1、第 11 章模数(A/D)和 数模(D/A)转换中国科学技术大学中国科学技术大学 何克东何克东11.1 概述o 模拟量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器o在实际工程中大量遇到的是连续变化的物理量。所谓连续，包括两方面的含义：一方面从时间上来说，它是随时间连续变化的；另一方面从数值上来说，它的数值也是连续变化的。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。例如温度、压力、流量、位移、转速以及连续变化的电压、电流等等。因为微型计算机只能处理数字量的信息，模拟接口的作用就是实现模拟量和数字量之间的
2、转换。o将模拟量转变为数字量的器件称为模数转换器(Analog to Digital Converter)，简称ADC或A/D转换器。计算机的计算结果是数字量，不能用它去直接控制执行部件，需要先把它转换为模拟量，才能用于控制。这种能将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器(Digital to Analog Converter)，简称DAC或D/A转换器。一、模拟输入输出系统数字数字信号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
3、A/D转转换换器器采样采样保持保持器器数数字字信信号号受控对象受控对象控制信号控制信号模模拟拟信信号号D/A转转换换器器放大驱动电路放大驱动电路I/0接接口口放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变传感器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）I/0接接口口多多路路开开关关11.2 D/A转换器DAC数字数字/模拟转换器模拟转换器数字量数字量 模拟量模拟量一、D/A转换的基本原理o DA转换器的功能是把计算机输出的
4、二进制数字量电信号转换成与其数值成正比的模拟量电信号。D/A转换器可以视为微机的一种输出设备，实现D/A转换器与微机接口技术的关键是数据锁存问题，当CPU向D/A转换器输出的数据在数据总线上只能持续较短的时间。因此，必须要用数据锁存器将数据锁存，才能为D/A转换器提供一个稳定的数据。数字量 模拟量1101B 13权电阻网络权电阻网络D/A转换器的原理图转换器的原理图RfVo+_S3D14RS2D22RIOS4D48RS1D3RVR电阻网络电阻网络基准电压基准电压电子开关电子开关I1I2I3I4 I If 运算放大器运算放大器虚地虚地权电阻网络权电阻网络DACDAC流入相加点流入相加点的总电流为
5、：的总电流为：I IO O=d=d1 1I I1 1+d+d2 2I I2 2+d+d3 3I I3 3+d+d4 4I I4 4 =d=d1 1(V(VR R/R)+d/R)+d2 2(V(VR R/2R)+d/2R)+d3 3(V(VR R/3R)+d/3R)+d4 4(V(VR R/4R)/4R)=(2V =(2VR R/R)(d/R)(d1 12 2-1-1+d+d2 22 2-2-2+d+d3 32 2-3-3+d+d4 42 2-4-4)如果Rf=R/2,输入数字量d1d2d3d4=1000,VR=+5V,则输出电压：V VO O=-=-I IO OR Rf f =-2V =-2V
6、R R/R/R（1 1（1/21/2）+0+0(1/4)+0(1/4)+0(1/8)+0(1/8)+0(1/16)(1/16)(R/2)(R/2)=-(1/2)V =-(1/2)VR R =-2.5V =-2.5VT型电阻解码网络型电阻解码网络D/A转换器的原理图转换器的原理图Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREFT T型电阻解码网络型电阻解码网络DACDAC二、DAC的主要性能指标o 输入数字量 包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平等。有二进制码、BCD码、补码、偏移二进制码等。逻辑电平
7、一般为TTL电平。o 输出模拟量 不同型号的DA转换器件的输出电平相差较大。一般为5V10V，有的高压输出型的输出电平，则高达24V30V。还有些电流输出型的DA转换器，低的为几个mA到几十个mA，高的可达3A。o分辨率 这是DA转换器中最重要的指标，它表示D/A转换器对模拟量的分辨能力。理论定义为最小输出电压(对应的输入数字量仅最低位为“1”)与最大输出电压(对应的数字输入量为全“1”)之比。对于前述4位D/A转换器，其分辨率为1/15。分辨率越高，转换时对应最小数字输入的模拟信号电压数值越小，也就越灵敏。通常，使用数字输入量的位数来给出分辨率。例如，单片集成D/A转换器AD7522的分辨率
8、为10位，单片 集成D/A转换器ADll47的分辨率为16位等。o 建立时间 对于一个理想的D/A转换器,其数字输入信号从一个二进制数变到另一个二进制数时,其输出模拟信号电压,应立即从原来的输出电压跳变到与新的数字信号相对应的新的输出电压。但是在实际的D/A转换器中,电路中的电容、电感和开关电路会引起电路时间延迟。所谓建立时间，系指数模转换器中的输入代码有满度值的变化时,其输出模拟信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值1/2LSB精度时所需要的时间。不同型号的D/A转换器，其建立时间不同,一般从几个纳秒到几个微秒。输出形式是电流的,其D/A转换器的建立时间是很短的；输出形式是电压的,D/A转换
9、器的主要建立时间是其输出运算放大器所需的响应时间。o 转换精度 转换精度以最大的静态转换误差的形式给出。这个转换误差应该是包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。但是有的产品说明书中,只是分别给出各项误差,而未给出综合误差。应该注意,转换精度和分辨率是2个不同的概念。精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果发生影响的最小输入量,对于分辨率很高的DA转换器并不一定具有很高的精度。o 线性误差 通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。而非线性误差为理想的输入/输出特性曲线与实际转换曲线的偏差，一般取偏差的最大值表示。通常，使用最小数字输入量的分
10、数来给出最大偏差的数值，如1/2LSB。DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入输入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER三、数/模转换器o DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片1.DAC0832的数字接口o 8位数字输入端n DIDI0 0DIDI7 7（DIDI0 0为最低位）为最低位）o 输入寄存器（第1级锁存）的控制端n ILEILE、CSCS、WR1WR1o DAC寄存器（第2级锁存）的控制端n XFERXFER、WR2WR2直通锁存器的工作方式两级
11、缓冲寄存器都是直通锁存器n LE1，直通（输出等于输入）n LE0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式o LE1LE21o 输入的数字数据直接进入D/A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o LE11，或者LE21o 两个寄存器之一始终处于直通状态o 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D
12、AC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式o 两个寄存器都处于受控（缓冲）状态o 能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据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Iout12.DAC0832的模拟输出o Iout1、Iout2电流输出端o Rfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）o VREF参考电压输入端n 10V10Vo AGND模拟信号地o VCC电源电压输入端n 5V15Vo DGND数字信号地单极性电压输出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVRE
13、F单极性电压输出：例子设 VREF5Vo DFFH255时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98Vo D00H时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0Vo D01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF3.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 5VADI10K1M1KVREF4.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11.2.3 DAC芯片与主机的连接o DAC芯片相当于
14、一个“输出设备”，至少需要一级锁存器作为接口电路o 考虑到有些DAC芯片的数据位数大于主机数据总线宽度，所以分成两种情况：1.主机位数等于或大于DAC芯片位数2.主机位数小于DAC芯片位数1.主机位数大于或等于DAC芯片的连接mov al,bufmov dx,portdout dx,al译码译码ABD0D7CLKDACVout+_ALS273 IOWDAC0832单缓冲方式 WR1 CS IOW 5V+5VRfbIout2Iout1 WR2XFERDGND AGNDD0D7DI0D17VccILEVREFVout+_A译码译码AB2.主机位数小于DAC芯片的连接o 数字数据需要多次输出o 接口
15、电路也需要多个（级）锁存器保存多次输出的数据o 并需要同时将完整的数字量提供给DAC转换器8位位12位位两级锁存电路模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制第第1级高级高4位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器4位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的一级锁存关键的一级锁存无需输出数据无需输出数据简化的两级锁存电路模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同
16、一个信号控制由同一个信号控制关键的一级锁存关键的一级锁存需要输出高需要输出高4位数据位数据mov dx,port1mov al,blout dx,almov dx,port2mov al,bhout dx,al输出正向锯齿波输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期锯齿波周期 mov dx,portd mov al,0repeat:out dx,al inc al call delay jmp repeatDAC芯片的应用11.3 A/D转换器模拟量数字量数字量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCo 模数转换一般要经过传感器、放
17、大器、滤波器、多路开关、采样保持电路、AD转换器等器件，才能把要处理的物理量转换成提供给计算机处理的数字量。一、A/D转换的基本原理o 存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合o 4种常用的转换技术计数器式逐次逼近式双积分式并行式1.计数器式以最低位为增减量单位的逐步计数法时钟时钟复位复位数字输出数字输出比较器比较器模拟输入模拟输入计数器计数器D/A转换器转换器转换结束转换结束2.逐次逼近式从最高位开始的逐位试探法时钟时钟复位复位数字输出数字输出转换结束转换结束比较器比较器模拟输入模拟输入寄存器寄存器D/A转换器转换器二、典型的ADC0809芯片o 具有A/D转换的基本功能vCM
18、OS工艺制作v8位逐次逼近式ADCv转换时间为100 so 包含扩展部件多路开关三态锁存缓冲器ADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存地址锁存和译码和译码OE通道通道选择选择开关开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三态三态锁存锁存缓冲器缓冲器DACVcc比较器比较器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定时和控制定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC1.ADC0809ADC0809的模拟输入o 提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑 IN0IN7：8个模拟电压输入端 ADDA、
19、ADDB、ADDC：3个地址输入线 ALE：地址锁存允许信号o ALE的上升沿用于锁存3个地址输入的状态，然后由译码器从8个模拟输入中选择一个模拟输入端进行A/D转换2.2.ADC0809ADC0809的转换时序D0D7OEEOCALEADDA/B/CDATA100 s2 s+8T(最大最大)200ns(最小最小)转换启动信号转换启动信号转换结束信号转换结束信号START3.ADC0809的数字输出o ADC0809内部锁存转换后的数字量o 具有三态数字量输出端D0D7o 配合输出允许信号OEo当输出允许信号OE为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出单极性转换示例o 基准电压V
20、REF(+)5V，VREF()0Vo 输入模拟电压Vin1.5VN（1.50）（50）25676.8774DH11.3.3 ADC芯片与主机的连接o ADC芯片相当于“输入设备”，需要接口电路提供数据缓冲器o 主机需要控制转换的启动o 主机还需要及时获知转换是否结束，并进行数据输入等处理1.数据输出线的连接o 与主机的连接可分成两种方式n 直接相连：用于输出带有三态锁存器的ADC芯片n 通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片o ADC芯片的数字输出位数大于系统数据总线位数，需把数据分多次读取2.A/D转换的启动（1）o 启动信号一般有两种形式n 脉
21、冲信号启动转换n 电平信号启动转换2.A/D转换的启动（2）o 主机产生启动信号有两种方法n 编程启动 软件上，执行一个输出指令 硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉冲，或产生一个启动有效电平n 定时启动 启动信号来自定时器输出3.转换结束信号的处理v 不同的处理方式对应程序设计方法不同 查询方式把结束信号作为状态信号 中断方式把结束信号作为中断请求信号 延时方式不使用转换结束信号 DMA方式把结束信号作为DMA请求信号 假设系统分配给8255A的端口地址为320H一323H。又设,已完成对8255A的初始化编程，并使ES和DS有相同的段基地址。若要求ADC0809将8路模拟量转换成8个数字量
22、后，存放到内存中段基地址为ES，偏移量从DATABUF开始的存储单元中，则用ADC0809完成一次8路模拟量的采集子程序AD_SUB如下：AD_SUB PROC AD_SUB PROC MOV CX,8 MOV CX,8 ；CXCX作数据计数器作数据计数器 CLD CLD ；清方向标志清方向标志 MOV BL,00H MOV BL,00H ；模拟通道号存在模拟通道号存在BLBL中中 LEA DI LEA DI，DATA_BUF DATA_BUF；缓冲区偏移地址缓冲区偏移地址NEXT_INNEXT_IN：MOV DXMOV DX，322H 322H ；C C口地址口地址 MOV AL MOV A
23、L，BLBL OUT DX OUT DX，ALAL MOV DX MOV DX，323H323H MOV AL MOV AL，00000111B;IPC300000111B;IPC3置置1 1 OUT DX OUT DX，AL AL ；送出开始启动信号送出开始启动信号 NOP ;NOP ;延时延时 NOP NOP NOP NOP MOV AL MOV AL，00000110B 00000110B；PC3PC3复位复位 OUT DX OUT DX，AL AL ；送出结束启动信号送出结束启动信号 MOV DX MOV DX，322H ;DX322H ;DX指向指向C C口口NO_CONVNO_CO
24、NV：IN AL ;DXIN AL ;DX读入读入C C口内容口内容 TEST AL TEST AL，80H ;80H ;查查PC7PC7，即即EOCEOC信号信号 JNZ NO_CONV ;PC7=1 JNZ NO_CONV ;PC7=1，还未开始转换，等待还未开始转换，等待NO_EOCNO_EOC：IN AL IN AL，DX ;PC7=1DX ;PC7=1，已启动转换已启动转换 TEST AL TEST AL，80H 80H ；再查再查PC7PC7 JZ NO_EOC JZ NO_EOC ；IPC7IPC70 0，转换未结束，等待转换未结束，等待 MOV DX MOV DX，320H 320H；PC7=1PC7=1，转换结束，转换结束，DXDX指向指向A A口口 IN AL IN AL，DX DX ；读人数据读人数据 STOS DATA_BUF STOS DATA_BUF；存入存入ESES段的数据缓冲区段的数据缓冲区 INC BL INC BL ；指向下个通道指向下个通道 LOOP NEXT_IN LOOP NEXT_IN ；尚未完成尚未完成8 8路转换则循环路转换则循环 RET RET ；已完成，返回已完成，返回AD_SUB ENDPAD_SUB ENDP
