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第七章数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路教学目的：1．掌握权电阻D/A转换器和逐次逼近型A/D转换器的工作原理、特点，输入与输出之间的关系2．了解影响精度及速度的因素3．了解D/A转换器典型芯DAC0832的特点及应用。
4. 了解A/D转换器典型芯ADC0809的特点及应用教学重点：倒T型电阻网络D/A转换器的工作原理； A/D转换的一般步骤；逐次逼近型A/D转换器的工作原理。
教学难点：D/A转换器的工作原理；A/D转换器内部电路结构、工作原理教学方法：教学过程采用理论讲解方式。
学时分配：4学时教学内容：D/A转换器及A/D转换器的种类很多，本章介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T 型电阻网络D/A转换器等几种类型；逐次逼近型A/D转换器，双积分型A/D转换器。
并介绍了D/A转换器和A/D转换器的技术指标及应用。
第一节数/模转换器DAC一、数/模转换器的基本概念把数字信号转换为模拟信号称为数－模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换，实现D/A转换的电路称为D/A转换器，或写为DAC（Digital –Analog Converter）。
随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。
但是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。
数－模转换是数字电子技术中非常重要的组成部分。
把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；。
实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或写为ADC（Analog–Digital Converter）；。
D/A 及A/D转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。
D/A转换器及A/D转换器的种类很多，这里主要介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T型电阻网络D/A转换器。
模数转换（A/D）与数模转换（D/A）
单片机是一个典型的数字系统，数字系统只能呢个对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字的。
但工业或者生活中的很多量都是模拟量，这些模拟量可以通过传感器变成与之对应的电压、电流等模拟量。
为了实现数字系统对这些电模拟量的测量，运算和控制，就需要一个模拟量和数字量之间的相互转化的过程。
一个包含A/D和D/A转换器的典型的计算机自动控制系统
一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统下图所示。
典型的计算机自动控制系统
在上图中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤。
第12章数/模（D/A）和模/数（A/D）转换主要内容：（1）：D/A是将数字量转换成模拟量。
（2）: A/D是将模拟量转换成数字量。
12.1概述本章主要讨论数/模和模/数转换器的原理及应用。
图12-1 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器在生产过程中的应用12.2数/模转换器（D/A转换器）12.2.1Ｄ／Ａ转换器的构成1.R-2RT型网络D/A转换器的基本原理它由模拟电子开关、T型电阻网络、基准电源和运算放大器等几部分组成。
12-2 4位梯形电阻网络D/AA点的总电流可表示为32103210 0123 22223210(2222)321032U U U UR R R RD D D DR R R RUR D D D DRI I I I I∑=+++=+++=+++求和运算放大器的作用是将求和后的电流Ｉ转换成模拟电压输出，其输出电压为fRfffRDDDDRURIRIUo)2222(201122333+++-=-=-=∑(12-2) 电阻网络D/C可以做到n位，且R f =R/2，此时对应的输出电压为)2222(20112211DDDDUUonnnnnR++++-=---- (12-3)输出的模拟电压正比于输入的数字信号，这样就实现了数字信号到模拟信号的转换。
（12-1）2．倒Ｔ型电阻网络D/A转换器分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R，则从参考电压端输入的电流为RVI REFREF=图12-3倒T型电阻网络D/A转换器从图12-3所示电路U REF向左看，其等效电路如图12-4所示，等效电阻为R，因此总电流I=U REF/R。
图12-4 倒T 型电阻网络所有Si 都接0位的简化等效电路各支路电流自左向右依次为：R V I I RV I I R V I I RV I I REFREF REFREF REFREF REFREF 161618814412210123========则电路中电流i 的大小取决于电路中开关（数字信号）的状态，其合成电流为0011223301233103221041111()16842(2222)2REFREF i I d I d I d I d V d d d d RV d d d d R=+++=+++=⋅+⋅+⋅+⋅ 集成运算放大器的输出电压u o 为321032104(2222)2REF F o F F F V R u R i R i d d d d R=-=-=-⋅+⋅+⋅+⋅ 将上述结论推广到n 位倒Ｔ型电阻网络D/A 转换器，同学们可以自己推算一下。
试验五. A/D、D/A转换实验一、实验目的1. 学习理解模/数信号转换和数/模转换的基本原理。
2. 掌握模/数转换芯片ADC0804和数/模转换芯片DAC0832的使用方法。
二、实验设备TD-PITE实验装置（带面包板）一套，实验用转换芯片两片，±12V稳压电源一台、运放两片、温度传感器、电位器（5.1KΩ）一个、电阻若干，面包板用导线若干，排线若干，万用表一个。
三、实验内容（1）设计A/D转换电路，采集可调电阻的输出电压。
连+5V电源，调节后的输出电压作为ADC0804的模拟输入量，然后进行A/D转换，转换结果由发光二极管上显示。
请填写实验数据表格：（2）将LM35 精密摄氏度温度传感器连+5V电源，输出电压直接作为ADC0804 的模拟输入量，然后进行A/D转换，转换结果经过计算得到摄氏度值放在内存变量上。
（多数温度传感器是针对绝对温度的，且线形较差。
LM35的输出电压与摄氏温度值成正比例关系，每10 mV 为 1 摄氏度。
）（3）设计D/A 转换，要求产生锯齿波、三角波、脉冲波，并用示波器观察电压波形。
四、实验原理1. 模数转换器ADC0804 简介ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。
分辨率为8位，转换时间为100μs，输入参考电压范围为0~5V。
芯片内有输出数据锁存器，与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上。
图5.1 ADC0804引脚图启动信号：当CS#有效时，WR#可作为A/D转换的启动信号。
WR#高电平变为低电平时,转换器被清除；当WR#回到高时,转换正式启动。
转换结束：INTR#跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。
RD#用来读A/D转换的结果。
有效时输出数据锁存器三态门DB0~DB7各端上出现8位并行二进制数码。
转换时钟：见下图，震荡频率为f CLK ≈ 1 / 1.1RC。
其典型应用参数为：R = 10KΩ，C = 150pF，f CLK≈ 640KHz，8位逐次比较需8×8 = 64个时钟周期，转换速度为100μｓ。
模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1 模数转换和数模转换概述11.1.1 一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
图11.1 典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
287第11章 模数（A/D ）和数模（D/A ）转换 11.1.2 模/数转换器（ADC ）的主要性能参数1. 分辨率它表明A/D 对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D 辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D 转换器的位数越多，其分辨率则越高。
实际的A/D 转换器，通常为8，10，12，16位等。
2. 量化误差在A/D 转换中由于整量化产生的固有误差。
量化误差在±1/2LSB （最低有效位）之间。
模数(A／D)和数模(D／A)转换模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1模数转换和数模转换概述11.1.1一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
传感器μV，mV控制传感器放大滤波几伏放大滤波多路开关MU某采样保持S/H模拟A/D数字I/O转换接口计算机对象执行部件多路开关MU 某模拟D/A数字I/O转换接口图11.1典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换28711.1.2模/数转换器（ADC）的主要性能参数1.分辨率它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。
实际的A/D转换器，通常为8，10，12，16位等。
2.量化误差在A/D转换中由于整量化产生的固有误差。
量化误差在±1/2LSB（最低有效位）之间。
例如：一个8位的A/D转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0~5V，那么，量化单位q为：电压量程范围5.0Vn256≈0.0195V=19.5mV2q==q正好是A/D输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。
因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数。
3.转换时间转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。
一般转换速度越快越好，常见有高速（转换时间<1u）、中速（转换时间<1m）和低速（转换时间<1）等。
4.绝对精度对于A/D，指的是对应于一个给定量，A/D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。
5.相对精度对于A/D，指的是满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。
例如，对于一个8位0~+5V的A/D转换器，如果其相对误差为1LSB，则其绝对误差为19.5mV，相对误差为0.39%。
11.1.3数/模转换器（DAC）的主要性能参数1.分辨率分辨率表明DAC对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所对应的模拟量，它确定了能由D/A产生的最小模拟量的变化。
通常用二进制数的位数表示DAC的分辨率，如分辨率为8位的D/A能给出满量程电压的1/28的分辨能力，显然DAC的位数越多，则分辨率越高。
2.线性误差D/A的实际转换值偏离理想转换特性的最大偏差与满量程之间的百分比称为线性误差。
288微型机原理及应用3.建立时间这是D/A的一个重要性能参数，定义为：在数字输入端发生满量程码的变化以后，D/A的模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需要的时间。
4.温度灵敏度它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。
一般D/A转换器的温度灵敏度为±50PPM/℃。
PPM为百万分之一。
5.输出电平不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大，一般为5V~10V，有的高压输出型的输出电平高达24V~30V。
11.2ADC0809模/数转换器A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。
11.2.1模/数转换器原理A/D转换器的工作原理实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等。
逐次逼近法：速度快、分辨率高、成本低，在计算机系统得到广泛应用。
逐次逼近法原理电路类同天平称重。
在节拍时钟控制下，逐次比较，最后留下的数字砝码，即转换结果。
第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换图11.2逐次逼近法A/D转换器289采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图10.14所示。
它的基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。
逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo11.2.2ADC0809的内部结构与引脚图ADC0809是一种普遍使用且成本较低的、由National半导体公司生产的CMOS材料A/D转换器。
它具有8个模拟量输入通道，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。
其主要技术指标如下：①电源电压：5V②分辨率：8位③时钟频率：640kHZ④转换时间：100u⑤未经调整误差：1/2LSB和1LSB⑥模拟量输入电压范围：0-5V⑦功耗：15mW图11.3给出了ADC0809转换器的内部结构图。
290微型机原理及应用图11.3ADC0809内部结构图图11.4ADC0809引脚图图11.3中ADC0809内部各单元的功能如下：①通道选择开关八选一模拟开关，实现分时采样8路模拟信号。
②通道地址锁存和译码通过ADDA、ADDB、ADDC三个地址选择端及译码作用控制通道选择开关。
③逐次逼近A/D转换器包括比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器。
转换的数据从逐次逼近寄存器传送到8位锁存器后经三态门输出。
④8位锁存器和三态门当输入允许信号OE有效时，打开三态门，将锁存器中的数字量经数据总线送到CPU。
由于ADC0809具有三态输出，因而数据线可直接挂在CPU数据总线上。
图11.4给出了ADC0809转换器的引脚图，各引脚功能如下：第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换291IN0~IN7：8路模拟输入通道。
D0~D7：8位数字量输出端。
START：启动转换命令输入端，由1→0时启动A/D转换，要求信号宽度>100n。
OE：输出使能端，高电平有效。
ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。
其中ADDA是LSB位，这三个引脚上所加电平的编码为000~111，分别对应IN0~IN7，例如，当ADDC=0，ADDB=1，ADDA=1时，选中IN3通道。
ALE：地址锁存允许信号。
用于将ADDA~ADDC三条地址线送入地址锁存器中。
EOC：转换结束信号输出。
转换完成时，EOC的正跳变可用于向CPU申请中断，其高电平也可供CPU查询。
CLK：时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：基准电压，一般与微机接口时，REF（-）接0V或-5V，REF（+）接+5V或0V。
11.2.3ADC0809与CPU的连接及其应用ADC0809的接口设计需考虑的问题如下：(1)DDA、ADDB、ADDC三端可直接连接到CPU地址总线A0、A1、A2三端，但此种方法占用的I/O口地址多。
每一个模拟输入端对应一个口地址，8个模拟输入端占用8个口地址，对于微机系统外设资源的占用太多，因而一般ADDA、ADDB、ADDC分别接在数据总线的D0、D1、D2端，通过数据线输出一个控制字作为模拟通道选择的控制信号。
(2)ALE信号为启动ADC0809选择开关的控制信号，该控制信号可以和启动转换信号START同时有效。
(3)ADC0809芯片只占用一个I/O口地址，即启动转换用此口地址，输出数据也用此口地址，区别是启动转换还是输出数据用IOR，IOW信号来区分。
硬件电路接线如图11.5所示。
图11.5ADC0809和PC机系统总线的接线图。
当A/D转换结束，ADC输出一个转换结束信号数据。
CPU可有多种方法读取转换结果：①查询方式；②中断方式；③延时方式；④DMA方式；⑤时钟的提供；⑥参考电压的接法；⑦无条件传送方式下面举例说明如何编写A/D转换程序。
例11.1利用图11.5，采用无条件传送方式，编写一段轮流从IN0~IN7采集8路模拟信号，并把采集到的数字量存入0100Ｈ开始的8个单元内的程序。
MOVDI,0100H；设置存放数据的首址MOVBL,08H；采集8次计数器292微型机原理及应用MOVAH,00H；选0通道AA1∶MOVAL，AHMOVD某，ADPORT；设置ADC0809芯片地址OUTD某，AL；使ALE、START有效，选择模拟通道，见图11.5MOVC某,0050HWAIT∶LOOPWAIT；延时，等待A/D转换INAL,D某；使OUTPUTENABLE有效，输入数据，见图11.5MOV[DI],AL；保存数据INCAH；换下一个模拟通道INCDI；修改数据区指针DECBL JNZAA1图11.5ADC0809和PC机系统总线的连接图例11.2设某系统对8路模拟量分时进行数据采集，选用ADC0809芯片进行A/D转换，转换结果采用查询方式传送，所以除了一个传送转换结果的输入端口外，还需要传送8个模拟量的选择信号和A/D转换的状态信息。
因此，可以采用8255A作为ADC0809和CPU的第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换293连接接口，如图11.6ADC0809与总线的连接图。
将A口设为方式0的输入方式，用于传送转换结果，B口不用，用C口的PC2～PC0输出8路模拟量的选择信号，PC3输出ADC0809的控制信号，而ADC0809的状态可由PC7输入，所以，将C口也设为方式0，低4位为输出方式，高4位为输入方式。
现假设8255A的端口A、B、C及控制口地址分别为2F0H，2F1H，2F2H和2F3H，A/D转换结果的存储区首地址设为400H。
