第五讲 ADDA工作原理及应用

为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出 ，需要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加 工的数字量（A/D转换，ADC），或者把数字 量转换成模拟量(D/A转换，DAC)。 D/A与A/D转换是计算机用于多媒体、工业控 制等领域的一项重要技术。
模拟量输入输出通道示意图
温度 工 业 生 产 过 程 模拟量 放大 驱动 D /A 转换 锁 存 器 流量 变送 器 传感 器 电压 量 信号 处理 控制 I /O 数 字 量 接口 信号 处理 多 路 开 关 采 样 保 持 器 A /D 转 换器 数 字 量 微 机 系 统
执行输入指令（读ADC0809数据端口）； 该指令经地址译码电路产生OE信号， 0809内三态缓冲器被打开， 转换结果通过数据总线进入CPU。
（4） CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中：
ADC0809与系统有三种常见的连接方法：
（1） 占用三个I/O端口：
端口1用来向0809输出模拟通道号并锁存； 端口2用于启动转换； 端口3读取转换后的数据结果。 （2） 占用二个I/O端口：
0 1Δ 000 2Δ 001 3Δ 4Δ 5Δ 100 6Δ 101 7Δ 110 待转换模拟量 转换后数字量
010 011
量 化 区 间 V (t) 111 110 101 100 011 010 001 000 t0 t1
010
t2
t3
t4
t5
t6
100
t7
011
t8
010
t9
001
t
101 110 111 111 110
A/D转换器的主要技术指标
分辨率
分辨率反映A/D转换器对输入微小变 化的响应能力，用数字量最低位（LSB） 所对应的模拟输入电平值(Δ)表示。 分辨率直接与转换器的位数有关，也可 以用数字量的位数来表示分辨率。 注意：分辨率与精度是两个不同的概念。 分辨率高的转换器，精度不一定高。
精度 绝对误差 绝对误差等于实际转换结果与理论转换结果之差。 可以用数字量的最小有效位（LSB）的分数值表 示。 例如: ±1LSB，±1/2 LSB，±1/4 LSB等 相对误差 相对误差是指数字量所对应的模拟输入量的实际 值与 理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。 例：10位A/D芯片，输入满量程10V， 绝对精度 ±1/2LSB （△＝9.77mV） 绝对精度为：1/2△（＝4.88mV） 相对精度为：4.88mV/10V＝0.048％。
0
1 8
2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
(a ) 转 换 曲 线 1 ， 量 化 误 差 1L SB
(b )理 想 转 换 曲 线 ， 量 化 误 差 : ± (1 /2 )L S B
编码
量化得到的数值通常用二进制表示。 对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移 码表示。 例如，8位二进制偏移码10000000代表数 值0， 00000000代表负电压满量程， 11111111代表正电压满量程 （数值为负时符号位为0，为正时符号位为1） 。
U A UE UR 2 UR
1
d3
UR 2
3
2
d2
UR 2
3
d1
1
UR 2
4
d0
0

等效电阻为 R
2
4
(d 3 2 d 2 2 d1 2 d 0 2 )
2
等效电路如右图
A
R
UE
RF
A
输出电压 RF Uο UE 3R
RFU R 3R 2
A/D工作原理
A/D是将模拟量转换成数字量 的器件。 模拟量可以是电压、电流 等电信号，也可以是声、光、 压力、湿度、温度等随时间连 续变化的非电的物理量。非电 的模拟量可通过合适的传感器 （如光电传感器、压力传感器、 温度传感器）转换成电信号。
模拟量到数字量转换过程图
采样过程图
离散系统或采样数据系统 把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制 系统。 离散系统的采样形式 有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期 采样。
锁 存 缓 存 器
逐次逼近式的A/D转换器的特点
转换速度较快，转换时间在1～100μs以内， 分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号 的A/D转换； 转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；
抗干扰能力较双积分型弱。采样时，干扰信号会造 成较大的误差，需要采取适当的滤波措施。
双积分式A/D转换原理
量程
典型A/D转换芯片：AD0809
逐次逼近型8位A/D转换芯片；
片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量； 单极性，量程为0～5V； 典型的转换速度 100μs； 片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接；
有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要 求不高的场合或一般的工业控制领域。
转换时间
完成一次A/D转换所需要的时间。 （发出转换命令信号到转换结束的时 间） 转换时间的倒数称为转换速率。 例：AD574的转换时间25μs， 转换速率为40KHz（=1/25 μs ）
被转换的模拟输入电压范围， 分单极性、双极性两种类型。 单极性常见量程为 0～5V， 0～10V，0～20V； 双极性量程常为－5V～＋5V， －10V～+10V。
4
开路电压
3
UR 2
d0
UA
UR 2
4
d0
UR 2
d1 U A
UR 2
3
d1
同理：对应二进制数 为0100时，有
开路电压 UA UR 2
2
同理：对应二进制数 为1000时，有
开路电压 UA UR 2
1
d2
d3
T型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE 。
模拟输入 开关
V IN
积分器 基准电源
比较器 斜率固定
时钟 转换开始
控制逻辑 转换结束
计数器 数字量输出
T1 T2
固定积分时间 T1 和 T2 正 比 于 输 入 电 压
D n -1 ～ D 0
( a ) 电路组成框图
( b ) 双积分原理
图 2 1 0 双 积 分 式 A /D 转 换 原 理 图
对应二进制数为0001时， 0 1
R R 2 R 2R 2R 2R 2R
3
A
2R
等效电路如右下图 A
R
UR
0 R
UR 2
1
R 2 2R R 2R
4
d0
3
A
开路电压
2R
R
UA
UR 2
4
d0
对应二进制数为0001时， 等效电路如下 A
R
同理：对应二进制数 为0010时，有 A
R
开路电压
4
2R
R +
- + A
+
+
UO
–
周期采样 以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟 信号y(t)，按一定的时间间隔T 转变为在瞬时0，T，2T ，…的一连串脉冲序列信号 y*(t)
采样定理
采样频率越高，采样信号 y*(t)越接近原信号y(t)，但 若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的 时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。
START
CLK
IN 7
8路 模拟 开关
控制与时序
EOC D7 三态 输出 锁存
SAR
IN 0
数 字 量
树状开关
缓冲 器 D0
电阻网络
V C C G N D R E F (+ )
R E F (-) O E AD0809内部结构图
基准电压输入VREF(+)和VREF(－)
VFC式A/D转换原理
∑-△型模数转换器
（设输入模拟量Vin=1/4VREF）
+ (5 /4 )V R E F -(3 /4 )V R E F B
V IN
积分器
CLK B
A C
+
Σ D 1位 DAC
A
∫
+V REF
+
1位 比 较 器 1位 数 据 流
C
0
1
1
0
1
1
0
1
= 5 /8 +V REF -V R E F
IN3 IN4 IN5 IN6
1 2
3
28
27 26 25 24 23 22 21
IN2 IN1 IN0
4
5 6 7
ADDA
ADDB ADDC ALE D7
ADC 0809 管脚分布图
IN7 START EOC D3 OE CLOCK UCC REF (+) GND D1
8 9
10 11 12 13 14
地址译码
A1 A0
A1 A0
例题一
用单片机控制ADC0804进行模数 转换，当拧动实验板上A/D旁边的 电位器Re2时，在数码管的前三位 以十进制方式动态显示出A/D转换 后的数字量（8位A/D转换后数值 在0~255变化）
D/A工作原理
将数字量转换成 模拟量，就必 须将每一位代 码按其“权” 转换成相应的 模拟量，然后 再将代表各位 的模拟量相加
20 19
18 17 16 15
D6
D5 D4 D0 REF(-) D2
ADC0809的工作过程
（1）ALE信号锁存地址信号ADDA~ADDC。对应的模 拟信号进入0809 （2） START脉冲启动A/D转换 （3） 转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平：