微机原理与接口技术第微机原理与接口技术第7章章数摸和模数转换数摸和模数转换-3 在在生生产产控控制制过过程程中中，计计算算机机既既要要实实现现对对生生产产设备的设备的检测检测，又要实现对生产设备的，又要实现对生产设备的控制控制。检检测测：需需将将模模拟拟量量转转换换成成数数字字量量，简简称称A/D转转换换。实现实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器转换器，简称，简称ADC。控控制制：需需将将数数字字量量转转换换成成模模拟拟量量。简简称称D/A转转换换。实现实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器转换器，简称，简称DAC。7.4.1 7.4.1 概述概述 1. 模拟量输入通道模拟量输入通道 （1）传感器）传感器 （2）信号处理环节）信号处理环节 （3）多路转换开关）多路转换开关 （4）采样保持器）采样保持器 （5）A/D转换器转换器 2模拟量输出通道模拟量输出通道 主主要要由由锁锁存存器器、D/A转转换换器器、放放大大驱驱动动电电路路组组成成。锁锁存存器器是是用用来来保保持持数数字字量量稳稳定定的的。功功率率放放大大器器是是作作为为模模拟拟量量输输出出的驱动电路。的驱动电路。7.4.1 7.4.1 概述概述1. D/A转换器的工作原理D/A转转换换把把数数字字量量的的每每一一位位代代码码按按权权大大小小转转换换成成模模拟拟分分量量，然然后后根根据据叠叠加加原原理理将将各各代代码码对对应应的的模模拟拟输输出出分分量量相相加加。D/A转转换换器器的的主主要要部部件件是是电电阻阻开开关关网网络络，网网络形式有络形式有权电阻网络权电阻网络和和倒倒T型电阻网络型电阻网络等。等。 1）权电阻网络）权电阻网络D/A转换法转换法电阻值为电阻值为2iR合上时合上时Si=1，断开，断开时时Si=0例如：输入为例如：输入为10000110B（8位位A/D转换）则转换）则输出为：输出为： Vo=-（134/256）Vref特点：特点： D/A转换器的转换转换器的转换精度与精度与基准电压基准电压Vref的精的精度、权电阻和电子开关度、权电阻和电子开关Si的精度及位数有关的精度及位数有关。缺点：缺点：精密电阻难制造精密电阻难制造1. D/A1. D/A转换器的工作原理转换器的工作原理2). 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换法转换法输出模拟电压输出模拟电压Vo与输入的关系为：与输入的关系为：特点：特点：1.电阻网络只用两种阻值组成；电阻网络只用两种阻值组成；2.各位开关的状态由数据各位开关的状态由数据锁存器的对应位决定。锁存器的对应位决定。2. D/A2. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分分辨辨率率是是指指D/A转转换换器器能能分分辨辨的的最最小小输输出出模模拟拟量量，取取决决于于输输入入数数字字量量的的二二进进制制位位数数，通通常常用用数数字字量量的的位位数来表示。数来表示。 一一个个n位位的的DAC所所能能分分辨辨的的最最小小电电压压增增量量定定义义为为满量程值的满量程值的2-n倍。倍。 如如：满满量量程程为为10V的的8位位DAC芯芯片片的的分分辨辨率率为为10V2-839mV；一一个个同同样样量量程程的的16位位DAC的的分分辨辨率率最高达最高达10V2-16153V。 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 转换精度（转换精度（Conversion Accuracy） 转转换换精精度度是是指指满满量量程程时时DAC的的实实际际模模拟拟输输出出值值和和理理论论值值的的接接近近程程度度。该该误误差差是是由由于于D/A增增益益误误差差、零零点点误误差差和和噪噪声声等等引引起起的的。通通常常，DAC的的转转换换精精度度为为分分辨辨率率的的一一半半，即即为为LSB/2。LSB是是分分辨辨率率，是是指指最最低低1位位数数字量变化引起输出电压幅度的变化量。字量变化引起输出电压幅度的变化量。2. D/A转换器的主要技术指转换器的主要技术指标标 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 转换精度（转换精度（Conversion Accuracy） 3. 偏移量误差（偏移量误差（Offset Error） 偏偏移移量量误误差差是是指指输输入入数数字字量量为为零零时时，输输出出模模拟拟量量对对零零的的偏偏移移值值。这这种种误误差差通通常常可可以以通通过过DAC外外接接Vref和和电电位计加以调整。位计加以调整。2. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 转换精度（转换精度（Conversion Accuracy） 3. 偏移量误差（偏移量误差（Offset Error） 4. 线性度（线性度（Linearity） 线线性性度度是是指指DAC实实际际转转换换特特性性曲曲线线和和理理想想直直线线之之间间的最大偏差。通常，线性度不应超出的最大偏差。通常，线性度不应超出LSB/2。2. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 转换精度（转换精度（Conversion Accuracy） 3. 偏移量误差（偏移量误差（Offset Error） 4. 线性度（线性度（Linearity） 除除了了上上述述指指标标外外，转转换换速速度度（Conversion Rate）和和温温度度灵灵敏敏度度（Temperature Sensitivity）等等也也是是DAC的的重重要技术参数。要技术参数。 2. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标uDI7DI0：D/A转转换换器器数数字字量量输输入入信信号号。其其中中，DI0为为最低位，最低位，DI7为最高位。为最高位。uCS：片选输入信号。：片选输入信号。uWR1：D/A转转换换器器的的数数据据写写入信号入信号1。 uILE：输输入入寄寄存存器器的的允允许许信信号。号。 uXFER： 从从 输输 入入 寄寄 存存 器器 向向DAC寄寄存存器器传传送送D/A转转换换数数据的控制信号。据的控制信号。uWR2：DAC寄寄存存器器的的选选通通信信号。号。 （1）DAC0832的引脚的引脚 DAC08323. 典型典型D/A转换器芯片转换器芯片DAC0832uVcc：芯芯片片电电源源，其其值值可可在在515V之间。之间。uAGND：模拟信号地。：模拟信号地。uDGND：数字信号地。：数字信号地。uRfb：内内部部反反馈馈电电阻阻引引脚脚，用用来来外外接接D/A转转换换器器输输出出增增益调整电位器。益调整电位器。uVref：D/A转转换换器器的的基基准准电电压压，其其范范围围可可在在1010V之之间选定。间选定。uIOUT1：输输出出电电流流1，当当输输入入数字为全数字为全“1”时，其值最大。时，其值最大。uIOUT2：输输出出电电流流2，与与IOUT1之和为常数。之和为常数。（1）DAC0832的引脚的引脚 （2）DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832有有直通、单缓冲和双缓冲直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。三种工作方式。 直通工作方式直通工作方式 条件：条件：CS、WR1、WR2、XFER均接地，均接地，ILE接高电平。接高电平。 特特点点：八八位位数数字字量量一一旦旦到到达达DI7DI0输输入入端端，就就立立即即进进行行D/A转换而输出。转换而输出。 （2）DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832有有直通、单缓冲和双缓冲直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。三种工作方式。 直通工作方式直通工作方式 单缓冲工作方式单缓冲工作方式 条条件件：两两个个寄寄存存器器中中任任一一个个处处于于直直通通状状态态，另另一一个个工工作作于于受受控控锁锁存存状状态态。一一般般是是使使DAC寄寄存存器器处处于于直直通通状状态态，即把即把WR2和和XFER都接数字地。都接数字地。 特特点点：数数据据只只要要一一写写入入DAC芯芯片片，就就立立即即进进行行数数模模转转换，可减少一条输出指令。换，可减少一条输出指令。 （2）DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832有有直通、单缓冲和双缓冲直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。三种工作方式。 直通工作方式直通工作方式 单缓冲工作方式单缓冲工作方式 双缓冲工作方式双缓冲工作方式 条条件件：CPU要要对对DAC芯芯片片进进行行两两步步写写操操作作；ILE接接高高电电平平，WR1、WR2均均接接CPU的的IOW，CS、XFER接接地地址址译译码信号。码信号。 优点：优点：数据接收和转换启动异步进行数据接收和转换启动异步进行 ，提高转换速率。，提高转换速率。 n电流建立时间：电流建立时间：1s；n分辨率：分辨率：8位；位；n线性误差：线性误差：0.2%FSR；n非线性误差：非线性误差：0.4%FSR；n工作方式：双缓冲、单缓冲、直接输入；工作方式：双缓冲、单缓冲、直接输入；n数字输入：与数字输入：与TTL兼容；兼容；n增益温度系数：增益温度系数：0.002%FSR/；n低功耗：低功耗：20mW；n单电源：单电源：+515V；n参考电压：参考电压：10V10V。 （3）DAC0832的主要技术性能的主要技术性能4. D/A4. D/A转换器与转换器与CPUCPU的接口的接口 D/A转转换换器器与与微微处处理理器器的的连连接接包包括括三三部部分分，即即数数据据线线、控控制制线线和和地址线地址线。 18位位D/A转换器与转换器与CPU的接口的接口 对对于于8位位D/A转转换换器器，简简单单的的连连接接方方法法是是通通过过8位位数数据据锁锁存存器器（例例如，如，8D锁存器锁存器74LS273）与）与8位微处理器的总线相连。位微处理器的总线相连。（1）直通方式）直通方式（2）单缓冲方式）单缓冲方式三角波程序三角波程序STARTSTART： MOV MOV ALAL，0 0DOWNDOWN： OUT OUT 0FEH0FEH， AL AL INC INC ALAL JNZ JNZ DOWN DOWN MOV MOV ALAL，0FEH0FEHUPUP： OUT OUT 0FEH0FEH， AL AL INC INC ALAL JNZ JNZ UP UP JMP JMP DOWN DOWN HLT HLT锯齿波程序锯齿波程序STARTSTART： MOV MOV ALAL，0 0 LP LP： OUT OUT 0FEH0FEH，ALAL INC INC ALAL JMP JMP LPLP HLT HLT方波程序方波程序START: START: MOVMOVAL,AL,33H 33H OUTOUT0FEH,0FEH,AL AL CALL CALL DELAY DELAY MOV MOV AL,AL,0FEH0FEHOUT OUT 0FEH,0FEH,AL AL CALL CALL DELAY DELAY JMP JMP STARTSTARTDELAY: DELAY: HLTHLT 例 DAC0832用用作作波波特特率率发发生生器器。试试根根据据图图接接线线，分分别别写写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。出产生锯齿波、三角波和方波的程序。 4. D/A4. D/A转换器与微处理器的接口转换器与微处理器的接口 A/D转转换换器器把把输输入入模模拟拟电电压压或或电电流流变变成成与与它它成成正正比比数数字字量量的的转转换换电电路路，即即把把被被控控对对象象的的各各种种模模拟拟信信息息变变成成计计算算机机可可以以识识别别的的数数字字信信息息，以以便便计计算算机机或或数数字字系系统统进进行行处处理理、存存储储、控制和显示。控制和显示。7.4.2 7.4.2 模模/ /数（数（A/DA/D）转换器）转换器计计数数器器式式A/D转转换换器器：结结构构简简单单，转转换换速速度度慢慢,很很少少采用；采用；分分类类并行并行A/D转换器：转换器：转换速度最快，结构复杂，造价转换速度最快，结构复杂，造价较高。较高。双积分式双积分式A/D转换器：转换器：抗干扰能力强，转换精度高，抗干扰能力强，转换精度高，速度不够理想，常用于数字式测量仪表中速度不够理想，常用于数字式测量仪表中 ；逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器：转换器：结构不太复杂，转换速度结构不太复杂，转换速度较高；较高； 11.3.1 A/D转换器工作原理转换器工作原理 1. 双积分式的双积分式的A/D转换器转换器 双双积积分分式式也也称称二二重重积积分分式式，其其原原理理框框图图见见下下图图。其其实实质质是是测测量量和和比比较较两两个个积积分分的的时时间间，一一个个是是模模拟拟输输入入电电压压积积分分时时间间，此此时时间间往往往往是是固固定定的的；另另一一个个是是充充电电后后的的电电压压为为初初值值，对对参参考考电电压压Vref反反相相积积分分，积积分分电容被放电至零所需的时间电容被放电至零所需的时间T1（或（或T2等）。等）。1. A/D1. A/D转换器工作原理转换器工作原理 逐逐次次逼逼近近式式（也也称称逐逐位位比比较较式式）A/D转转换换器器转转换换实实质质是是，逐逐次次把把设设定定的的SAR寄寄存存器器中中的的数数字字量量经经D/A转转换换后后得得到到电电压压VC,与与待待转转换换模模拟拟电电压压VX进进行行比比较较。比比较较时时，先先从从SAR的的最最高高位位开开始始，逐逐次次确确定定各各位位的的数数值应是值应是“1”还是还是“0”。其原理如下图所示：。其原理如下图所示：工作过程工作过程1、先将、先将SAR寄存器各位清零。寄存器各位清零。2、设定、设定SAR寄存器的最高寄存器的最高位为位为“1”，其余位为，其余位为“0”，此，此试探值经试探值经D/A转换成电压转换成电压VC，然后将，然后将VC与模拟输入电压与模拟输入电压VX比较。若小则保留，若大比较。若小则保留，若大则该位清零。则该位清零。3、再对、再对SAR寄存器的次高寄存器的次高位置位置“1”，依上述方法进行，依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复转换和比较。如此重复上述过程，直至确定上述过程，直至确定SAR寄寄存器的最低位为止。存器的最低位为止。该图为四位该图为四位A/D转换器的逐次转换器的逐次逼近过程逼近过程 转转换换结结果果能能否否准准确确逼逼近近模模拟拟信信号号，主主要要取取决决于于SAR和和D/A位位数数。位位数数越越多多，越越能能准准确确逼逼近近模模拟拟量量，但但转转换换所所需需的时间也越长。的时间也越长。 逐次逼近式的逐次逼近式的A/D转换器的主要特点是：转换器的主要特点是： （1）转转换换速速度度较较快快，在在1100s以以内内，分分辨辨率率可可以以达达18位，特别适合于工业控制系统。位，特别适合于工业控制系统。 （2）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。 （3）抗干扰能力相对积分型的差。）抗干扰能力相对积分型的差。1. A/D1. A/D转换器工作原理转换器工作原理 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分分辨辨率率反反映映A/D转转换换器器对对输输入入微微小小变变化化相相应应的的能能力力，通通常常用用数数字字量量输输出出最最低低位位（LSB）所所对对应应的的模模拟拟输输入入的的电电平平值值表表示示。例例如如，8位位A/D转转换换器器能能对对输输入入满满量量程程1/28的增量作出反应。的增量作出反应。n位位A/D能反应能反应1/2n满量程的输入电平。满量程的输入电平。2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 精精 度度 有有 绝绝 对对 精精 度度 （ Absolute Accuracy） 和和 相相 对对 精精 度度（Relative Accuracy）两种表示方法。）两种表示方法。 2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 转换时间（转换时间（Conversion Time） 转转换换时时间间是是完完成成一一次次A/D转转换换所所需需的的时时间间，即即由由发发出出启启动动转转换换命命令令信信号号到到转转换换结结束束信信号号开开始始有有效效的的时时间间间间隔隔。转转换换时时间间的的倒倒数数称称为为转换速率。例如转换速率。例如AD570的转换时间为的转换时间为25s，其转换速率为，其转换速率为40KHz。2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 转换时间（转换时间（Conversion Time） 4. 电源灵敏度（电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） 电电源源灵灵敏敏度度是是A/D转转换换芯芯片片的的供供电电电电源源的的电电压压发发生生变变化化时时，产产生生的的转转换换误误差差。一一般般用用与与电电源源电电压压变变化化1时时相相当当的的模模拟拟量量变变化化的的百百分分数来表示。数来表示。 2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 转换时间（转换时间（Conversion Time） 4. 电源灵敏度（电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） 5. 量程量程 量量程程是是指指所所能能转转换换的的模模拟拟输输入入电电压压范范围围，分分单单极极性性、双双极极性性两两种种类型。类型。 例如，单极性：量程为例如，单极性：量程为05V，010V，020V 双极性：量程为双极性：量程为55V，1010V2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 转换时间（转换时间（Conversion Time） 4. 电源灵敏度（电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） 5. 量程量程 6. 输出逻辑电平输出逻辑电平 多多数数A/D转转换换器器的的输输出出逻逻辑辑电电平平与与TTL电电平平兼兼容容。在在考考虑虑数数字字量量输输出出与与微微处处理理器器的的数数据据总总线线接接口口时时，应应注注意意是是否否要要三三态态逻逻辑辑输输出出，是否要对数据进行锁存等问题。是否要对数据进行锁存等问题。2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 转换时间（转换时间（Conversion Time） 4. 电源灵敏度（电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） 5. 量程量程 6. 输出逻辑电平输出逻辑电平 7. 工作温度范围工作温度范围 由由于于温温度度会会对对比比较较器器、运运算算放放大大器器、电电阻阻网网络络等等产产生生影影响响，故故只只在在一一定定的的温温度度范范围围内内才才能能保保证证额额定定精精度度指指标标。一一般般A/D转转换换器器的的工工作温度范围为作温度范围为070，军用品的工作温度范围为，军用品的工作温度范围为55125。2. A/D2. A/D转换器主要技术性能转换器主要技术性能 ADC0809是是逐逐次次逼逼近近型型8位位A/D转转换换芯芯片片。片片内内有有8路路模模拟拟开开关关，可可输输入入八八个个模模拟拟量量。单单极极性性，量量程程为为05伏伏。典典型型的的转转换换速速度度为为100s。片片内内带带有有三三态输出缓冲器，可直接与态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。总线接口。3. 3. 典型典型A/DA/D转换器芯片转换器芯片ADC0809模模拟拟输输入入部部分分 变换器部分变换器部分 三三态态输输出出缓缓冲冲器器 基准电压输入端基准电压输入端3. 3. 典型典型A/DA/D转换器芯片转换器芯片ADC0809 （2）ADC0809的时序的时序 ADC0809靠脉冲启动，为靠脉冲启动，为START是脉冲信号是脉冲信号 当模拟量送至某一通道后，由三位地址信号译码选择：当模拟量送至某一通道后，由三位地址信号译码选择： 地地址址信信号号由由地地址址锁锁存存允允许许ALE（Address Latch Enable）锁锁存存，ALE高电平有效。高电平有效。 输出转换结束信号输出转换结束信号EOC由低电平变为高电平表示转换完成。由低电平变为高电平表示转换完成。 输输出出允允许许信信号号OE（Output Enable）为为高高电电平平时时，打打开开输输出出三三态态缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。 CPU与与ADC接口时必须弄清并处理好三个问题：接口时必须弄清并处理好三个问题： 要给要给START线送一个线送一个100S宽的启动正脉冲；宽的启动正脉冲； 获取获取EOC引脚上的状态信息，它是引脚上的状态信息，它是A/D转换的结束标志；转换的结束标志； 给给“三态输出锁存器三态输出锁存器”分配一个端口地址。分配一个端口地址。3. 3. 典型典型A/DA/D转换器芯片转换器芯片ADC0809A/DA/D转换器芯片转换器芯片与CPU接口8位位A/D转换芯片与转换芯片与CPU接口举例接口举例在在本本例例中中，假假定定以以查查询询方方式式读读取取A/D转转换换后后的的结结果果，则则8255A可可设设定定A口口为为输输入入，B口口为为输输出出，均均为为方方式式0，PC4为为输输入入，其其A/D转转换换的的流流程程图图如如图图11.20所示。所示。 8位位A/D转换芯片与转换芯片与CPU接口举例接口举例ORG1000HSTART:MOV AL,98H ;方式方式0，A口输入；方式口输入；方式0，B口输出口输出MOV DX, 0FFFFH;8255A控制字端口地址控制字端口地址OUT DX,AL ;送送8255A方式字方式字MOV AL, 0BH ;送送IN3输入端和锁存信号输入端和锁存信号MOV DL, 0FDH;8255A的的B口地址口地址OUTDX, AL ;送送IN3通道地址通道地址MOV AL, 1BH;STARTPB4=1OUT DX, AL ;启动启动A/D转换转换8位位A/D转换芯片与转换芯片与CPU接口举例接口举例MOV AL, 0BHOUT DX, AL ;STARTPB4=0MOV DL, 0FEH ;8255A的的C口地址口地址TEST: IN AL, DX ;读读C口状态口状态AND AL, 10H ;检测检测EOC状态状态JZ TEST ;如未转换完再测试；转换完则继续如未转换完再测试；转换完则继续MOV DL, 0FCH ;8255A的的A口地址口地址IN AL, DX ;读转化结果读转化结果INT 3 ;暂停暂停8位位A/D转换芯片与转换芯片与CPU接口举例接口举例