态信号有效，可用于产生中断请求或DMA请求。请求。对多个模拟量输入通道进行通道寻址对多个模拟量输入通道进行通道寻址 方法：方法：CPU通过
39、通过DB送出对应模拟通道的编号，而不是送出对应模拟通道的编号，而不是 通过地址总线送出。通过地址总线送出。发送采样发送采样/保持信号保持信号S/H，以控制采样，以控制采样/保持器进行保持器进行 采样与保持操作（需要时）采样与保持操作（需要时）。2.A/D 2.A/D转换器与转换器与CPUCPU接口方式接口方式（1 1）与）与CPUCPU直接相连：当直接相连：当ADCADC芯片内部带有数据输出锁存器和三芯片内部带有数据输出锁存器和三态门时（如态门时（如AD574AD574、ADC0809ADC0809等），它们的数据输出可直接与等），它们的数据输出可直接与CPUCPU或数据总线相连。或数据总线相
40、连。（2 2）用三态门与）用三态门与CPUCPU相连：对于内部不带数据输出锁存器的相连：对于内部不带数据输出锁存器的ADCADC芯片（如芯片（如ADC1210ADC1210、AD570AD570等），需外接三态锁存器后才能与等），需外接三态锁存器后才能与CPUCPU或系统总线相连。或系统总线相连。（3 3）通过）通过I/OI/O接口芯片与接口芯片与CPUCPU相连：无论相连：无论ADCADC内部有无数据锁存内部有无数据锁存器，都可使用与器，都可使用与CPUCPU配套的并行配套的并行I/OI/O芯片与芯片与ADCADC相连，这样可相连，这样可简化接口电路，简化接口电路，而且可使而且可使A/DA/
41、D的时序关系及电平与的时序关系及电平与CPUCPU保持保持一致，工作更可靠。一致，工作更可靠。如先读低8位，后读高4位，则称为“右对齐右对齐”3.A/D转换器接口电路的设计实例 注意点：各各ADC的转换启动、转换结束命令各不相同，的转换启动、转换结束命令各不相同，需具体使用需具体使用时注意。时注意。进行进行12位位A/D转换时，需分两次将转换时，需分两次将12位数据送位数据送CPU的的DB7 0。如先读高如先读高4位，后读低位，后读低8位，则称为位，则称为“左对齐”，读取高读取高4位时是屏蔽字节中的高位时是屏蔽字节中的高4位。位。后读先读ADC低8位高4位屏蔽六、典型的六、典型的D/A转换器芯
42、片转换器芯片ADC0809：8通道（通道（8路）输入路）输入8位字长位字长 逐位逼近型逐位逼近型转换时间转换时间100s 内置三态输出缓冲器内置三态输出缓冲器主要引脚功能主要引脚功能D7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址：通道地址ALE：通道地址锁存：通道地址锁存START：启动转换：启动转换EOC：转换结束状态输出：转换结束状态输出OE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz1.2MHz）内部结构内部结构START EOC CLK OED
43、7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开关关逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态三态输出输出锁存锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1工作时序工作时序ADC0809的工作过程的工作过程由时序图知由时序图知ADC0809的工作过程如下：的工作过程如下：送通道地址，以选择要转换的模拟输入；送通道地址，以选择要转换的模拟输入；锁存通道地址到内部地址锁存器；锁存通道地址到内部地址锁存器；启动启动A/D变换；变换；判断转换是否结束；判断转换是否
44、结束；读转换结果读转换结果ADC0809的应用的应用芯片与系统的连接芯片与系统的连接编写相应的数据采集程序编写相应的数据采集程序芯片与系统的连接芯片与系统的连接模拟输入端模拟输入端Ini：单路输入单路输入多路输入多路输入单路输入时单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入输入多路输入时多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入输入0输入输入1输入输入2输入输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号+5V通道地址线ADDA-ADDC的连接多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯片与数据总线连接
45、。片与数据总线连接。接口芯片可以选用：接口芯片可以选用：简单接口芯片简单接口芯片74LS273，74LS373等（占用一个等（占用一个I/O地址）地址）可编程并行接口可编程并行接口8255（占用四个（占用四个I/O地址）地址）ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS273Q2Q1Q0CP来自来自I/O译码译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A0数据输出线数据输出线D0-D7的连接的连接可直接连到可直接连到DB上，或通过另外
46、一个输入接口上，或通过另外一个输入接口与与DB相连；相连；两种方法均需占用一个两种方法均需占用一个I/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码直接连直接连DB通过输入接口连通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2#ALE和和START端的连接端的连接独立连接：独立连接：用两个信号分别进行控制用两个信号分别进行控制需占用两个需占用两个I/OI/O端口或两个端口或两个I/OI/O线；线；统一连接：统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换降沿实现
47、启动转换只需占用一个只需占用一个I/OI/O端口或一个端口或一个I/OI/O线。线。ADC0809ALESTART独立连接独立连接来自来自I/O译码译码1来自来自I/O译码译码2ADC0809ALESTART统一连接统一连接来自来自I/O译码译码判断转换结束的方法判断转换结束的方法软件延时等待（比如延时软件延时等待（比如延时1ms），此时不用），此时不用EOC信信号号-CPU效率最低效率最低软件查询软件查询EOC状态状态把把EOC作为中断申请信号，接到作为中断申请信号，接到8259的的IR端端在中断服务程序中读入转换结果，效率高在中断服务程序中读入转换结果，效率高EOC通过一个三态门连到数据总
48、通过一个三态门连到数据总线的某个线的某个D端端三态门占用一个三态门占用一个I/O端口地址端口地址CPU效率低效率低68D0IN0A15-A0 IOR#IOW#D7-D0D7-D0 n n EOC n OE n START n ALE ADDC ADDB ADDA n n 译译 n 码码 n 器器 ADC0809 n一个连接实例（用查询方式）一个连接实例（用查询方式）模拟信号输入模拟信号输入判断转换结束的程序判断转换结束的程序 用延时等待的方法用延时等待的方法 MOV DX,start_portOUT DX,AL ;启动转换启动转换CALL DELAY_1MS ;延时延时1msMOV DX,oe
49、_portIN AL,DX ;读入结果读入结果 判断转换结束的程序判断转换结束的程序用查询用查询EOC状态的方法状态的方法 MOV DX,start_port OUT DX,AL ;启动转换启动转换LL:MOV DX,eoc_port IN AL,DX AND AL,01H ;测试测试EOC状态状态 JZLL MOVDX,oe_port IN AL,DX ;读入结果读入结果 71进一步应考虑的问题进一步应考虑的问题n多个模拟通道时，程序怎样编写？多个模拟通道时，程序怎样编写？nADC位数大于位数大于8位应怎样处理？位应怎样处理？n用用8255时程序应怎样编写？时程序应怎样编写？n n以上三个问题留作思考题以上三个问题留作思考题 微机原理及应用本课程到此全部结束，谢谢大家的合作与支持！
