模数(A／D)和数模(D／A)转换
数模(DA)和模数(AD)转换电路
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)
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7章 模 数(A D)与数 模(D A)转换
1. ADC0809的引脚
下。
ADC0809的引脚如图7-2所示，各引脚功能如
IN0～IN7：8通路模拟信号输入端，同一时刻 只可有一路模拟信号输入。
ADDA、ADDB、ADDC：地址信号线，输入，用 于选择控制8通路输入模拟量中的某一路工作。ADDA、 ADDB、ADDC与IN0～IN7的关系见表7-1。
2. ADC0809的结构与工作过程 ADC0809的内部结构如图7-3所示，其功能与工作 过程如下： 输入到地址锁存与译码模块的ADDA、ADDB、ADDC 三位地址信号用于决定IN0～IN7中哪一路模拟信号可以输 入，然后使地址锁存与译码模块的ALE＝1，从而使IN0～ IN7中被选中的一路模拟信号经通道选择开关送达比较器 的输入端。
其中，n是可转换成的数字量的位数。所以位
数越高，分辨率也越高。例如，当输入满量程电压为5 V 时，对于8位A/D转换器，A/D转换的分辨率为5 V/255＝ 0.0195 V。
第7章 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换
2) 转换时间 转换时间反映了A/D转换的速度。转换时间是启 动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间。目前常用 的A/D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。不同 的ADC有不同的转换时间，转换时间是编程时必须考虑的 因素。
第7章 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换
START CLOCK
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
ADDA ADDB ADDC ALE
通道 选择 开关
地址锁存 和译码
定时和控制
逐次逼近 寄 存 器 SAR
DAC
8位 三态 锁存 缓冲器
ADC
VCC GND
电工电子技术第12 章数模(DA)和模数(AD)转换
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。
12微型计算机原理--模数AD和数模DA转换
12.1 概述
精度:实际输出值与理论值之间的最大偏差。 精度:实际输出值与理论值之间的最大偏差。用最大的 静态转换误差的形式表示。 静态转换误差的形式表示。 这个转换误差应包括非线性误差、 这个转换误差应包括非线性误差、比例系数误差以及漂移 误差等综合误差， 误差等综合误差，它反映了实际输出电压与理论输出电压之间 的接近程度。 的接近程度。 一般用最小量化阶△来度量，如士1/2LSB (Least 一般用最小量化阶△来度量，如士1/2LSB Significant Bit)。也可用满量程的百分比来度量，如 Bit)。也可用满量程的百分比来度量， 0.05%FSR 线性误差: D/A转换时，若数据连续转换( 线性误差:在D/A转换时，若数据连续转换(两相邻数据间差值 转换时 为1)，则输出的模拟量应该是线性的。用实际输出值与理想输 1)，则输出的模拟量应该是线性的。 出值的最大偏差与满量程值之比的百分数来表示线性误差。 出值的最大偏差与满量程值之比的百分数来表示线性误差。
12.1 概述
A转换的主要性能指标 3、D/ A转换的主要性能指标 输入数字量:码制、数据格式和逻辑电平。 输入数字量:码制、数据格式和逻辑电平。 输出模拟量:电流和电压。多数为电流型， DAC0832即为电流 输出模拟量:电流和电压。多数为电流型，如DAC0832即为电流 型，靠外运算放大器转换成电压接。 靠外运算放大器转换成电压接。 分辨率△:数据发生1 LSB变化时所对应的输出电压的变化。 分辨率△ 数据发生1 LSB变化时所对应的输出电压的变化。 变化时所对应的输出电压的变化 △与输入数字量的位数n的关系为: 与输入数字量的位数n的关系为: △=FSR/ (2n-1 ) 式中: Range)为D/A转换器满量程输出电压 转换器满量程输出电压。 式中:FSR(Full Scale Range)为D/A转换器满量程输出电压。 A转换器的分辨率 转换器的分辨率=1/255=0.39% 8位D/ A转换器的分辨率=1/255=0.39% FSR 12位D/A转换器的分辨率=1/4096=0.0244% FSR 12位D/A转换器的分辨率=1/4096=0.0244% 转换器的分辨率
试验五AD、DA转换实验
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。
数模和模数转换
3.非 线 性 误 差V03 模 拟 开 关 的 压 降 内 阻 不为0， 电阻网络的偏差引起
2. D/A转换器的转换速度
（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全 1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需 要的时间。通常建立时间在100 ns ~几十s之间。
（2）转换速率SR：
则
D T2
fC
T1 TCVREF
VI
D
T2
fC
T1 TCVREF
VI
若T1
NTC
D
N VREF
VI
取N
2n， 则D
2n VREF
VI
双积分型A/D转换器原理: 先将Vi转换成与之
成正比的时间信号，
然后在这个时间内用
固定频率脉冲计数.
（V－T变换型） A/D转换器
控制电路的实现
3VREF 15
时，7个比较器
中只有C1输出 为1，CP到来
后，只有触发
器FF1置1，其 余触发器仍为0。
经编码器编码
后输出的二进
制代码为
d2d1d0=001。
3VREF 15
ui
5VREF 15
时，比较器中
C1、C2输出为1， CP到来后，触
发器FF1、FF2 置1，其余触发
器仍为0。经编
数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模 拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简 写为DAC(Digital-Analog Converter)
用途
电加热炉
控制 对象
要求: ！精度
！速度
Sensor
数模DA及模数AD转换
DAC的精度主要与变换器中所用元件精度及稳 定性、电路中的噪声及漏电等因素有关。精 度是关于实际输出量与理论输出量接近到什 么程度的一个量度。例如，在某公特定输入 下的理论输出电压值应当是10伏，对于精度 为±1％的转换器来说，其实际输出电压可能 是9.9与10.1伏之间的某个值。
转换器的分辨力和精度应协调一致。也就是 说，对于一个高分辨力的转换器必须有较高 的精度；同样，对于高精度的转换器，其分 辨力也应做得较高。
出4也）保为×留(U1R在0EF13“1.)4123，”8V经。，DU／R<AU转x，换所器以得SUARR=的（最2-低1+位0+(2L-3S+B2)-
经过以上4次比较之后，SAR的输出为(1011)2， 这就是最终得到的3.438V模拟电压被转换成的 数字量。把这个数字量送经译码器，最后以十 进制数显示出被测结果。由于D／A转换器输出 的基准电压是量化的，因此显示的结果为 3.438V，即偏低0.062V。
准 码 ( 1 0 0 0 ) 2 ， 经 D／A 转 换 输 出 基 准 电 压 UR=21×UREF=2.500V， 加 到 比 较 器 与 被 测 电 压 Ux 进 行 比较，由于UR<Ux，比较器输出高电平，SAR的2-1
A-D与D-A转换
数字电子电路
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个过程。
（1 ➢ 取样
数字电子电路
（又称抽样或采样）是将时间上连续变化的模拟信号定时加以检测，取出某一时刻的值，得到时间
上断续的信号。
➢ 保持
数字电子电路
ADC把取样信号转换成数字信号需要一定的时间，需要将这个断续的脉冲信号保持一定时间以便
次逼近型ADC，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。
➢ 结构框图
➢ 管教排列图
数字电子电路
➢ 引脚的名称和功能
数字电子电路
• IN0～IN7：八路模拟输入。
• UR(+) 、UR(-)：基准电压的正、负极输入端。由此输入基准电压，其中心点应在UCC/2附近，偏 差不应超过0.1V。
• S程时，在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将所有的 内部寄存器清零，下降沿时开始A/D转换过程。
3．DAC的主要技术指标
（1
数字电子电路
DAC的分辨率是说明DAC输出最小电压的能力。它是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与 最大输出电压（对应的输入数字量各有效位全为1）之比：
分辨率= 1/（2n-1）
式中,n表示输入数字量的位数。可见，n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。
例如，n=8, DAC
8080、8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如下图所示 ：
结果框图
管教排列图
• D现A两C次08缓3冲2由，八所位以输使入用寄时存有器较、大八的位灵D活A性C寄，存可器根和据八需位要D接/成A转不换同器的三工大作部方分式组。成DA。C它08有32两中数个采字分用电别的子控是电制倒路的T数型据R-寄2R存电器阻，网可络以，实 无运算放大器，是电流输出，使用时需外接运算放大器。心片中已经设置了Rfb,只要将9号管脚接到运算放大器输出端即可。 但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下：
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。
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。
医学电子学基础数模(DA)与模数(AD)转换
10-3 逐次比较型ADC原理框图
第三节 A/D转换器
① CP信号将寄存器最高位置1；
② ③
经uOD送A入C转A与换u为I比模较拟：电若压uuOO>；uI
，将寄存器最高位置
0，次高位置1，若uO < uI ，将这一位的1保留，次高
位置1；
DAC
④ 逐次DA转换、比
较到最低位为止。
寄存器的逻辑状 态就是对应于输 入模拟电压的输 出数字量。
整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。
u1(t)
O
t
(a)模拟输入信号
S (t )
O ( b′)采样信号
t
S(t)
O (b)采样输出信号
t
uO(t)
O （c）采样保持信号
t于信输号入是否模会拟丢信号频谱 中最高频率的失两原倍信时号的，信采息样呢信号可以 不失真地恢复为原模？拟信号。 fS ≥ 2 fimax
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。 2.转换过程：为了将模拟量转换成数字量,A/D 转换器要经过采样、保持、量化及编码4个过程。
输入模拟量
uI(t)
SC
uI(t)
采样保持电路
量化 编码
电路
…
输出数字量
Dn-1 DD10
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的
无论开关接反相端还是接地，各支路电流不变。
且 I UR
R
由图可得
iΣ
I 2
d
3
I 4
d
2
I 8
d1
I 16
数模(DA)转换.
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
DAC0832的工作方式：直通方式
LE1＝LE2＝1 输入的数字数据直接进入D/A转换器
DI0～DI7 输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
Iout1
LE2 DAC0832
Rfb
I0
Iout1 _ Iout2 + Vout
D3
D2
D1
D0
T型电阻解码网络DAC
二、 DAC 的主要性能指标 输入数字量
包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平 等。有二进制码、BCD码、补码、偏移二进制码等。 逻辑 电平一般为TTL电平。 输出模拟量 不同型号的D／A转换器件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，则高达24V～ 30V。还有些电流输出型的D／A转换器，低的为几个mA 到几十个mA，高的可达3A。
1 R 2 R 3 R 4 R
= (2V -(1/2)V -2 +d 2-3+d 2-4) R -1 = R/R)(d12 + d22 3 4 = -2.5V
a R b R c R d T型电阻解码网络D/A转换器的原理图 VREF S3 I3 2R S2 I2
2R
S1
2R
S0 I12R源自2R RfbDI0～DI7
输入 寄 存 器
DAC 寄 存 器
D/A 转 换 器
Iout1
LE1
LE2 DAC0832
2. Iout1 DAC0832 的模拟输出 、Iout2 ——电流输出端 Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF——参考电压输入端 ＋10V～－10V AGND——模拟信号地 VCC——电源电压输入端 ＋5V～＋15V DGND——数字信号地
数模(DA)转换与模数(AD)转换接口
第12章 数模(D/A)转换与模数(A/D)转换接口§12.1 D/A转换器接口D/A(Digit to Analog)和A/D(Analog to Digit)转换是计算机与外部世界联系的重要接口。
在一个实际的系统中，有两种基本的量——模拟量和数字量。
外界的模拟量要输入给计算机，首先要经过A/D转换，才能由计算机进行运算、加工处理等。
若计算机的控制对象是模拟量，也必须先把计算机输出的数字量经过D/A转换，才能控制模拟量。
D/A和A/D转换的具体电路已经在数字电路课程中讲述。
本章主要介绍如何把D/A 和A/D转换的芯片与CPU进行接口以及用CPU控制这些转换的软件编程如何实现。
12.1.1 CPU与8位D/A芯片的接口D/A转换通常是由输入的二进制数的各位控制一些开关，通过电阻网路，在运算放大器的输入端产生与二进制数各位的权成比例的电流，经过运算放大器相加和转换而成为与二进制数成比例的模拟电压。
若CPU的输出数据要通过D/A转换变为模拟量输出，当然要把CPU数据总线的输出连到D/A的数字输入上。
但是，由于CPU要进行各种信息的加工处理，它的数据总线上的数据是不断地改变的，它输出给D/A的数据只在输出指令的几个微秒中出现在数据总线上。
所以，必须要有一个锁存器，把CPU输出给D/A转换的数据锁存起来，直至输送新的数据为止。
一个最简单的D/A芯片与CPU的接口电路如图12-1所示。
其中，以锁存器74100作为CPU与D/A转换之间的接口。
CPU把74100作为一个输出端口，用地址27H来识别，则CPU输给D/A的数据要用一条I/O写(即输出)指令来实现。
图12-1的电路可应用于许多场合，例如：(1) 驱动一个侍服电机；(2) 控制一个电压—频率转换器(用于锁相环路)；(3) 控制一个可编程的电源；(4) 驱动一个模拟电表。
12.1.2 8位CPU与12位（高于8位的）D/A转换器的接口1.一种12位D/A转换芯片这里介绍一种12位D/A转换片子DAC1210。
数字逻辑电路第10章数模(DA)和模数(AD)转换
+0V （再取1.25V项，此时5V+2.5V+1.25V>8.5V，则应去掉该项，
记为数字’0’）
+0.625V（再取0.625V项，此时5V+2.5V+0.625V<8.5V，则保留该项，
记为数字’1’）
≈8.125V（得到最后逼近结果） 总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出Vr的各分 项值，按照“大者去，小者留”的原则，直至得到最后 逼近结果，其数字表示为’1101’。
1）逐次逼近比较式ADC
上述逼近结果与Vx的误差为8.125V－8.5V＝－0.375V。 显然，当Vx＝(7.8125V～8.4375V)之间时，采用上面Vr 的4个分项逼近的结果相同，均为8.125V，其误差为 ΔVx＝(－0.3125V～＋0.3125V)，最大误差限相当于Vr 最后一个分项的一半，即 1 V。
最终SAR的输出Q2Q1Q0=101，即为输入电压Ux的数字码，经 缓冲寄存器输出至译码电路，显示出十进制数5 V。
上述过程是在控制电路依次发出的节拍脉冲的作用下 完成的， 其工作波形如图7.7-11 所示。 现在A/D变换器一般都是用大规模集成电路制作的， 如ADC0809、 ADC0816、 AD7574等都是8位(二进制)逐次逼 近型A/D变换器， ADC1210是12位逐次比较型A/D 变换器.
1）逐次逼近比较式ADC
1 1 1 1 1 Vr Vr Vr Vr Vr n Vr 2 4 8 16 2 5V+2.5V+1.25V+0.625V+ + =10V
数模转换原理及应用
数模（D/A）转换器及模数（A/D）转换器一、实验目的1.熟悉D / A转换器的基本工作原理。
2.掌握D / A转换集成芯片DAC0832的性能及其使用方法。
3.熟悉A / D转换器的工作原理。
4.掌握A / D转换集成芯片ADC0809的性能及其使用方法。
二、实验原理1.数模（D / A）转换所谓数模（D / A）转换,就是把数字量信号转换成模拟量信号,且输出电压与输入的数字量成一定的比例关系。
图47为D / A 转换器的原理图,它是由恒流源（或恒压源）、模拟开关、以及数字量代码所控制的电阻网络、运放等组成的四位D/ A转换器。
四个开关S0 ~ S3由各位代码控制,若―S‖代码为1,则意味着接VREF ,代码―S‖= 0,则意味着接地。
由于运放的输出值为V0= -I∑?Rf ,而I∑为I0、I1、I2、I3的和,而I0 ~ I3的值分别为（―S‖代码全为1）：I0 =,I1 =,I2 =,I3 =若选R0 =,R1 =,R2 =,R3 =则I0 ==?20 ,I1 =?21 ,I2 =?22 ,I3 =?23若开关S0 ~ S3不全合上,则―S‖代码有些为0,有些为1（设4位―S‖代码为D3D2DlD0）,则I∑ =D3I3 + D2I2 + DlIl + D0I0 =（D3?23 + D2?22 + D1?21 + D0?20）= B?所以,V0 = -Rf ? B,B为二进制数,即模拟电压输出正比于输入数字量B ,从而实现了数字量的转换。
随着集成技术的发展,中大规模的D / A转换集成块相继出现,它们将转换的电阻网络和受数码控制的电子开关都集成在同一芯片上,所以用起来很方便。
目前,常用的芯片型号很多,有8位的、12位的转换器等,这里我们选用8位的D / A转换器DAC0832进行实验研究。
DAC0832是CMOS工艺,共20管引脚,其管脚排列如图48所示。
图47 D / A转换原理图图48 DAC0832管脚排列图各管脚功能为：D7 ~ D0：八位数字量输入端,D7为最高位,D0为最低位。
什么是A-D转换和D-A转换？
什么是A/D转换和D/A转换？一、什么是a/d、d/a 转换：随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。
这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d 转换器或adc,analog to digital converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称d/a 转换器或dac,digital to analog converter）；a/d 转换器和d/a 转换器已成为信息系统中不可缺俚慕涌诘缏贰?br> 为确保系统处理结果的精确度，a/d 转换器和d/a 转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d 与d/a 转换器还要求具有较高的转换速度。
转换精度与转换速度是衡量a/d 与d/a 转换器的重要技术指标。
随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d 和d/a 转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。
二、d/a 和a/d 转换器的相关性能参数：d/a 转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件，已做成集成芯片。
由于实现这种转换的原理和电路结构及工艺技术有所不同，因而出现各种各样的d/a 转换器。
目前，国外市场已有上百种产品出售，他们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色。
第十章A／D及D／A转换器
（ 5） DAC 的工作方式 DAC0832 有三种工作方式： 双缓冲方式 单缓冲方式 直通方式 采用单缓冲方式连接如图10-3所示。
D7~D0
DAC0832 DI0~7 Verf
WR1 +5V ILE 200H CS
+5V R
系 统 总 线 A9~A0
AEN
IOW
Rfb
+ Vout
I01 I02 AGND
二、A/D转换原理
A/D转换的原理很多,常见的有双积分式、逐次逼 近式、计数式等，输出码制有二进制、BCD码等，输 出数据宽度有8位、12位、16位、20位等（二进制和 BCD码）。常用的是逐次逼近式A/D。
逐次逼近式A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器原理如图10-10所示，当转 换器接收到启动信号后，逐次逼近寄存器清0，通过 内部D/A转换器输出使输出电压V0为0，启动信号结 束后开始A/D转换。
（2）转换时间：指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需 的时间。一般电流型D/A转换器在几秒到几百微秒之内；而 电压型D/A转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。 （3）转换精度：指D/A转换器实际输出与理论值之间的误 差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。 如：±1/2LSB表示，当D/A分辨率为20mV，则精度为 ±10mV. （4）线性度：当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟 量按比例变化的程度。 线性误差—— 模拟量输出值与理想输出值之间偏离 的最大值。
（4）可使用多片0832同时进行D/A转换，以便同时产生 多个摸拟信号送出 DI CS1 WR1 ILE WR2 XFER
○ ○
DI
0832 CS2 WR1
○ ○
DI
CS3 WR1 ILE WR2 XEFR
实验九 数模(DA)和模数(AD)转换应用
实验九 数/模（D/A ）和模/数（A/D ）转换应用一、实验目的1、通过实验了解A/D 和D/A 转换特性。
2、了解A/D 和D/A 转换器互相连接的工作情况。
二、实验原理数/模转换器是有一个输出端﹑几个输入端的器件，其输出为模拟电压，它正比于加在 n 个输入端的n 位二进制数。
如8位的D/A 转换器，它有8个输入端，每个输入端是8位二进制数的一位，并有一个模拟输出端，输入可有82=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一。
所以输出并非真正的模拟量，即输出电压不是整个电压范围内的任意值，而只能是256个可能值。
图9-1是由R —2R 梯形电阻网络构成的4位D/A 转换器。
其中B3﹑B2﹑B1﹑B0为四个数据输入端，各端均可通过开关接地或接电源Vcc 。
某输入端若接地，则该位为0，若接Vcc 则该位为1。
若输入二进制码为B 3B 2B 1B 0=1000 ，由戴维南定理可推导出输出模拟电压V o=Vcc/2,同理可推导出输入为0100时，V o=Vcc/4等等。
图9-1 4位R-2R 梯形网络D/A 转换原理实验用的D/A 转换器为DAC0801集成8位D/A 转换器，它的二进制各位开关是由双极型晶体管构成的电子开关。
D/A 转换器产生的输出电流为Io ，它正比于输入的二进制数。
n 位模/数转换器输出n 位二进制数值,它正比于加在输入端的模拟电压。
这里只介绍ADC0804A/D 转换器原理，它是用逐次逼近原理构成的。
其主要组成部分有D/A 转换器﹑逐次逼近寄存器﹑移位寄存器﹑比较器﹑时钟发生器和控制电路。
它的工作过程是：转换开始时由时钟节拍控制动作，第一个时钟来时移位寄存器状态为10000000，并送给逐次逼近寄存器（SAR ），由SAR 将10000000传给D/A 转换器输入端，使D/A 转换器产生输出模拟电压V ST ，V ST 与A/D 转换器输入的模拟量V I 进行比较。
若V ST ﹤V I ，则比较器输出V C 为高电平1，若V ST ﹥V I ，则比较器输出V 为低电平0。
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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。