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第 7 章 数/模与模/数转换

第 7 章 数/模与模/数转换. 7.1 数/模（ D/A） 转换 7.2 模 / 数（ A/D） 转换 7.3 典型 A/D 转换器芯片 7.4 数据采集系统. 数字量 ：从键盘读入的字符代码，送往磁盘存储的文 件信息等。 模拟量 ：语音信号，送往 VGA 显示器的视频信号，以 及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随 着时间连续变化。

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第 7 章 数/模与模/数转换

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  1. 第7章 数/模与模/数转换 7.1 数/模（D/A）转换 7.2 模/数（A/D）转换 7.3 典型A/D转换器芯片 7.4 数据采集系统

  2. 数字量：从键盘读入的字符代码，送往磁盘存储的文 件信息等。 • 模拟量：语音信号，送往VGA显示器的视频信号，以 及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随 着时间连续变化。 • 为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，需 要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加工的 数字量（A/D转换，ADC），或者把数字量转换 成模拟量(D/A转换，DAC)。 • D/A与A/D转换是计算机用于多媒体、工业控制等领 域的一项重要技术。 数字量（Digit）和模拟量（Analog）

  3. 模拟量输入输出通道 图7-1

  4. 把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、流量 等）转换成电流或电压信号。 1． 传感器（变送器） 2． A/D转换器（Analog Digit Converter, ADC） • 将电压表示的模拟量转换成数字量，送计算机处理， 它是输入通道的核心环节。 • AD转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围： 单极性0~5V、0~10V、0~20V;双极性±2.5V、±5V、±10V等。

  5. 传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大，获得ADC所要求的输入电平范围。 • 安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的 影响，需要加接滤波电路，滤去干扰信号。 3． 信号处理 4． 多路开关（Multiplexer） • 需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路 模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用 一个ADC进行A/D转换。

  6. 如果在一次转换期间，输入的模拟量有较大的变化， 那么转换得到的结果会产生误差，甚至发生错误。 • A/D转换期间保持输入信号不变的电路称为采样/保持 电路。 • 转换开始之前，采样/保持电路采集输入信号（采样） • 转换进行过程中，它向A/D转换器保持固定的输出 （保持）。 5． 采样/保持器（Sample Holder） 6． D/A转换器（Digit Analog Converter, DAC）: • D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。

  7. 7.1 数/模（D/A）转换 7.1.1 数/模转换原理 7.1.2 D/A转换芯片—DAC0832

  8. 1. 权电阻D/A 图7-2

  9. 2. R-2R T型电阻网络D/A转换器

  10. D/A转换器进行一次数字量到模拟量的转换需要的时间， 称为D/A转换时间，一般在500ns(纳秒, 1ns=10-9s)左右。 • 为了保存由计算机送来的数字信号，通常还需要配置一 个“数据寄存器”，向D/A 转换器提供稳定的数字信号。

  11. 7.1.2 D/A转换芯片—DAC0832

  12. DI0~DI7：8位数字量输入。 • ILE：数据锁存允许信号，高电平有效； • CS#：输入寄存器选择信号，低电平有效； • WR1#：输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 • 输入寄存器的锁存信号LE1#=(CS#+WR1#)#·ILE。 LE1#=1，输入锁存器状态随数据输入状态变化；LE1#=0 时，锁存输入数据。 1． DAC0832的引脚信号

  13. DAC0832的引脚信号 • XFER#：数据转移控制信号，低电平有效； • WR2#：DAC寄存器的“写”选通信号。 • DAC寄存器的锁存信号LE2#=WR2#+XREF#。LE2# =1时，DAC寄存器的输出跟随输入变化；LE2# =0时，锁存输入寄存器状态。 • VREF：基准电压输入。（＋10V～－10V）

  14. DAC0832的引脚信号 • Rfb：反馈信号输入，芯片内已连接有反馈电阻。 • IOUT1和IOUT2：电流输出引脚。IOUT1与IOUT2的和为常数，IOUT1随DAC寄存器的内容线性变化。 • Vcc是工作电源；DGND是数字地，AGND为模拟 信号地。

  15. DAC0832的引脚信号 • 为了保证转换精度，模拟信号部分应使用高精度基 准电源VREF和独立的地线。 • 为了避免数字信号对模拟信号的干扰，提高输出的 稳定性，减少误差，应把数字地和模拟地分开： • 模拟地：模拟信号及基准电源的参考地； • 数字地：工作电源地，数据、地址、控制等数字 信号逻辑地。 • D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信 号经放大后才能驱动执行机构的部件。

  16. DAC0832的连接 图7-5

  17. 直通输入：把CS#, WR1# , WR2#, XREF#都接地，由 微机的并口（例如8255）向0832输出。 • 单缓冲：地址选通PORT0连接CS#。I/O写信号IOW#同 时连接到WR1#、WR2#和XREF#。执行一次输出指令可 以将数据写入。 • 双缓冲方式： 在输出一个模拟信号的同时，可送入下一个数据，实现多个DAC同时输出新的模拟量。DAC0832占用两个端口地址，地址线A0=0时选中第一级，A0=1时选中第二级。输出一个数据需要执行两条输出指令： • 第一条指令将数据写入0832的输入寄存器； • 第二条指令将数据从输入寄存器送入DAC寄存器 2. DAC0832的应用

  18. DAC0832的应用 图7-5

  19. 双缓冲方式输出程序 MOV AL , NUM ；被转换的数据送AL MOV DX, PORT0 ；输入寄存器偶地址送DX OUT DX, AL ；数据送到输入寄存器 INC DX ；A0=1 OUT DX, AL ；数据送入DAC寄存器

  20. 输出锯齿波的程序段 MOV AL, 0 J1： CALL OUTPUT ；输出当前值 INC AL ；产生下一个输出值 JMP J1

  21. S0： MOV AL， 0 ; AL中置初值0，S1: CALL OUTPUT ；输出三角波的上升段INC AL JNZ S1 DEC ALS1： CALL OUTPUT ；输出三角波的下降段DEC AL ；产生下降段下一个值 JNZ S2 ；JMP S1 ；下降段结束， ; 输出下一个三角波 输出三角波的程序段

  22. 子程序“OUTPUT” OUTPUT PROC NEAR MOV DX, PORT0 ；DAC0832端口地址 OUT DX, AL INC DX OUT DX, AL ; PUSH AX MOV AX, N ；延时的时间常数WT: DEC AX JNZ WT ；延时 POP AX RETOUTPUT ENDP

  23. 7.2 A/D 转换 7.2.1 信号变换中的采样、量化和编码 7.2.2A/D 转换原理 7.2.3A/D转换器的主要技术指标

  24. 7.2.1 信号变换中的采样、量化和编码 1. 采样 • 采样：模拟信号的大小随着时间不断地变化，A/D转换实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。 • 采样保持：对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值。 • 采样定理：采样频率要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍。实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的4～8倍。

  25. 量化是把采样值取整为最小单位Δ的整数倍。 • 量化的最小单位称为量化单位Δ，它等于输入 信号的最大值/数字量的最大值，对应于数字量1。 • 输入信号的最大值一般等于所使用的“参考电压(VREF )” 2. 量化

  26. 图7-7

  27. 3. 编码 • 量化得到的数值通常用二进制表示。 • 对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示。 例如，8位二进制偏移码10000000代表数值0， 00000000代表负电压满量程， 11111111代表正电压满量程 （数值为负时符号位为0，为正时符号位为1） 。

  28. 7.2.2A/D 转换原理 1.　双积分型A/D转换器 这种方式的转换中有两个积分时间： T0：用模拟输入电压对电容积分（充电）的时间这个时间是固定的； T1：以电容充电后的电压为初值，对参考电源VRef反向积分，也就是积分电容被放电至 零所需的时间（或T2）。

  29. 双积分型A/D转换器 图7-8

  30. 双积分型A/D转换器 • Vi/VRef = T1/T0。 由于VRef 、T0固定，通过测量放电时间T1，可求出输入模拟电压Vi的大小。 • 双积分型A/D转换测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好。 • 双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，但是转换速度比较慢，通常为ms级，一般用于低频信号的测量。

  31. 2. 逐次逼近式A/D转换器 图7-9

  32. 逐次逼近式A/D转换器的特点 （1） 转换速度较快，转换时间在1～100μs以内， 分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号 的A/D转换； （2） 转换时间固定，不随输入信号的大小而变化； （3） 抗干扰能力较双积分型弱。采样时，干扰信号会 造成较大的误差，需要采取适当的滤波措施。

  33. 3. 跟踪计数式模数转换器 图7-10

  34. 4. ∑-△型模数转换器 （设输入模拟量Vin=1/4VREF） 图7-11

  35. ∑-△型模数转换器 • ∑-△型模数转换器以串行数据流方式输出结果； • 转换精度为1LSB； • 转换完成后，比较器输出0/1相间的数字流； • 输入模拟量Vin发生变化，输出数字流随之变化。 • 模拟量输入端接有多路开关时，通道切换后要等 待足够长的时间，才能读取转换结果。 • ∑-△型模数转换器抗干扰能力强，转换精度高，常用于高分辨率（常见为16、18、24位）的中、低频信号测量。 • AD7714是一个∑-△型模数转换器芯片，转换精度24位。

  36. 7.2.3A/D转换器的主要技术指标 1.　分辨率 分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力，用数字量最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值(Δ)表示。 分辨率直接与转换器的位数有关，也可以用数字量的位数来表示分辨率。 注意：分辨率与精度是两个不同的概念。 分辨率高的转换器，精度不一定高。

  37. 2.　精度 (有绝对精度和相对精度两种) （1）绝对误差 绝对误差等于实际转换结果与理论转换结果之差。 也可以用数字量的最小有效位（LSB）的分数值表示。 例如: ±1LSB，±1/2 LSB，±1/4 LSB等 （2）相对误差 相对误差是指数字量所对应的模拟输入量的实际值与 理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。 例：10位A/D芯片，输入满量程10V， 绝对精度 ±1/2LSB （△＝9.77mV） 绝对精度为：1/2△（＝4.88mV） 相对精度为：4.88mV/10V＝0.048％。

  38. 3.　转换时间 完成一次A/D转换所需要的时间。 （发出转换命令信号到转换结束的时间） 转换时间的倒数称为转换速率。 例：AD574的转换时间25μs，转换速率为40KHz（=1/25 μs ） 4.　量程 量程：被转换的模拟输入电压范围， 分单极性、双极性两种类型。 单极性常见量程为　0～5V，0～10V，0～20V； 双极性量程常为－5V～＋5V，－10V～+10V。

  39. 5.　逻辑电平与输出方式 多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。 ∑-△A/D转换芯片以串行方式输出数据，这对单片机类CPU连接是很方便的。 6.　工作温度范围 温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等部件的工作产生影响。 A/D转换器的工作温度范围一般为0～70℃。 军用品为－55℃～＋125℃。

  40. 7.3 典型A/D转换器芯片 7.3.1 ADC0809 • 逐次逼近型8位A/D转换芯片； • 片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量； • 单极性，量程为0～5V； • 典型的转换速度 100μs； • 片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接； • 有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求 不高的场合或一般的工业控制领域。

  41. 图7-12

  42. 1. 模拟输入部分 模拟输入部分由8选1多路开关，地址锁存与译码逻辑组成。 从IN0~IN7引脚输入8路单端模拟信号； 由三位地址输入ADDA，ADDB，ADDC译码选择8路中的一路，ALE为高电平时，三个地址信号被锁存。 2．A/D变换器部分 由逐次逼近寄存器SAR（8位）、比较器、电阻网络等控制逻辑组成。

  43. 3. 基准电压输入VREF(+)和VREF(－) 它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值 对转换精度要求不高时，可以把VREF(+)接到Vcc（+5V）电源上，VREF(－)接GND（地） 为了避免数字脉冲信号对基准电源的干扰，可以设置独立的VREF(+)和VREF(－)，加在两个引脚的电压必须满足以下条件： VREF(+)+VREF(－) =Vcc，偏差值≤±0.1V Vcc≥VREF(+)≥VREF(－) ≥0

  44. 4． ADC0809的时序 图7-13

  45. ADC0809的工作过程 （1）ALE信号锁存地址信号ADDA~ADDC。对应的模拟信号进入0809 （2） START脉冲启动A/D转换 （3） 转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平： • 可以作为状态信号由CPU查询； • 可以作为中断请求信号通知CPU。 （4） CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中： • 执行输入指令（读ADC0809数据端口）； • 该指令经地址译码电路产生OE信号， • 0809内三态缓冲器被打开， • 转换结果通过数据总线进入CPU。

  46. 5. ADC0809芯片应用举例 ADC0809与系统有三种常见的连接方法： （1） 占用三个I/O端口： 端口1用来向0809输出模拟通道号并锁存； 端口2用于启动转换； 端口3读取转换后的数据结果。 （2） 占用二个I/O端口： 端口1输出模拟通道号并锁存，同时启动转换； 端口2读取转换后的数据结果。 （3） 通过并行接口芯片（例如8255A）连接。

  47. ADC0809芯片应用举例 图7-14

  48. ADC0809转换程序 START: MOV AL, 98H ;　8255A方式字：方式0，A口输入，B口输出 MOV DX, 03FFFH ; 8255A控制端口地址 OUT DX, AL ; 送8255A方式字 MOV AL, 0BH ; 通道号3、ALE信号 MOV DL, 0FDH ; 8255A的B口地址 OUT DX, AL ; 送通道号3及ALE信号 MOV AL, 1BH ; 增加启动信号START OUT DX, AL ; 启动A/D转换

  49. ADC0809转换程序（续） MOV AL, 0BH ; OUT DX, AL ; 撤销START信号 MOV DL, 0FEH ; 8255A的C口地址 TST: IN AL, DX ; 读C口状态 AND AL, 10H ; 查询EOC状态　 JZ TST ; 如未转换完，再测试 MOV DL, 0FCH ; 8255 PA端口地址 IN AL, DX ; 从A端口读入转换结果 ………

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