第八章 数模和模数转换

第七章模/数和数模转换本章学习要求：1.了解A/D、D/A的功能及转换原理；2.掌握常用的技术指标参数；3.熟练掌握几种常用的A/D、D/A芯片及与系统的连接，并能进行应用编程。

7.1 概述A/D和D/A转换技术主要用于计算机控制和测量仪表中。

7.2 数/模（D/A ）转换器一、D/A 转换原理I 0I 1I 2I 3V 0=-(I 0+ I 1+ I 2+ I 3)•R 0R 0)(321212121212+++-=RV REF I )(3210212121210200+++⋅-=⋅=R R I V RV REF 0D/A转换器的两个指标：(1)分辨率：在D/A转换时，将最低位增1所引起的增量和最大输入量的比称为分辨率，即分辨率=1/（2n-1）(2)精度：即转换精度绝对转换精度：就是指每个输出电压接近理想值的程度。

绝对精度与标准电源精度、权电阻的精度有关。

可用D/A变换器的输出变化量来表示，如几分之几伏。

也有用D/A变换器最低有效位LSB的几1相对转换精度：是更加常用的描述输出电压接近理想值程度的物理量。

一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用最低有效位（LSB ）的几分之几表示。

例如：一个D/A 转换器的相对精度为1/2LSB ，则可能出现的最大相对误差为：12221+==∆n nFS FS A FS ：为满量程输出电压二、D/A转换器件和与系统的连接1.分类根据能否直接与系统相连这一点，目前市场上的D/A转换芯片可以分为两类：①一类其芯片内部没有数据输入寄存器，如AD7520、AD7521、DAC0808等。

这类芯片内部结构简单，价格低，但这些芯片不能直接和总线相连。

②另一类芯片内部有数据输入寄存器，例如DAC0832、DAC7524等，这些芯片使用时可以直接和系统总线相连。

2.不带数据输入寄存器的D/A芯片与系统的连接内部不带数据寄存器的D/A芯片，使用时不可以直接和数据总线相连，要求在D/A转换器的前面增加一个数据锁存器，再与数据总线相连。

MOV AL，DATALOUT PORTL，ALMOV AL，DATAH※3.带有数据输入寄存器的D/A芯片与系统的连接内部带有数据输入寄存器的D/A芯片，使用时可以将D/A芯片直接和数据总线相连。

以DAC0832为例来具体介绍这类转换芯片的工作原理和使用方法。

（1）DAC0832内部功能结构DAC0832的功能示意图见下图所示工作方式：有三种，即双缓冲工作方式、仅有输入寄存器工作在锁存状态的单缓冲方式或仅有DAC寄存器工作在锁存状态的单缓冲方式。

(2) DAC0832芯片的引脚(1)DAC0832是一个8位电流输出型的DAC芯片。

(2) 要使DAC0832输出电压信号，一般在其输出端接运算放大器。

(3) DAC0832芯片的外部连接(4) D/A转换编程假设DAC0832与系统的连接图如前所示：设要转换的数据放在1000H单元，实现一次D/A转换，其程序如下：MOV BX，1000HMOV AL，[BX]MOV DX，PORTA ;PORTA为D/A转换器端口号OUT DX,AL ;往D/A转换器输出数据（5）DAC0832应用试用8255和DAC0832设计一个锯齿波发生器；要求：①画出硬件连线示意图②编写程序（含8255初始化程序）解：硬件连接线路图示意图见后所示此题没有要求接口地址，可假设8255的4个端口地址分别为：PORTA、PORTB、PORTC、PORTCT；程序段如下：译码器地址信号RESETA 2A 1IOR IOWD 0~D 7D 0~D 7ILE XFER RFB DGNDWR 2CS WR 1+5V 输出-+I OUT1I OUT28255DAC0832D 0~D 7RESETA 0WR RDA 1PA 0 ~7CSINIT55：MOV DX ，PORTCTMOV AL ，80HOUT DX ，ALJCB ：MOV DX ，PORTAMOV AL ，0FFHROTATE ：INC ALOUT DX ，ALJMP ROTATE RET若改变锯齿波周期，加延时子程序。

7.3 模/数（A/D）转换器一、A/D转换涉及的参数1.转换精度：反映了A/D转换器的实际输出接近理想输出的精确程度。

A/D转换的精度通常是用数字量的最低有效位（LSB）来表示的。

设数字量的最低有效位对应于模拟量∆,则称∆为数字量的最低有效位的当量。

2.转换率：是用完成一次D/A转换所需要的时间的倒数来表示，所以转换率表明了D/A转换的速度。

3.分辨率：表明了能够分辨最小的量化信号的能力。

通常用位数来表示A/D转换器的分辨率。

对于一个能实现N位转换的A/D转换器来说，它能分辨的最小量化信号的能力为2N位.二、A/D转换的方法1.计数式2.双积分式3.逐次逼近式4.用软件和D/A转换器来实现A/D转换*三、A/D转换器与系统的连接目前A/D转换芯片型号很多，既有通用而廉价的AD570、AD7574、ADC0801(0802、0803、0804、0809)、也有高精度高速度的AD5774、AD578、ADC1130、ADC1131，还有高分辨率的ADC1210（12位）ADC1140（16位）等。

不管是那种型号的A/D转换芯片，其对外引腿都是类似的。

一般A/D转换芯片的引腿涉及这几类信号：模拟1.输入模拟电压的连接A/D转换芯片的输入模拟电压即可为单端的，也可为差动的。

芯片上常用VIN(-)、VIN(+)标号注出输入端。

若为电压信号直接与转换的模拟信号相连，否则要将其转换成电压信号。

2.数据输出线与系统总线的连接分两种情况：第一种：若芯片输出端带有可控的三态输出门，如ADC0804，则这类芯片的输出端可直接与系统总线相连。

DB(CPU)A/D 三态OE RDIN AL,PORTA (产生RD 信号)2.数据输出线与系统总线的连接第二种：A/D 内部有三态输出门。

但这种三态门不是受外部控制的，而是由A/D 转换电路在转换结束时自动接通的。

如AD570；此外还有些A/D 转换器不带三态输出门电路。

对这类芯片，其数据输出线就不能直接和系统的数据总线相连，而是必须通过I/O 接口或附加的三态门电路实现A/D 转换器和CPU 之间的数据传输。

DB(CPU)A/D I/O 接口或三态门3. 启动信号启动信号一般有两种形式：电平启动信号，要求在整个转换过程中都必须保持启动信号有效，若中途撤除，那就回立即停止转换而得到错误的结果。

一般用并行接口或D 触发器发启动信号，使其在A/D 转换期间保持有效电平。

如：AD570等。

用脉冲信号来启动的，通常用CPU 执行输出指令时发出的片选信号和写信号即可在片内产生启动脉冲，从而开始转换。

如ADC0804、ADC0809、ADC1210等。

脉冲信号电平信号4.转换结束信号以及转换数据的读取A/D转换结束时，A/D转换芯片会输出转换结束信号，通知CPU读取转换数据。

CPU一般可采用4种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。

程序查询方式：不断读取A/D转换结束信号。

中断方式：用转换结束信号作为中断请求信号。

CPU等待方式：是利用CPU的READY引脚的功能。

固定的延时程序方式：举例：[例1] 带有可控三态门的A/D转换器进行A/D转换，且采用中断方式传输转换数据。

以ADC0804为例。

ADC0804是8位分辨率、逐次逼近型模/数转换器，转换精度为±1LSB，转换时间为100μs.ADC0804与系统总线的连接见下图所示：主程序：OUT PORTAD，AL中断程序：IN AL，PORTAD WR和CS 同时有效启动（负脉冲）[例2]用不带可控三态门的A/D转换器实现A/D转换，且分别采用程序查询方式及等待方式来读取转换结果。

以AD570为具体对象介绍。

AD570是8位逐次比较型单片集成模/数转换芯片。

AD570将D/A转换电路、参考电压、时钟脉冲、比较器、逐次逼近寄存器及输出缓冲器集成在一块芯片上，所以一般情况，只需要接上+5V及-15V电源，加上模拟输入，发出启动转换信号，而不需要任何外部电路即可实现8位A/D转换。

由于AD570内部带有三态输出门，但不是外部可控的。

因此AD570的数据输出线不能直接与系统的数据总线相连。

解决的办法：通过并行接口芯片8255A等与系统相连。

（1）CPU工作于查询方式来读取转换结果AD570与系统总线连接的电路图为：INI55：MOV AL ，92H W: IN AL,PORTBOUT PORTCT ，AL RCR AL,01ADZH ：MOV AL ，01 JC WOUT PORTC,AL MOV AL,01MOV AL,00 OUT PORTC,AL OUT PORTC,AL IN AL,PORTA AINBO 10010010V +V -(2)CPU工作于等待方式读取转换结果10010000INI55：MOV AL，90H MOV AL，0 OUT PORTC,AL OUT PORTC,AL ADZH：MOV AL,01 IN AL,PORTA OUT PORTC,AL[例3] 8位以上的A/D转换器和系统的连接以ADC1210为例。

ADC1210是低功耗中速12位逐次比较型的A/D转换器，转换时间为100 s，主要硬件特性如下：(1)芯片内有输出锁存器，但没有三态功能；(2)以脉冲作为启动信号，要求启动信号的宽度等于时钟信号，启动输入端为SC；(3)转换结束信号为CC，低电平有效，一直维持到下次启动转换为止；(4)转换结束以二进制反码输出。

若某10位A/D变换器芯片的引脚简图及工作波形如图所示。

试画出该A/D芯片与8088系统总线相连接的接口电路图，并编制采集子程序，要求将采集到的数据放在BX中。

接口芯片和地址自定。

[例4] 8位以上的A/D转换器和系统的连接D0~D9 START EN BUSY VSTARTBUSYEND0D9~分析：本题中没有规定接口芯片，就可以任意选。

简单三态门、三态锁存器、可编程并行接口8255等都可以实现连接，利用8255会更加方便一些。

利用8255作为A/D变换器接口的硬件连接图如下所示。

AB C GG 2AG 2B Y 0A 12RESET A 1A 0IOR IOW D 7~D 0A 7A 6A 5A 4A 3A A 13A 11A 10A 9A 15A 14A 8&+D 7~D 0RESET A 0WR RD A 1PA 0PA 7~PB 0PB 1PC 1PC 0CSPC 7D 0D 7~D 8D 9START EN BUSYV8088系统INI55：MOV DX ，0FF03HMOV AL ，10011010B OUT DX ，ALMOV DX ，0FFO2H MOV AL ，00HOUT DX ，AL DATACQ ：MOV DX ，0FF02HMOV AL ，01H OUT DX ，AL MOV AL ，00HOUT DX ，AL；使START=0，EN=0；产生启动正脉冲WAIT ：IN AL ，DX AND AL ，80H JZ WAIT MOV AL ，02HOUT DX ，ALMOV DX ，0FF00H IN AL ，DX MOV BL ，AL INC DXIN AL ，DXAND AL ，03H；等待变换结束；使EN=1，有效；读D 0 ~ D 7；读D 8 D 9；屏蔽高6位MOV BH，AL MOV DX，0FF02H MOV AL，00HOUT DX，AL RET ；再使START=0，EN=0，A/D转换器停止转换7.4 采样保持电路+-输入+状态控制开关A 1A 2-采样保持电路芯片有通用型的，如AD583K 、AD582K LF398等；也有高速的，如THS-0025、THS-0060、THC-0300、THC-1500；还有高分辨率的，如SHA1144、ADC1130等。