第10章 數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第10章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換本章重點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換的原理，D/A轉(zhuǎn)換的分辨率和精度的含義計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換和逐次逼近式A/D的原理利用軟件實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法10.1概述模/數(shù)和數(shù)/模用途：控制和測(cè)量?jī)x表

10.2數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器數(shù)/模轉(zhuǎn)換的原理數(shù)字量－>模擬量

把數(shù)字量的每一位的代碼按照權(quán)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量，再把各模擬量相加，這樣得到總的模擬量對(duì)應(yīng)要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

例如：二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：（1011）2＝（11）10D/A轉(zhuǎn)換也利用這個(gè)原理。轉(zhuǎn)換過程通過T型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬電流的轉(zhuǎn)換，再通過運(yùn)算放大器完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。10.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換的原理運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理T型電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器分辨率和精度T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)

1.運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理特點(diǎn)：開環(huán)放大倍數(shù)非常高，幾千甚至十萬，所以正常情況下輸入電壓都很小。輸入阻抗非常大，輸入電流幾乎為0。輸出阻抗很小，驅(qū)動(dòng)能力很大。1.運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入端：同相端（+）、反相端（-）和一個(gè)輸出端如圖a.同相端接地，輸入電壓Vi非常小，電位接近0，同時(shí)，由于輸入阻抗很大，輸入電流也幾乎為0，一般把這種電壓近似位0，輸入電流也近似為0的情況稱為虛地。1.運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理2.由T型電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換的含義若用4位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換0～150mv的模擬信號(hào)，即:Vomax=150mv將0~150mv按2n-1均分，再重新組合。數(shù)字量－模擬量0000－0mv0001－10mv0010－20mv0011－30mv……－……1111－150mv3.T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器

在D/A轉(zhuǎn)換中，如果采用獨(dú)立的權(quán)電阻，那么對(duì)于一個(gè)8位的D/A轉(zhuǎn)換器，需要R、2R、4R、8R……128R不同型號(hào)的電阻，工藝上很難保證這么準(zhǔn)確的電阻，影響轉(zhuǎn)換的絕對(duì)精度。實(shí)際中，使用T型電阻網(wǎng)絡(luò)如圖：3.T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)無論K打向哪邊，都是接地，所以C點(diǎn)電壓不變，但是輸入電流發(fā)生變化類似二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)1.分辨率

分辨率反應(yīng)D/Ａ轉(zhuǎn)換的靈敏度，是指D/A轉(zhuǎn)換器能辨別的最小電壓增量，通常用最低有效位對(duì)于的模擬量表示，如滿量程為VFS,則n位D/A的分辨率

例如：8位DA滿量程10V，那么10V/(28-1)=39.2mv,則分辨率39.2mv10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換精度(絕對(duì)和相對(duì))：

（1）絕對(duì)轉(zhuǎn)換精度：每個(gè)輸出電壓接近理想值的程度，主要與標(biāo)準(zhǔn)電源精度、權(quán)電阻的精度有關(guān)。（2）相對(duì)轉(zhuǎn)換精度：

絕對(duì)精度相對(duì)于滿量程輸出的百分比，又用最低位(LSB)的幾分之幾表示，如一個(gè)D/A的相對(duì)轉(zhuǎn)換精度是(LSB)/2，那就意味著可能出現(xiàn)的最大誤差是10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)3.轉(zhuǎn)換速率:大信號(hào)工作時(shí)，模擬輸出電壓最大變化速度。4.建立時(shí)間:大信號(hào)工作時(shí)，D/A輸出模擬電壓某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍（終值±(LSB)/2）所要的時(shí)間。5.線性誤差：在D/A轉(zhuǎn)換過程中，兩個(gè)相鄰的數(shù)之間的差是1，如果數(shù)字量連續(xù)變化，在輸出模擬電壓就線性變化，但實(shí)際輸出不是理想的線性，所以把偏離理想的最大值成為線性誤差。10.2.3DAC0832的工作方式和應(yīng)用1.DAC0832的功能結(jié)構(gòu)

DAC0832的功能示意圖D7~D0IOWA9~A0AEN系統(tǒng)總線DI0~7WR1ILECSDAC0832譯碼器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout圖10-3DAC0832一級(jí)鎖存方式連接+5V200H這四個(gè)信號(hào)共同決定著DAC0832的工作方式。此時(shí)表示一級(jí)鎖存；當(dāng)四個(gè)信號(hào)線都接地表示無鎖存；當(dāng)四個(gè)線號(hào)線都不接地表示二級(jí)鎖存計(jì)科（高職）08-1張明霞制作DAC0832有三種工作方式：（1）兩級(jí)鎖存方式（2）一級(jí)鎖存方式（3）無鎖存方式注：在DAC實(shí)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(hào)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10-3所示。利用DAC可實(shí)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，200HMOVAL，0HTN1：OUTDX，ALINCAL計(jì)科（高職）08-1張明霞制作

JNZTN1MOVAL，0FFHTN2：OUTDX，ALDECALJNZTN1

…………輸出鋸齒波程序段如下：TRG：MOVDX，200HMOVAL，0HTN：OUTDX，ALINCALJMPTN

…………計(jì)科（高職）08-1張明霞制作3.DAC0832的信號(hào)下圖是DAC0832的引腳圖DAC0832信號(hào)定義：CS# 片選信號(hào)ILE允許鎖存信號(hào)WR1# 寫信號(hào)1WR2# 寫信號(hào)2XFER# 傳送控制信號(hào)

DI7～DI08位的數(shù)據(jù)輸入端IOUT1

模擬電流輸出端IOUT2

模擬電流輸出(差分方式)RFB 反饋電阻引出VREF 參考電壓VCC

電源AGND 模擬地DGND 數(shù)字地DAC0832的外部連接

4.DAC0832的外部接線圖編程實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換例1：實(shí)現(xiàn)一次D/A轉(zhuǎn)換。 MOV BX，1000H ；假設(shè)數(shù)據(jù)放在1000H中 MOV AL，〔BX〕 ；數(shù)據(jù)送AL中 MOV DX，PORTA ；PORTA為D/A端口號(hào) OUT DX,AL

鋸齒電壓例2：產(chǎn)生一個(gè)鋸齒電壓。 MOV DX，PORTA ；PORTA為D/A端口號(hào) MOV AL，0FFH ；初值為0FFHROTATE： INC AL OUT DX，AL ；往D/A輸出數(shù)據(jù) JMP ROTATE鋸齒電壓例3：鋸齒周期用延時(shí)調(diào)整。 MOVDX，PORTA ；PORTA為D/A端口號(hào) MOVAL，0FFH ；初值為0FFHROTATE： INCAL OUTDX，AL ；往D/A輸出數(shù)據(jù) MOVCX,DATA;延時(shí)常數(shù)CALLDELAYJMPROTATEDELAY:LOOPDELAY;延時(shí)子程序RET10.3模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換涉及的參數(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接時(shí)要考慮的問題10.3.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換涉及的參數(shù)1.分辨率：能夠分辯最小的量化信號(hào)能力，常用位數(shù)表示，如N為A/D的分辨率2N位2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反應(yīng)了A/D轉(zhuǎn)換的輸出接近理想輸出的精確程度，通常用數(shù)字量的最低有效位表示，如果數(shù)字量的最低有效位對(duì)應(yīng)模擬量的△,那么稱△為最低有效位當(dāng)量。誤差范圍轉(zhuǎn)換精度±△/2±0LSB±△3/4±1/4LSB3.轉(zhuǎn)換率:完成一次A/D轉(zhuǎn)換所用時(shí)間的倒數(shù)。例如:t=200ns,則轉(zhuǎn)換率=5MHz例如：4位A/D來轉(zhuǎn)換150mv,那么，LSB＝10mv，理論上10mv對(duì)應(yīng)數(shù)子量0001,實(shí)際上5～15mv都可以看成0001,誤差5mv

f(t)

fs(t)

s(t)

t

s(t)

t

tA/D轉(zhuǎn)換器工作原理1）采樣A/D轉(zhuǎn)換器工作原理采用保持電路兩種狀態(tài)：采樣狀態(tài)保持狀態(tài)下圖為采樣保持電路的原理圖開關(guān)閉合：采樣。輸出隨輸入的變化而變化開關(guān)打開：保持。電容是充電的最終電壓值，輸出保持不變。A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

量化裝置X(t)y(t)X(t)y(t)

0

a

2a

3a

4a

5a

a

2a

3a

4a

5a2）量化——以一定的量化單位，把數(shù)值上連續(xù)的模擬量通過量化裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值上離散的階越量的過程。10.3.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理A/D轉(zhuǎn)換方法：計(jì)數(shù)式雙積分式逐次逼近式用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換1.計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換2.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換(a)電路工作原理 (b)雙積分原理

3.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換第1次用10000000試探如果小于，第2次用11000000試探如果大于，第2次用01000000試探4.用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換4.用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換逐次逼近過程的例子4.用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換程序如下：START： XOR AX，AX ；累加器清零 MOV BL，80H ；初值為80H（10000000） MOV CX，08H ；計(jì)數(shù)初值為8AGAIN： ADD AL，BL ；計(jì)算試探值

MOV BH，AL ；保留試探值OUT PORTA，AL ；PORTA是鎖存器地址IN AL，PORTS ；PORTS是輸入端口的地址AND AL，01；取狀態(tài)位D0是標(biāo)志

4.用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換JZ END1 ；如狀態(tài)位為0，則說明試探值太小，存此位

MOV AL，BLNOT AL ；求反 AND AL，BH ；使試探位為0 MOV BH，AL ；保存試探值END1： ROR BL，1 ；右移，得下一個(gè)試探值(01000000) MOV AL，BH；上次試探值備份 LOOP AGAIN ；繼續(xù)進(jìn)行試探和測(cè)試

… ；后續(xù)程序段10.3.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接時(shí)要考慮的問題1.模擬電壓輸入2.數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng)總線的連接3.啟動(dòng)信號(hào)的供給4.轉(zhuǎn)換結(jié)束數(shù)據(jù)的讀取5.模擬電路和數(shù)字電路的接地10.3.4

ADC0809

1.ADC0809功能結(jié)構(gòu)10.3.4

ADC0809

2.ADC0809和系統(tǒng)的連接10.3.5

AD5701.查詢方式讀取A/D結(jié)果10.3.5

AD5701.查詢方式讀取A/D結(jié)果MOVAL，92H；端口A

B為輸入方式；端口C為輸出方式OUTPORTCT，AL；PORTCT為控制口MOVAL，01OUTPORTC，AL；使PC0為1，PORTC為C端口MOVAL，00OUTPORTC，AL ；使PC0為0，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換IN AL，PORTB；讀取端口B中的狀態(tài)RCRAL，01 ；如PB0為1，則再查詢JC WMO