数字量和模拟量的相互转换
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数字量和模拟量的相互转换
AD转换
A/D转换器原理
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。
2）逐次比较型（如TLC0831、ADC0809）
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较 逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压 与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数 字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功 耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（ >12位）时价格很高。
若输入一个四位二进制代码D＝d3d2d1d0＝1010， 转换成十进制为10，根据上述转换方法，电路的 输出电压为：
u 0 IF R U 2 4 R R （ E 2 3 F 2 1 ） 1 1U 6 0 REF 由此可知，当Dn＝0时，u0＝0；当Dn＝11…11时，
u0 2n2n 1UREF 输入n位二进制代码的取值范围为：
所以，电路的输出电压u0与输入的四位二进制代码 成正比：
K U24RREF
依此类推，n位权电阻网络DAC的求和运算放大 器输入端电流、输出电压表达式分别为：
I 2 U n R 1 R （ E 2 n F 1 d n 1 2 n 2 d n 2 2 1 d 1 2 0 d 0 ）
u 0 IF R U 2 n R R （ E 2 n 1 F d n 1 2 n 2 d n 2 2 1 d 1 2 0 d 0 ）
II3I2I1I0 U R REdF 3U 2R REdF 2U 22 RR EdF 1U 23 RR EdF 0
U 23 R R E （ 2 F 3d322d221d120d0 ）
设反馈电阻RF＝R/2，求出电路输出电压为： u 0 IF R U 2 4 R R （ E 2 3 F d 3 2 2 d 2 2 1 d 1 2 0 d 0 ）
A/D转换器主要方法
4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705） Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤 波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换 成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字 值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做 到高分辨率。主要用于音频和测量。
ABC
000 001
… 111
通道
IN0 IN1 … IN7
MCS-51与ADC0809的硬件连接 ADC0809为多通道A/D转换芯片，适用于多通道的 数据采集。下图为ADC0809与CPU在中断方式下的接 口电路
图中ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，采用线选地址方式。 设ADC0809的口地址为FEFFH，采用中断控制方式，由外部中 断1的服务程序读取转换结果并启动下一次转换。辨率 = 1/（210－1）= 1/1023 = 0.001
反映了D / A转换的灵敏度。
DAC0832的主要参数
0809的初始化程序 INT1：SETB IT1
SETB EA SETB EX1 MOV DPTR，#0FEFFH MOV A，#00H MOVX A,＠DPTR ;启动0809对INT1的转换
其中断服务程序如下： PINT1：MOV DPTR，#0FEFFH
MOVX A，＠DPTR ;读A/D转换结果送50H单 元
（3）精度：D/A转换器的转换精度与D/A转换芯片的结 构和接口配置的电路有关。一般，D/A转换器的转换精 度即为分辨率的大小。
（4）建立时间：输入数字量变化后模拟输出量稳定到相 应数值范围内所需的时间（ts）。
（5）尖峰：输入码发生变化时刻产生的瞬间误差。
分辨率的定义：最小输出电压与最大输出电压 所对应的数字量之比。
将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转 换（Digital to Analog），或称D/A转换。能够完成 这种转换的电路称为数模转换器（ Digital Analog Converter），简称DAC。
模拟信号和数字信号之间的转换过程，如下图 所示。
DAC的基本原理
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换 成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可 得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数 字/模拟转换。
A/D转换器主要方法
1）积分型（如TLC7135）
积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度 信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数 字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺 点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极 低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次 比较型已逐步成为主流。
逐次逼近法的工作原理
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路， 转换的时间为微秒级。
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， 如下图所示。
逐次逼近法的工作原理
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Ｖ i进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。 然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的 数字量送D/A转换器，输出的 Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖ o<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直 至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存 器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。 逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行 的。
A/D转换器主要方法
6）压频变换型（如AD650） 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过 间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入 的模拟信号转换成频率，然 后用计数器将频率转换成 数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增 加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的 累积脉冲个数的宽度。其优点是 分辩率高、功耗低、 价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。
5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩 阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA 转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列， 可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐 次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。
A/D转换器主要方法
3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）
并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行 转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位 的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价 格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间， 最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换 器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半 快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级 （Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD 中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等 功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路 规模比并行 型小。
AD转换器的主要技术指标
5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对 应的输入信号与理想输入信号值之差。
6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理 想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。
权电阻网络DAC（weighted resistance DAC） （1）电路图
上图是一个四位权电阻网络DAC。主要包括四部 分：参考电压源UREF、模拟开关S0～S3、电阻译 码网络、求和运算放大器。
（2）工作原理
设输入一个四位二进制代码D＝d3d2d1d0, S3～ S0为受控制的双向开关。根据图可得，流入求和 运算放大器输入端的电流为：
A/D转换器0809
ADC0809转换器的结构
ADC0809是CMOS集成电路的逐次逼近型 A/D转换器，其精度为8位，双列直插式28引 脚封装。由模拟多路转换器, A/D转换器，三
态输出锁存及地址锁存译码器等组成，见下图。
ADC0809的引脚功能
IN0～IN7：8个输入通道的 模拟量输入端 D0～D7：8位数字量输出端 START:START为启动控制输入端； ALE： ALE为地址锁存控制信号端；
MOV 50H，A MOV A，#00H
MOVX ＠DPTR，A ;启动0809对INT1的转换 RETI
DA转换
DA转换的基本原理
将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换 （Analog to Digital），或称A/D转换。能够完成 这种转换的电路称为模数转换器（Analog Digital Converter），简称ADC。
2n 1 0 2n UREF
D/A转换器性能指标
（1）分辨率：当输入数字发生单位数码变化时，即LSB 位产生一次变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流） 的变化量。
（2）量程和实际满量程：标称满量程（NFS）是指相应 于数字量指标值2n的模拟输出量。但实际数字量最大为 2n-1，要比标称值小一个LSB，因此实际满量程（AFS） 要比标称满量程（NFS）小一个LSB的增量。
AD转换器的主要技术指标
3）量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限 分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶 梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD） 的转移特 性曲线（直线）之间的最大偏差。通 常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表 示为1LSB、1/2LSB。
4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出 信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
2） 转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转 换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的 转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比 较型AD是微秒 级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采 样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为 了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate)必须 小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在 数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 ksps和Msps，表 示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。
这两个信号端可以连接在一起，当通过程序输 入一个正脉冲时，便立即开始模/数转换
EOC，OE ：EOC为转换结束脉冲输出端；OE为输出允 许控制端；这两个信号端可连接在一起，表示模/数转 换结束，EOC端的电平由低变高，打开三态输出锁存 器将转换结果的数字量输出到D0～D7端。
CLOCK ：时钟输入端 VREF（+），VREF（-），VCC，GND A，B，C：8 路模拟开关的三位地址输入端。 地址与输入通道的对应关系如下：
AD转换器的主要技术指标
1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟 信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又 称精度，通常以数字信号的位数来表示。
1而LnS则B是定模义拟为／VR数EF字／转2n换，器定的义分中辨的率VR。EF例是如指，参1考4位电模压拟， ／数字转换器的1 LSB是VREF／16384。
AD转换
A/D转换器原理
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。
2）逐次比较型（如TLC0831、ADC0809）
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较 逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压 与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数 字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功 耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（ >12位）时价格很高。
若输入一个四位二进制代码D＝d3d2d1d0＝1010， 转换成十进制为10，根据上述转换方法，电路的 输出电压为：
u 0 IF R U 2 4 R R （ E 2 3 F 2 1 ） 1 1U 6 0 REF 由此可知，当Dn＝0时，u0＝0；当Dn＝11…11时，
u0 2n2n 1UREF 输入n位二进制代码的取值范围为：
所以，电路的输出电压u0与输入的四位二进制代码 成正比：
K U24RREF
依此类推，n位权电阻网络DAC的求和运算放大 器输入端电流、输出电压表达式分别为：
I 2 U n R 1 R （ E 2 n F 1 d n 1 2 n 2 d n 2 2 1 d 1 2 0 d 0 ）
u 0 IF R U 2 n R R （ E 2 n 1 F d n 1 2 n 2 d n 2 2 1 d 1 2 0 d 0 ）
II3I2I1I0 U R REdF 3U 2R REdF 2U 22 RR EdF 1U 23 RR EdF 0
U 23 R R E （ 2 F 3d322d221d120d0 ）
设反馈电阻RF＝R/2，求出电路输出电压为： u 0 IF R U 2 4 R R （ E 2 3 F d 3 2 2 d 2 2 1 d 1 2 0 d 0 ）
A/D转换器主要方法
4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705） Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤 波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换 成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字 值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做 到高分辨率。主要用于音频和测量。
ABC
000 001
… 111
通道
IN0 IN1 … IN7
MCS-51与ADC0809的硬件连接 ADC0809为多通道A/D转换芯片，适用于多通道的 数据采集。下图为ADC0809与CPU在中断方式下的接 口电路
图中ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，采用线选地址方式。 设ADC0809的口地址为FEFFH，采用中断控制方式，由外部中 断1的服务程序读取转换结果并启动下一次转换。辨率 = 1/（210－1）= 1/1023 = 0.001
反映了D / A转换的灵敏度。
DAC0832的主要参数
0809的初始化程序 INT1：SETB IT1
SETB EA SETB EX1 MOV DPTR，#0FEFFH MOV A，#00H MOVX A,＠DPTR ;启动0809对INT1的转换
其中断服务程序如下： PINT1：MOV DPTR，#0FEFFH
MOVX A，＠DPTR ;读A/D转换结果送50H单 元
（3）精度：D/A转换器的转换精度与D/A转换芯片的结 构和接口配置的电路有关。一般，D/A转换器的转换精 度即为分辨率的大小。
（4）建立时间：输入数字量变化后模拟输出量稳定到相 应数值范围内所需的时间（ts）。
（5）尖峰：输入码发生变化时刻产生的瞬间误差。
分辨率的定义：最小输出电压与最大输出电压 所对应的数字量之比。
将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转 换（Digital to Analog），或称D/A转换。能够完成 这种转换的电路称为数模转换器（ Digital Analog Converter），简称DAC。
模拟信号和数字信号之间的转换过程，如下图 所示。
DAC的基本原理
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换 成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可 得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数 字/模拟转换。
A/D转换器主要方法
1）积分型（如TLC7135）
积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度 信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数 字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺 点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极 低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次 比较型已逐步成为主流。
逐次逼近法的工作原理
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路， 转换的时间为微秒级。
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， 如下图所示。
逐次逼近法的工作原理
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Ｖ i进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。 然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的 数字量送D/A转换器，输出的 Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖ o<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直 至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存 器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。 逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行 的。
A/D转换器主要方法
6）压频变换型（如AD650） 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过 间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入 的模拟信号转换成频率，然 后用计数器将频率转换成 数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增 加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的 累积脉冲个数的宽度。其优点是 分辩率高、功耗低、 价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。
5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩 阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA 转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列， 可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐 次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。
A/D转换器主要方法
3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）
并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行 转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位 的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价 格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间， 最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换 器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半 快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级 （Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD 中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等 功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路 规模比并行 型小。
AD转换器的主要技术指标
5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对 应的输入信号与理想输入信号值之差。
6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理 想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。
权电阻网络DAC（weighted resistance DAC） （1）电路图
上图是一个四位权电阻网络DAC。主要包括四部 分：参考电压源UREF、模拟开关S0～S3、电阻译 码网络、求和运算放大器。
（2）工作原理
设输入一个四位二进制代码D＝d3d2d1d0, S3～ S0为受控制的双向开关。根据图可得，流入求和 运算放大器输入端的电流为：
A/D转换器0809
ADC0809转换器的结构
ADC0809是CMOS集成电路的逐次逼近型 A/D转换器，其精度为8位，双列直插式28引 脚封装。由模拟多路转换器, A/D转换器，三
态输出锁存及地址锁存译码器等组成，见下图。
ADC0809的引脚功能
IN0～IN7：8个输入通道的 模拟量输入端 D0～D7：8位数字量输出端 START:START为启动控制输入端； ALE： ALE为地址锁存控制信号端；
MOV 50H，A MOV A，#00H
MOVX ＠DPTR，A ;启动0809对INT1的转换 RETI
DA转换
DA转换的基本原理
将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换 （Analog to Digital），或称A/D转换。能够完成 这种转换的电路称为模数转换器（Analog Digital Converter），简称ADC。
2n 1 0 2n UREF
D/A转换器性能指标
（1）分辨率：当输入数字发生单位数码变化时，即LSB 位产生一次变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流） 的变化量。
（2）量程和实际满量程：标称满量程（NFS）是指相应 于数字量指标值2n的模拟输出量。但实际数字量最大为 2n-1，要比标称值小一个LSB，因此实际满量程（AFS） 要比标称满量程（NFS）小一个LSB的增量。
AD转换器的主要技术指标
3）量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限 分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶 梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD） 的转移特 性曲线（直线）之间的最大偏差。通 常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表 示为1LSB、1/2LSB。
4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出 信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
2） 转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转 换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的 转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比 较型AD是微秒 级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采 样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为 了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate)必须 小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在 数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 ksps和Msps，表 示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。
这两个信号端可以连接在一起，当通过程序输 入一个正脉冲时，便立即开始模/数转换
EOC，OE ：EOC为转换结束脉冲输出端；OE为输出允 许控制端；这两个信号端可连接在一起，表示模/数转 换结束，EOC端的电平由低变高，打开三态输出锁存 器将转换结果的数字量输出到D0～D7端。
CLOCK ：时钟输入端 VREF（+），VREF（-），VCC，GND A，B，C：8 路模拟开关的三位地址输入端。 地址与输入通道的对应关系如下：
AD转换器的主要技术指标
1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟 信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又 称精度，通常以数字信号的位数来表示。
1而LnS则B是定模义拟为／VR数EF字／转2n换，器定的义分中辨的率VR。EF例是如指，参1考4位电模压拟， ／数字转换器的1 LSB是VREF／16384。