1、第八章 D/A和A/D轉換基本內容：D/A轉換和A/D轉換的基礎知識，D/A轉換芯片0832和A/D轉換芯片0809的應用?；疽螅毫私釪/A轉換的基礎知識；掌握0832和0809的結構及使用重點內容：D/A轉換和A/D轉換的工作原理難點內容：0832和0809的工作方式。在自動化領域中，常常通過微型計算機對客觀事物的變化信息進行采集、處理、分析和實時控制?？陀^事物變化的信息有溫度、速度、壓力、流量、電流、電壓等一些連續(xù)變化的物理量。而計算機只能處理離散的數字量，那么這些模擬信號如何變化才能被計算機接收并可進行處理的數字量呢？計算機輸出的是數字量，但大多數被控設備不能直接接收數字信號，所以還

2、需將計算機輸出的數字信號轉化成為模擬信號，去控制或驅動被控設備，那么這些數字信號又是如何變化成模擬信號的呢？對一個控制系統(tǒng)要從以下三方面考慮問題。圖1 一個包含A/D和D/A轉換環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)1. 傳感器溫度、速度、流量、壓力等非電信號，稱為物理量。要把這些物理量轉換成電量，才能進行模擬量對數字量的轉換，這種把物理量轉換成電量的器件稱為傳感器。目前有溫度、壓力、位移、速度、流量等多種傳感器。2. A/D轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)把連續(xù)變化的電信號轉換為數字信號的器件稱為模數轉換器，即A/D轉換器。3. D/A轉換器(Digital to Anal

3、og Converter, DAC)把經過計算機分析處理的數字信號轉換成模擬信號，去控制執(zhí)行機構的器件，稱為數模轉換器，即D/A轉換器?？梢?，D/A轉換是A/D轉換的逆過程。這兩個互逆的轉換過程以及傳感器構成一個閉合控制系統(tǒng)，如圖1所示。第一節(jié) 數模轉換一、D/A轉換器的工作原理D/A轉換器是指將數字量轉換成模擬量的電路。數字量輸入的位數有8位、12位和16位等，輸出的模擬量有電流和電壓兩種。D/A轉換器工作原理D/A轉換器用于將數字量轉換成模擬量。它的輸入量是數字量D，輸出量為模擬量V0，要求輸出量與輸入量成正比，即V0=DVR,其中VR為基準電壓。數字量是由一位一位的數字構成，每個數位都代

4、表一定的權。例如10000001，最高位的權是27，所以此位上的代碼1表示數值1128。因此，數字量D可以用每位的權乘以其代碼值，然后各位相加。具體公式如下：D=dn-12n-1+dn-22n-2+:+d020其中dn-1,dn-2,:,d0為各位的代碼值；2n-1,2n-2,:,20為各位的權。由以上兩個式子可推導出V0= dn-12n-1VR+ dn-22n-2VR+:+d121VR+ d020VR將輸入的每一位轉換為與其權對應的模擬量，各位對應的模擬量相加得到D/A轉換器的輸出。模擬量輸出與數字量輸入成正比。1、運算放大器的工作特點和原理（稍提一下即可）特點 ：1、開環(huán)放大倍數非常高 2

5、、輸入阻抗非常大 3、輸出阻抗很小 運算放大器的原理： (a) 運算放大器的輸入和輸出(b) 帶反饋電阻的運算放大器(c) 輸入端有4個支路的運算放大器由此可求得帶有反饋電阻的運算放大器的放大倍數為 2、由T型電阻網絡和運算放大器構成的D/A轉換器 (a)最簡單的D/A轉換器 (b) 階梯波電壓3、T型權電阻網絡 采用T型電阻網絡的D/A轉換器二、 D/A轉換器的輸出電流輸出和電壓輸出D/A轉換的結果若是與輸入二進制碼成比例的電流，稱為電流DAC；若是與輸入二進制碼成比例的電壓，稱為電壓DAC。常用的D/A轉換芯片大多屬于電流DAC，然而在實際應用中，多數情況需要電壓輸出，這就需要把電流輸出轉

6、換為電壓輸出，采取的措施是用電流DAC電路外加運算放大器。三、D/A轉換器的性能參數(1) 分辨率階梯波的每一級增量對應輸入數據的最低數位1，在D/A轉換時，將最低位增1所引起的增量和最大輸入量的比稱為分辨率，即分辨率1/(2n-1)其中，n為二進制數位的數目。分辨率也常用百分比表示，所以，4位的D/A轉換器的分辨率也等于1/156.67。顯然，位數越多，分辨率越好。（2）轉換精度轉換精度表明了模擬輸出實際值與理想值之間的偏差。精度可分為絕對精度和相對精度。絕對精度是指在輸入端加入給定數字量時，在輸出端實測的模擬量與理論值之間的偏差。相對精度是指當滿量程值校準后，輸入的任何數字量所對應的模擬輸

7、出值與理論值的誤差。D/A轉換器的轉換精度與D/A轉換器的本身芯片的結構和與外接電路的配置有關。外接運算放大器，外接參考電源，都可影響D/A轉換器的精度。通常，相對轉換精度比絕對轉換精度更有實用性。除了分辨率和轉換精度外，D/A轉換時涉及的參數還有轉換速率、建立時間、線性誤差等。四、典型D/A轉換器DAC 0832DAC0832是8位數/模轉換芯片，數據的輸入方式有雙緩沖、單緩沖和直接輸入，適用于要求幾個模擬量同時輸出的情況。1.不帶數據輸入寄存器的D/A芯片的使用 超過8位的D/A轉換器的連接：2. 帶有數據輸入寄存器的D/A芯片的使用 特點：將D/A芯片可直接和數據總線相連。DAC0832

8、的結構框圖和引腳如圖2所示。（書上235頁圖7.8和7.9）圖2 DAC0832的結構框圖和引腳DAC0832具有雙緩沖功能，即輸入數據可分別經過兩個寄存器保存。第一個寄存器稱為8位輸入寄存器，數據輸入端可直接連接到數據總線上，第二個寄存器為8位DAC寄存器。引腳說明如下。D0D7： 8位數據輸入端。ILE： 輸入鎖存允許信號，高電平有效。此信號用來控制8位輸入寄存器的數據是否能被鎖存的控制信號之一。CS：片選信號，低電平有效。此信號與ILE信號一起用于控制WR1信號能否起作用。WR1：寫信號1，低電平有效。在ILE和CS有效的情況下，此信號用于控制將輸入數據鎖存于輸入寄存器中。ILE、CS、

9、WR1是8位輸入寄存器工作時的三個控制信號。WR2：寫信號2，低電平有效。在XFER有效的情況下，此信號用于控制將輸入寄存器中的數字傳送到8位DAC寄存器中。XFER：傳送控制信號，低電平有效。此信號和WR2控制信號是決定8位DAC寄存器是否工作的控制信號。8位D/A轉換器接收被8位DAC寄存器鎖存的數據，并把該數據轉換成相對應的模擬量，輸出信號端如下：IOUT1：DAC電流輸出1，它是邏輯電平為1的各位輸出電流之和。IOUT2：DAC電流輸出2，它是邏輯電平為0的各位輸出電流之和。為保證轉換電壓的范圍、保證電流輸出信號轉換成電壓輸出信號、保證DAC0832的正常工作，應具有以下幾個引線端：R

10、fb：反饋電阻引腳，該電阻被制作在芯片內，用作運算放大器的反饋電阻。VREF：基準電壓輸入引腳。一般在10V10V范圍內，由外電路提供。VCC：邏輯電源。一般在5V15V范圍內。最佳為15V。AGND：模擬地。芯片模擬電路接地點。DGND：數字地。芯片數字電路接地點。DAC0832的工作過程是：(1) CPU執(zhí)行輸出指令，輸出8位數據給DAC0832；(2) 在CPU執(zhí)行輸出指令的同時，使ILE、WR1、CS三個控制信號端都有效，8位數據鎖存在8位輸入寄存器中；(3) 當WR2、XFER二個控制信號端都有效時，8位數據再次被鎖存到8位DAC寄存器，這時8位D/A轉換器開始工作，8位數據轉換為相

11、對應的模擬電流，從IOUT1和IOUT2輸出。針對使用兩個寄存器的方法，形成了DAC0832的三種工作方式，分別為雙緩沖方式、單緩沖方式和直通方式。(1) 雙緩沖方式：數據通過二個寄存器鎖存后送入D/A轉換電路，執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉換。這種方式特別適用于要求同時輸出多個模擬量的場合。(2) 單緩沖方式：兩個寄存器中的一個處于直通狀態(tài)，輸入數據只經過一級緩沖送入D/A轉換器電路。在這種方式下，只需執(zhí)行一次寫操作，即可完成D/A轉換，可以提高DAC的數據吞吐量。(3) 直通方式：兩個寄存器都處于直通狀態(tài)，即ILE、CS、WR1、WR2和XFER都處于有效電平狀態(tài)，數據直接送入D/A轉

12、換器電路進行D/A轉換。這種方式可用于一些不采用微機的控制系統(tǒng)中。五、DAC0832的外部連接 地線的連接方法單緩沖工作方式：只有一路D/A轉換；例：設，要求，n=8a計算：由公式b編程：MOVAL，80H；立即數OUT80H，AL；80H：地址，送入R1鎖存OUT81H，AL；傳送，與AL中數無關硬件接口圖如下：圖8-4多路轉換，但不要求同步輸出。其方法類似一路D/A轉換，每一路按一路D/A轉換的形式，按要求依次編程輸出即可。其硬件連接和編程與一路D/A轉換類似。雙緩沖工作方式：兩路同步輸出：（見圖814）編程：MOVAL，DATA1 ；第一片0832的數據1OUTPort1，AL ；Por

13、t1：地址，送入第一片0832的R1鎖存MOVAL，DATA2 ；第二片0832的數據2OUTPort2，AL ；Port2：地址，送入第二片0832的R1鎖存OUTPort3，AL ；不實際輸出數據，只是同開兩片第二級緩沖的控制端圖8-14六、DAC0832的接口設計及編程例1、實現一次D/A轉換。MOV BX，1000H ；假設數據放在1000H中MOV AL，BX ；數據送AL中MOV DX，PORTA ；PORTA為D/A端口號OUT DX, AL 例2、產生一個鋸齒電壓。MOV DX，PORTA ；PORTA為D/A端口號 MOV AL，0FFH ；初值為0FFHROTATE：INC

14、 ALOUT DX，AL ；往D/A輸出數據 JMP ROTATE 例3、用0832產生三角波要求三角波電壓范圍從1V到3V變化，0832口地址為98F0H。解：方法：算出最低和最高電壓對應數字量Dl和Dm，然后從低電壓數字量開始送D/A，以后數字量加1最高值，再回到最低值，循環(huán)進行即可。由：可知： Dl=(Vl/Vref)*256=(1/5)*256=51=33HDm=(3/5)*256=153=99HMinD EQU 33HMaxD EQU 99HMOVDX， 98F0H；0832端口地址LP1: MOVAL，MinD-1 ；取最小值-1LP2: INCAL；數字量增1OUTDX, AL；

15、送0832輸出 CALL DELAY；調延時程序TESTAL，MaxD ；測試是否到最大值JNZ LP2 ；未達最大繼續(xù)加1輸出JMPLP1 ；到最大回到最小輸出第二節(jié) 模數轉換一、模/數轉換的方法和原理由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉換過程為：采樣、保持、量化和編碼。 （舉例補充說明）方法：計數法、雙積分法、逐次逼近法 1. 計數式A/D轉換 特點：簡單、便宜，但是速度比較慢。（原理性）2. 雙積分式A/D轉換 (a)電路工作原理 (b) 雙積分原理 特點：轉換精度高，抗干擾能力強（特別是抗工頻干擾能力強，是其它A/D轉換器所不及的），適合于速度不很高的場合。3. 逐次

16、逼近式A/D轉換 特點：轉換速度快、精度高。常用4. 用軟件和D/A轉換器來實現A/D轉換 程序如下：START：XORAX，AX；累加器清零MOVBL，80H；初值為80HMOVCX，08H；計數初值為8AGAIN：ADDAL，BL；計算試探值 MOVBH，AL；保留試探值 OUTPORTA，AL；PORTA是鎖存器地址INAL，PORTS；PORTS是輸入端口的地址ANDAL，01 ；取狀態(tài)位JZEND1 ；如狀態(tài)位為0，則保存此位 MOVAL，BLNOTAL ；求反ANDAL，BH；使試探位為0MOVBH，AL；保存試探值END1： RORBL，1；右移，得下一個試探值MOVAL，BHL

17、OOPAGAIN；繼續(xù)進行試探和測試 ；后續(xù)程序段 另：還有一種AD轉換方法，即并行高速AD轉換特點：速度高。內部結構復雜，成本較高，一般用于速度要求很高的場合。二、A/D轉換器主要指標1轉換精度轉換精度反映了A/D轉換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度。A/D轉換器的精度通常采用數字量的最低有效位LSB來表示。2分辨率分辨率表示了A/D轉換器能夠分辨最小量化信號的能力，與數據位數有關，位數越多，分辨率越高。對于n位二進制的A/D轉換器來說，其能分辨最小量化的信號的能力為2n位，因此，其分辨率為2n。3其他如三、A/D轉換器的模數關系其中：D為數字量，Vin為輸入模擬電壓，Vref為參考電壓四

18、、典型A/D轉換器DAC0809ADC0809芯片是CMOS型單片雙列直插式模數轉換器件，采用逐次逼近式轉換方式，可對8路模擬電壓分時進行轉換。1、ADC0808/0809引腳及使用說明ADC0808/0809是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉換芯片。分辨率10位，轉換時間100S，輸入模擬電壓范圍0至6.5V，片內含8通道多路開關，鎖存邏輯控制調制器，具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，能與微機兼容，輸出電平與TTL、CMOS兼容。單電源+5V6.5V工作。引腳排列見圖8.20所示，各引腳功能為：1）IN0 IN7（第15 腳，第2628腳）：8路模擬量輸入腳，可以從8個腳輸入OV至+5V待轉換

19、模擬電。2）CLOCK（第10腳）：時鐘CP輸入端，ADC0808/0809只有在CP信號同步下, 才能進行A/D轉換。時鐘頻率的上限是640KHZ。3）ALE（第22腳）：地址鎖存允許端。ALE=1時，地址鎖存和譯碼部分把上面所述的CBA的值輸入和譯碼并接通IN0 IN7之一。當 ALE=0時，把CBA的值鎖存起來。4）START（第6腳）：啟動脈沖輸入端，啟動脈沖的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下跳沿啟動ADC開始轉換。5）VDD(第11腳)：電源輸入端：+5V +6.5V。6）GND（第13腳）：地7）VREF+（第12腳）VREF-（第16腳）：分別為基準電壓的高電平和低電平端。8）

20、EOC（第7腳）：轉換結束信號端。EOC=0，表示轉換正在進行，輸出數據不可信。EOC=1表示轉換已完成，輸出數據可信。9）BOB7（第8、14、15、1721腳）：轉換所得八位輸出數據，B7是最高位，BO是最低位。10）OE（第9腳）：允許輸出端。OE端控制輸出鎖存器的三態(tài)門。當OE=1時，轉換所得的數據送到B0B7端，當OE=0時，B0B7腳對外呈高阻狀態(tài)。11）ADDA、ADDB、ADDC（第2523腳）：通道地址輸入端。例如當CBA=001時，模擬量IN1輸至ADC0808/0809，CBA=010時,IN2輸入ADC0809依次類推。ADC0808/0809的功能框圖ALEC B A

21、接通信號10 0 0IN010 0 1IN110 1 0IN210 1 1IN311 0 0IN411 0 1IN511 1 0IN611 1 1IN70X X X均不通ADC0808/0809真值表：ADC0809的內部結構 1、片內集成有具有鎖存功能的8路模擬開關，可對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進行轉換。2、片內具有多路開關的地址譯碼和鎖存電路、比較器256R電阻T型網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器SAR、控制與時序電路等。3、輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到微處理器的數據總線上。ADC0809的性能指標1）分辨率為8位。2）最大不可調誤差上1LSB。3）單電源5V。4）可

22、鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容。5）當用5V電源供電時，模擬輸入電壓范圍為05V。6）溫度范圍4085。7）功耗為15mw。8）轉換速度取決于芯片的時鐘頻率，其時鐘頻率范圍為10kHz1280KHZ，若CLK500kHZ，轉換速度為128s。工作時序ADC0809的工作過程根據時序圖，ADC0809的工作過程如下：把通道地址送到ADDAADDC上，選擇一個模擬輸入端； 在通道地址信號有效期間，ALE上的上升沿使該地址鎖存到內部地址鎖存器；START引腳上的下降沿啟動A/D變換； 變換開始后，EOC引腳呈現低電平， EOC重新變?yōu)楦唠娖綍r表示轉換結束；OE信號打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結果 。轉換結束EOC1、軟件延時等待(比如延時1ms)不用EOC信號CPU效率最低，只能按最大轉換時間延時簡單，容易實現2、軟件查詢EOC狀態(tài)EOC通過一個三態(tài)門連到數據總線的D0(或D1、D2等)三態(tài)門要占用一個