第八章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换黄景涛.haustgmail.com 河南科技大学 电子信息工程学院第8章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换8.1 概 述 l在工业生产中，往往要对许多自然信号进行研究，例如温度、 压力、流量等，称为模拟量。l这些模拟量是一些时间连续、取值连续的物理量，不能直接被 计算机处理；l必须先转化成离散的数字信号，再输入计算机识别和处理；l又必须把计算机发出的控制命令等转化为模拟信号，去驱动模 拟调节执行机构。l这两个过程，都需要数/模和模/数转换接口来完成。一个实时控制系统的各个环 节 一个实时数据采集(测量)系统各个环 节 8.2 数/模（D/A）转换器l 在计算机系统中，完成数字信号转换成模拟信号的装置叫数/ 模（D/A）转换器（DAC）。8.2.1 数/模转换的原理l数字量是由一位一位的二进制数位构成的, 每个数 位都代表一定的权。l把一个数字量变成模拟量, 必须把每一位上的代码 按照权来转换为对应的模拟量,再把各模拟量相加, 这样,得到的总的模拟量便对应于给定的数据（二十 进制转换）。l数模转换从某种意义上讲就是把二进制的数转换为 十进制的数l通常用T型网络实现数字量向模拟电流的转换；再利 用运算放大器将电流信号转换为电压信号运算放大器的工作特点和原理l运算放大器有如下三个特点：开环放大倍数非常高（输入电压很小）输入阻抗非常大 （输入电流极小）输出阻抗很小（驱动能力大）l虚地运算放大器同相端接地时，用反相端作为输入，由于电压 Vi非常小，可认为与接地电位近似相同(与地近似短路)；输入电流很小，即反相端与地非真实短路；上述输入电压近似为0、输入电流也近似为0的情况称为虚 地虚地的概念是分析运算放大器工作的基础1.运算放大器的工作特点和原理(a)(b)(c)2. 由并联电阻和运算放大器构成的 D/A 转换器 0000到1111得到16种不同的电流D/A转换的分辨率和精度 l分辨率（Resolution）最低位增1所引起的增量和最大输入量的比：分辨率=1/（2n-1）l转换精度（Accuracy）精度是指某一数字量的理论输出值和经DAC转换的实际输出值之差。绝对转换精度：每个输出电压接近理想值的程度相对转换精度：绝对转换精度相对于满量程输出的百分数l建立时间（Settling Time）指当输入数字量从0变化到最大时，其模拟输出达到满刻度值上下1/2 LSB对应值时 所需要的时间。l转换速率: 大信号工作时,模拟输出电压的最大变化速度,V/usl线性误差：D/A转换时，理论上输出模拟量与对应的输入数字量成线性关系 ，但实际情况往往不是理想线性。偏离理想转换特性的最大值称为线性误差 。一般用模拟量和理想值的最大差值折合成的数字量表示。T型电阻网络 电阻网络是D/A转换器的核心 最常见的形式有权电阻网络和T型电阻网络 4位D/A转换器的T型电阻网络如下图：IREFI3I3I2I1I0I2I1I0R0=2R/2 R=RR1=(R0+R)/2R=R RREF=(R2+R)/2R=RT型电阻网络l从D点看的电阻为Rl所以有：IREF=VREF/R 根 据节点电流定律：lI3=I3=IREF/20lI2=I2=IREF/4= IREF/22llI0=I0= IREF/16= IREF/24Ki=1 Ki 接通运放0 Ki 接通地8.2.2 数 / 模转换器件和有关电路目前市场上的 D/A 转换芯片可以分为两类:l一类芯片内部没有数据输入寄存器这类芯片内部结构简单价格比较低廉不能直接和总线相连l另一类芯片内部有数据输入寄存器可以直接和系统总线相连1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使 用1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使 用局部输出真正的输出1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使 用输出1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用l8.7 所示连接。工作时 ,CPU 先用两条输出指令把数 据送到第一级数据缓冲器 , 然后通过第三条输出指 令使数据送到第二级数据缓冲器 , 从而使 D/A 转换 器一次得到 12 位待转换的数据l第三条输出指令所执行的是伪输出 .它并没有真正把 数据总线上的数据送到缓冲器 , 而仅仅是使缓冲器 得到 一个选通信号 , 从而 , 使第一级缓冲器的数据 打入第二级缓冲器。1.不带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用l具体程序段如下 :MOV AL,DATAL OUT PORTL,AL；低 8 位数据送第一级缓冲器MOV AL,DATAH OUT PORTH,AL ；高 8 位数据送第一级缓冲器OUT PORT,AL；伪输出，使数据打入第二级缓冲器2. 带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用2. 带数据输入寄存器的 D/A 芯片的使用DAC0832 的引脚图 DAC0832 的引脚l/CS：片选信号。lILE：允许输入锁存信号。l/WR1：写信号1；/WR2：写信号2。l/XFER：传送控制信号。lDI7DI0：8位数据输入端。lIout1，Iout2：模拟电流输出端lRf：反馈电阻。lVref：基准电压输入端，lVcc：工作电压，+5V +15V。DAC0832 的工作方式l单缓冲工作方式 l双缓冲工作方式l直通工作方式单缓冲方式单缓冲方式是使输入寄存器或DAC寄存器中的任意一个工作 在直通状态，而另一个工作在受控锁存状态。输入数据只经过 一级缓冲便进行D/A转换，只执行一次写操作。例如，要使输 入寄存器受控而DAC寄存器直通，可将WR2和XFER接数字地 ，ILE接+5V。此方式适用于只有一个模拟量输出或几个模拟 量非同步输出的情形。 返回双缓冲工作方式在这种工作方式下，CPU要对DAC0832进行两次写操作。在ILE、 -CS、-WR信号有效时，待转换的8位数据输入寄存器中，在- XFER与-WR2信号有效时，又被锁存到8位DAC寄存器中，并送 到8位D/A转换器中进行转换。此方式适用于多路D/A同时输出的 情形。返回8.3 模/数(A/D)转换器l8.3.1 模 / 数转换涉及的参数模 / 数 (A/D) 转换是指通过一定的电路将 模拟量转变为数字量。主要涉及下面几个参 数：1. 转换精度2. 转换率3. 分辨率 几个参数l1分辨率l分辨率是指A/D转换器能测量的最小输入模拟量。一 个n位A/D转换器，分辨率等于最大允许模拟量输入 值（即满量程）除以2n。所以，通常用转换成的数字 量位数来表示分辨率。l2转换时间l转换时间是指从输入转换启动信号开始到转换结束 所需要的时间，它反映了ADC转换速度。l3精度l精度是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数 字量理论电压值之间的差值，这一差值称为绝对误 差。当它用百分数表示时就称为相对误差。8.3.2 模 / 数转换的方法和原理1. 计数式 A/D 转换2. 双积分式 A/D 转换3. 逐次逼近式 A/D 转换4. 用软件和 D/A 转换器来实现 A/D 转换图 8.15 电路逐次逼近A/D 转换软件设计方法 lSTART:XORAX,AX ; 累加器清零l MOVBL,8OH ;初值为 8OHl MOVCX,08H ; 计数初值为 8AGAIN: ADDAL,BL ;计算试探值l MOVBH ,AL ;保留试探值l OUTPORTA,AL ;PORTA 是锁存器的端口地址l INAL,PORTS ;PORTS 是输入端口的地址 , 读取状态值l ANDAL,01 ;只取状态位 , 而对其他位屏蔽l JZ END1 ;如 Do 为 0, 则说明试探值太小 , 故保存此位 , l ;转END1l MOV AL,BLl NOTAL ;求反l ANDAL,BH ;使这次的试探位为 Ol MOVBH ,AL ;保存试探值lEND1: RORBL,1 ; 右移 , 得到下一个试探值l MOV AL,BHl LOOPAGAIN ; 继续进行试探和测试l ;后续程序段8.3.3 模 / 数转换器和系统连接时要考虑的问 题A/D 芯片和系统连接时 ,要考虑这些信号的 连接问题 1. 输入模拟电压的连接 2. 数据输出线和系统总线的连接3. 启动信号的供给4. 转换结束信号以及转换数据的读取 8.3.3 模 / 数转换器和系统连接时要考虑的问 题3）启动信号A/D转换芯片必须有启动转换的信号，可以分为电平启动信 号和脉冲启动信号。电平信号是在整个转换过程中都保持的，一般需要用锁存 器把启动信号锁存，使它保持整个转换周期都有效。但有一些 A/D转换芯片只要求用脉冲信号来启动。对这种芯片，通常用 CPU执行输出指令时所发出的片选信号和写信号即可在片内产 生启动脉冲，开始转换。 8.3.3 模 / 数转换器和系统连接时要考虑的问 题4）转换数据的读取A/D转换结束时，A/D转换器的EOC信号有效，表示转换完毕 。通过判断EOC信号，CPU可以正确的读取转换结果。CPU通常 可以用以下三种方式来实现读取。（1）程序查询方式 （2）中断方式 （3）固定的延迟程序方式 第8章 数/模(D/A)、模/数(A/D)转换接口lD/A和A/D转换应用举例D/A和A/D转换芯片广泛应用于计算机系统、通信系统、工业 控制系统、智能化仪表仪器等领域，例如处理语音信号，波形 产生等。1 D/A和A/D转换应用举例例 锯齿波信号广泛应用于各种扫描电路。编写 一个利用DAC0832芯片产生锯齿波的程序， 电压范围为05V，周期任意，DAC0832工 作在单缓冲方式，端口地址为0278H。D/A和A/D转换应用举例分析：DAC0832的输出电压范围为05V。 当输入数字量为最大值255时，输出为5V。 则1V的电压对应的数字量为255/5V=33H， 4V电压对应的数字量为0CDH。从33H开始 往DAC0832输出数据，每次加1，直到最大 值0CDH，然后再从33H开始下一个周期。 参考程序如下：D/A和A/D转换应用举例MOV DX，0278H REP： MOV AL，33H AGAIN： OUT DX，ALINC ALCALL DELAYCMP AL，0CDHJNA AGAINJMP REP DELAY： MOV CX，100 D1： LOOP D1RET ;见课本340页例，是否有问题D/A和A/D转换应用举例l例 2:用不带可控三态门的 A/D 转换器实现 A/D 转换 , 且分别采用程序查询方式来读取 转换结果。l分析：AD570 内部带有三态输出门 , 但不是 外部可控的。 A/D 转换结束时 , 三态门会自 动接通 , 因此 , 从转换结束到取走数据这段时 间内 , 输出数据线始终被占据 , 这样 ,AD570 就不能直接和系统总线相连。 D/A和A/D转换应用举例D/A和A/D转换应用举例l下面就是用查询方式读取转换结果的程序段 :lREADAD: MOV AL,92H ；方式字 ,使端