第11章模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

第11章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換第11章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換11.2模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器11.1數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器A/D與D/A轉(zhuǎn)換的用途當(dāng)計算機用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的時候，采集對象往往是連續(xù)變化的物理量（如溫度、壓力、聲波等），但計算機處理的是離散的數(shù)字量，因此需要對連接變化的物理量（模擬量）進(jìn)行采樣、保持，再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量交給計算機處理、保存等。計算機輸出的數(shù)字量有時需要轉(zhuǎn)換為模擬量去控制某些執(zhí)行元件（如聲卡播放音樂等）。

A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量→數(shù)定量的轉(zhuǎn)換，

D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量→模擬量的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換的過程把模擬電壓或模擬電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量一般分兩步進(jìn)行

。對模擬電壓或模擬電流采樣，得到與此電壓或電流相對應(yīng)的離散脈沖序列。用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將離散脈沖變?yōu)殡x散的數(shù)字信號，這樣就完成了模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

11.1.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量的大小是由二進(jìn)制代碼按數(shù)位組合起來表示的。其中Di=0或1(i=0,1…n-1)；20，21，…2n-1分別為對應(yīng)數(shù)位的權(quán)。在D/A轉(zhuǎn)換中，要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須先把每一位代碼按其“權(quán)”的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將各分量相加，其總和就是與數(shù)字量相對應(yīng)的模擬量，這就是D/A轉(zhuǎn)換的基本原理。11.1.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器的核心是“解碼網(wǎng)絡(luò)”，常用的有“權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”和“T型解碼網(wǎng)絡(luò)”。

“T型解碼網(wǎng)絡(luò)”D/A轉(zhuǎn)換器主要由四部分組成：基準(zhǔn)電壓VREF、T型(R-2R)電阻網(wǎng)絡(luò)、位切換開關(guān)Ki(i=0,1…n-1)和運算放大器A。D/A轉(zhuǎn)換器輸入的二進(jìn)制數(shù)從低位到高位(D0～Dn-1)分別控制對應(yīng)的位切換開關(guān)(K0～Kn-1),它們通過R-2R型電阻網(wǎng)絡(luò)，在各2R支路上產(chǎn)生與二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)成比例的電流，再經(jīng)運算放大器A相加，并按比例轉(zhuǎn)換成模擬電壓VOUT輸出。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓VOUT與輸入的二進(jìn)制數(shù)D0～Dn-1的關(guān)系式為：

其中：K是與運算放大器的反饋電阻和支路電阻有關(guān)的參數(shù)。

11.1.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器的工作原理在圖11.1中可以看到，一個支路中，無論開關(guān)倒向左邊還是右邊，都可以認(rèn)為“接地”，只不過倒向左邊時才能給運算放大器提供電流。T型電阻網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點K0右邊是兩個2R的電阻并聯(lián)，它們的等效電阻為R。同理，節(jié)點K1、……、Kn-1、Kn的等效電阻也為R，即在Dn-1點等效于一個數(shù)值為R的電阻連在參考電壓VREF上。這樣就可以算出Dn-1點、Dn-2點、Dn－3……點的電壓分別是VREF/2、VREF/4、VREF/8

……。那么當(dāng)開關(guān)Kn-1倒向左邊時可以得到運算放大器的輸入電流為VREF/2R，同理可以算出Kn-2、Kn-3、Kn-4倒向左邊時運算放大器的輸入電流分別為VREF/4R、VREF/8R。

假定此時開關(guān)Kn-1、Kn-2、……、K1、K0對應(yīng)1位二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)開關(guān)都倒向左邊就相當(dāng)于二進(jìn)制數(shù)11……11，流入運算放大器的電流為：相應(yīng)的輸出電壓為（其中RO是運算放大器的反饋電阻）：11.1.2數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)

集成化的D/A轉(zhuǎn)換芯片按輸入二進(jìn)制的位數(shù)常見的有8、12、16、20位D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器一般是根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)位寬度和速度的D/A轉(zhuǎn)換芯片，在選擇D/A轉(zhuǎn)換器芯片時一般考慮如下指標(biāo)：（1）分辨率：

指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小電壓增量，或1個二進(jìn)制增量所代表的模擬量大小。分辨率的表示式為：分辨率=Vref/2n

若Vref=5V，8位的D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為5/256=20mV。（2）轉(zhuǎn)換時間：

指數(shù)字量輸入到模擬量輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。一般電流型D/A轉(zhuǎn)換器在幾百納秒到幾微秒之內(nèi)；而電壓型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換較慢，取決于運算放大器的響應(yīng)時間。（3）精度：

指D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出與理論值之間的誤差，一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量單位（如1/2LSB）。如D/A分辨率為20mV，則精度為±10mV.（4）線性度：

當(dāng)數(shù)字量變化時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例變化的程度。11.1.3數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器及接口電路D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，按數(shù)字量輸入方式可分為并行D/A轉(zhuǎn)換器和串行D/A轉(zhuǎn)換器兩種；按模擬量輸出方式分，可分為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器和電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器兩種；按D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可分為低分辨率D/A轉(zhuǎn)換器、中分辨率D/A轉(zhuǎn)換器和高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器三種。8位D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832DAC0832是美國數(shù)據(jù)公司生產(chǎn)的8位雙緩沖數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與微處理器直接連接。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：單電源＋5～＋15V；分辨率為8位；轉(zhuǎn)換時間為1μs；功耗為200mW；VREF輸入端電壓±25V。DAC0832結(jié)構(gòu)框圖及引腳說明DAC0832具有雙緩沖功能，即輸入數(shù)據(jù)可分別經(jīng)過兩個寄存器保存。第一個寄存器稱為8位輸入寄存器，數(shù)據(jù)輸入端直接連接到數(shù)據(jù)總線上；第二個寄存器為8位DAC寄存器，連接到8位D/A轉(zhuǎn)換器上。各個引腳說明如下：D0～D7：8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鎖存于輸入寄存器中。ILE、CS、WR1是8位輸入寄存器工作時的三個控制信號。DAC0832結(jié)構(gòu)框圖及引腳說明8位D/A轉(zhuǎn)換器接收被8位DAC寄存器鎖存的數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)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，此信號一般作為運算放大器的差動輸入信號之一。IOUT2：DAC電流輸出2，它是邏輯電平為0的各位輸出電流之和，此信號一般作為運算放大器另一個差動輸入信號。Rfb：反饋電阻引腳，該電阻被制作在芯片內(nèi)，用作運算放大器的反饋電阻。ＶREF：基準(zhǔn)電壓輸入引腳。一般在－10Ｖ～＋10Ｖ范圍內(nèi)，由外電路提供。ＶCC：邏輯電源。一般在＋5Ｖ～＋15Ｖ范圍內(nèi)。最佳為＋15Ｖ。AGND：模擬地。芯片模擬電路接地點。DGND：數(shù)字地。芯片數(shù)字電路接地點。DAC0832結(jié)構(gòu)框圖及引腳說明DAC0832的工作過程DAC0832的工作過程可簡單描述如下：CPU執(zhí)行輸出指令，輸出8位數(shù)據(jù)給DAC0832；在CPU執(zhí)行輸出指令的同時，使ILE、CS、WR1三個控制信號端都有效，8位數(shù)據(jù)鎖存于8位輸入寄存器中；當(dāng)WR2、XFER兩個控制信號端都有效時，8位數(shù)據(jù)再次被鎖存到8位DAC寄存器，這時8位D/A轉(zhuǎn)換器開始工作，8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的模擬電流，從Iout1和Iout2輸出。ＶREF：基準(zhǔn)電壓輸入引腳。一般在－10Ｖ～＋10Ｖ范圍內(nèi)，由外電路提供。DAC0832的工作方式針對DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有如下三種工作方式：單緩沖方式：這種方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情況。其工作方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時接收數(shù)據(jù)，或是其中的一個處于直通狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過一級緩沖送入D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，可以提高DAC的數(shù)據(jù)吞吐量。雙緩沖方式：這種方式適用于多個DAC0832同時輸出的場合。其工作方式是數(shù)據(jù)先傳輸?shù)紻AC0832的輸入寄存器，再控制這些DAC0832同時傳輸數(shù)據(jù)到DAC寄存器以實現(xiàn)多個D/A轉(zhuǎn)換同步輸出，在這種方式下需要執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。直通方式：這種方式適用于連續(xù)反饋控制電路中。其工作方式是兩個寄存器都處于直通狀態(tài)，即ILE、CS、WR1、WR2和XEFR都處于有效電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)直接送入D/A轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832接口電路DAC0832是8位的D/A轉(zhuǎn)換器，可以連接數(shù)據(jù)總線為8位、16位或32位的CPU。當(dāng)連接8位CPU時，DAC0832的數(shù)據(jù)線D0～D7可以直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線D0～D7，當(dāng)連接16位或32位的CPU時，DAC0832的數(shù)據(jù)線D0～D7接到CPU數(shù)據(jù)總線的低8位(D0～D7)。為了提高數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力，D0～D7可經(jīng)過數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器(如74LS244)，再接到DAC0832的數(shù)據(jù)輸入端(D0～D7)。D7~D0IOWA9~A0AEN系統(tǒng)總線DI0~7WR1ILECSDAC0832譯碼器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout

DAC0832單緩沖方式連接+5V200H注：在DAC實際連接中，要注意區(qū)分“模擬地”和“數(shù)字地”的連接，為了避免信號串?dāng)_，數(shù)字量部分只能連接到數(shù)字地，而模所量部分只能連接到模擬地。 采用單緩沖方式連接如圖所示。 利用DAC可實現(xiàn)任意波形（如鋸齒波、三角波、正弦波等）的輸出，如輸出鋸齒波、三角波的程序段如下：

TRG：MOVDX，200H MOVAL，0H TN1：

OUTDX，AL INCAL

JNZTN1 MOVAL，0FFHTN2：OUTDX，AL DECAL JNZTN1…………輸出鋸齒波程序段如下：TRG：MOVDX，200H MOVAL，0HTN：OUTDX，AL INCAL JMPTN …………11.2模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，模擬量可以是電壓、電流等信號，也可以是溫度、壓力、濕度等隨時間連續(xù)變化的非電物理量。這些模擬量可以通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐗毫鞲衅?、溫度傳感器等）轉(zhuǎn)換成電信號。這個過程通常分4步進(jìn)行，即采樣、保持、量化和編碼，其中前兩步在采樣保持電路中實現(xiàn)，后兩步在A/D轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)。11.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉(zhuǎn)換法等，下面介紹這幾類A/D轉(zhuǎn)換器：逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器是一種比較常見的A/D轉(zhuǎn)換器，它是一個具有反饋回路的閉路系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖11.4所示。它的基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為Ｖo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖi進(jìn)行比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的Ｖo再與Ｖi比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進(jìn)行的。

雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖11.5（a）所示。它的基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。雙積分式A/D每進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，都要進(jìn)行一次固定時間的正向積分和一次積分時間與輸入電壓成正比的反向積分，故稱為雙積分。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間較長，一般需要四五十毫秒。電壓頻率轉(zhuǎn)換法A/D轉(zhuǎn)換器采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，如圖11.6所示。它的工作原理是Ｖ/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。11.2.2模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)分辨率：分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。

如8位ADC滿量程為5V,則分辨率為5000mV/256=20mV，也就是說當(dāng)模擬電壓小于20mV，ADC就不能轉(zhuǎn)換了，所以分辨率一般表示式為：分辨率=Vref/2位數(shù)（單極性）或分辨率=（V+ref-V-ref)/2位數(shù)（雙極性）轉(zhuǎn)換時間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，稱為A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時間。

量程：量程是指所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。精度：精度是指與數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。

溫度系數(shù)和增益系數(shù)：這兩項指標(biāo)都是表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。

11.2.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809:ADC0809是National公司生產(chǎn)的CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它具有8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出，可在程序控制下對任一路模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)如下：分辨率8位；電源電壓6.5V；轉(zhuǎn)換時間為100μs；模擬輸入電壓范圍為0V～+5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)；功耗約15mW；未經(jīng)調(diào)整誤差為1/2LSB或1LSB。ADC0809結(jié)構(gòu)框圖及引腳說明ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖和引腳如圖11.7所示，主要包括以下幾個部分：通道選擇開關(guān)：可采集8路模擬信號，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，實現(xiàn)分時采集8路模擬信號。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬信號輸入端。通道地址鎖存和譯碼：用來控制通道選擇開關(guān)。通過對ADDA、ADDB、ADDC三個地址選擇端的譯碼，控制通道選擇開關(guān)，接通某一路的模擬信號，采集并保持該路模擬信號，輸入到DAC0809比較器的輸入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入端，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號。輸入，高電平有效。用來控制通道選擇開關(guān)的打開與閉合。ALE＝1時，接通某一路的模擬信號，ALE＝0時，鎖存該路的模擬信號。逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器：逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器包括比較器、8位樹型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640kHz。REF(＋)、REF(-)：基準(zhǔn)電壓。-VREF為0V或-5V，＋VREF為＋5V或0V。8位鎖存器和三態(tài)門：經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量保存在8位鎖存寄存器中，當(dāng)輸出允許信號OE有效時，打開三態(tài)門，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳送到CPU。由于ADC0809具有三態(tài)門輸出功能，因而ADC0809數(shù)據(jù)線可直接掛在CPU數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出端。ADC0809的工作過程ADC0809的工作過程可簡單描述如下：確定ADDA、ADDB、ADDC三位地址，決定選擇哪一路模擬信號；2．使ALE接受一正脈沖信號，使該路模擬信號經(jīng)選擇開關(guān)到達(dá)比較器的輸入端；3．使START接受一正脈沖信號，START的上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換；4．EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；5．A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時，數(shù)據(jù)已保存到8位三態(tài)輸出鎖存器中。此時CPU就可以通過使OE信號為高電平，打開ADC0809三態(tài)輸出，由ADC0809輸出的數(shù)字量傳送到CPU。通常CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)的方法有三種：查詢法：CPU在啟動A/D轉(zhuǎn)換之后，不斷地查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的狀態(tài)，即執(zhí)行輸入指令，讀EOC并判斷其狀態(tài)，如果EOC為“0”，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；反之EOC為“1”，表示A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU立即執(zhí)行輸入指令，產(chǎn)生輸出允許信號OE，讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(D0～D7)。適合于轉(zhuǎn)換時間比較短的A/D轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點:接口電路設(shè)計簡單。缺點：A/D轉(zhuǎn)換期間獨占CPU，致使CPU運行效率降低2．定時法：如果已知A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為T0，那么在CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換之后，只需延時等待該段時間，就可以讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，延時等待的時間不能小于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。適合于轉(zhuǎn)換時間比較短的A/D轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點:接口電路設(shè)計比查詢法簡單，不必讀取EOC的狀態(tài)。缺點：A/D轉(zhuǎn)換期間獨占CPU，致使CPU運行效率降低；另外還必須知道A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。3．中斷法：CPU在啟動A/D轉(zhuǎn)換之后，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行別的程序，一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC就變?yōu)楦唠娖?，EOC信號可作為中斷申請信號，通知CPU轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序所要作的事情是：使OE信號變?yōu)楦唠娖?，打開ADC0809三態(tài)輸出，由ADC0809輸出的數(shù)字量傳送到