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1、第十一章 A/D、D/A转换器11.1 概述随着微机的发展，其应用越来越广泛。目前微机不仅应用于 生产管理、办公室自动化、数据处理、通信、网络等方面，已愈 来愈多地进行实时控制和实时数据处理，即用于控制和检测生产 过程中的各种参数，已达到控制整个生产过程的目的。生产过程中的各种参数大部分是连续变化的模拟量，需要转 换成离散的数字量（ 通过A/D转换 ）才能输入到计算机进行处 理；而计算机处理后的数据为数字量，需经过D/A转换变成模拟 量输出，从而实现对被控对象的控制。A/D 、D/A转换器是计算机与外界联系的重要接口。计算机控制系统方框图如下：传 感 器被 控 对 象滤波 放大多路转 换开关A
2、/D计 算 机 系 统D/A功 放模拟 开关执行 机构11.2 数/模（ D/A ）转换器（P391）定义：数字模拟转换。把数字信号转换为模拟信号输出的器件 称为数/模转换器（简称D/A转换器）。 11.2.1 D/A转换器的原理按转换原理，可将D/A转换器分为： 1权电阻网络D/A转换器 组成：权电阻解码网络、基准源VR、模拟开关、运放。ai=0，开关打向左边，电阻接地； ai=1，开关打向右边，电阻接 VR，经过运算可得：特点：V0与VR极性相反，RF可调整输出电压V0的范围，制造工艺 简单。2T型权电阻网络D/A转换器 组成：T型权电阻解码网络、基准源VR、模拟开关、运放。从各节点向右看
3、和向下看的等效电阻都是2R，经向右和向下的电流一样，经计算可得：特点：同权电阻网络D/A转换器。 3. 开关树型D/A转换器组成：分压器、树状排列的模拟开关、运放。见下页图特点：运放接成跟随器，既保证输出电压极性，又可减小负载对转换特性的影响。4. 集成化D/A转换器分类：双极型和CMOS型电阻网络：离子注入或扩散电阻条、薄膜电阻离子注入或扩散电阻条：价廉物美，但精度不高；薄膜电阻：高精度。特点：双极型：转换速度快，适合于高速转换的场合。CMOS型：优点是制造容易、造价低；缺点是转换速度较慢。11.2.2 D/A转换器的性能指标（P393） 1. 分辨率单位数字量（最低位LSB）所对应模拟量增
4、量。即相邻两个二进制码对应的输出电压之差。它确定了D/A产生的最小模拟量变化，也可用最低位LSB表 示。如，n位D/A转换器的分辨率为1/2n 。 2. 精度转换器的实际输出与理论值之差。可分为绝对精度和相对精度。绝对精度（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理 想输出值之差。一般小于1/2 LSB。它是由D/A的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合引起的。相对精度指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出 与它的理论值之差。 精度的表示方法：以满量程VFS的百分数或最低有效位（ LSB ） 的分数形式表示。如：精度为0.1，
5、则最大误差为VFS 0.1 ，若VFS =10V，则误差为10mV。n位DAC（D/A转换器芯片）的精度为 ，则最大误差为 。 3. 线性误差D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差 的，这个偏差就是D/A的线性误差。即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个 LSB所对应的模拟值之差。 表示方法：以LSB的分数形式表示。如：4. D/A转换器的温度系数D/A转换器受温度变化的影响。是指在规定的温度范围内 ，温度变化1时，各误差参数的变化量。分温度系数和增益温度系数。 5. 转换时间TS（建立时间）D/A转换器输入的数
6、字量发生变化后，其输出模拟量达到稳定相应值所需要的时间。超高速： TS 100ns 高速： TS ： 100ns 10s 中速： TS ： 10s 100s 低速： TS 100s 6. 电源抑制比满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。 7. 馈送误差非输入信号通过器件内部电路耦合到D/A输出端造成的输出误差。11.2.3 D/A芯片及其与CPU接口 （P394） 由于使用的情况不同，DAC的位数、精度及价格要求不同。美国AD公司、Motorola公司、半导体公司NS 、无线电公司RCA等均生产D/A转换器。 D/A转换器的位数由8位、10位、12位、16位等。D/A转换器能否与C
7、PU的外部数据总线连接，取决于D/A芯片内部是否有输入锁存器。1. 不带数据输入锁存器的D/A与CPU的连接需要在CPU与D/A之间的数据通道上加锁存器（如：74LS373、74LS273），以保证数据传输的正确性。这类D/A有：AD7520、AD7521、DAC0808等。2. 带数据输入锁存器的D/A与CPU的连接由于D/A芯片内部已设计了输入锁存器，所以可将D/A的数 据总线与CPU的外部数据总线直接相连。这类D/A有：AD7524、 DAC0832等。3. D/A的输入与输出的关系D/A的输入与输出呈比例关系。如：8位（输出为0 5V），比例系数为：12位（输出为-5V 5V），比例系
8、数为：11.2.4 典型的8位D/A芯片DAC08321. 性能指标8位DAC，CMOS器件，数据线与TTL兼容；电流输出，单极性；单电源 +5V +15V；转换速度： 1s，参考电压： -10V +10V；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入三种方式工作；二级数据锁存（第一级为输入锁存）；低功耗200mW。20脚双列直插式封装（DIP封装）。2. 内部结构及引脚引脚：D7 D0：8位数据输入端；ILE：允许输入数据锁存信号，高电平有效；CS：片选，低电平有效，它和ILE信号一起来决定WR1是否起作 用；WR1：输入寄存器的写选通信号，必须和CS 、ILE同时有效；XFER：传送控制信号，用来控制W
9、R2 ；WR2 ：DAC寄存器的写选通信号，必须和XFER同时有效；IOUT1：D/A转换器输出电流端之一。DAC锁存的数据位为“1”的 位电流均流出此端（为1的各位全电流的输出端）；当DAC锁存 器各位全1时，此输出电流最大，全0时输出为0；IOUT2 ：D/A转换器输出电流端之二。与IOUT1是互补关系；RFB：内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相接，芯片内 部已提供一个反馈电阻，约15K；VREF：基准电压源输入端，此端可以接正电压，也可接负电压 ，供电阻网络用；范围为-10V +10V ；VCC：芯片供电电源引入端，范围，最佳工作状态为+15V ；AGND：模拟信号地，即模拟电路接地
10、端；DGND：数字量地。注：有两级锁存。LE1 -输入锁存器控制端LE2- DAC锁存器控制端LE1、 LE2=1时，相应的锁存器的输出随输入变化。LE1、 LE2=0时，相应的锁存器的输出不随输入变化。3. DAC0832的三种工作方式（1）直通工作方式当CS有效时，输入数据通过输入锁存器、DAC锁存器直通 D/A转换就输出。 要求ILE、WR1、WR2、XFER始终有效。（2）单缓冲工作方式输入数据通过输入锁存器锁存， DAC锁存器为直通。当CS、 WR1有效时， D/A转换就输出。要求ILE、WR2、XFER始终有效。（3）双缓冲工作方式输入数据通过输入锁存器、 DAC锁存器两级锁存。只
11、有当 CS 、WR1、WR2、XFER有效时，D/A转换才输出。5. DAC0832与CPU的接口（1）单缓冲方式（2）双缓冲方式6. DAC的应用 （1）实现D/A转换程序：单缓冲方式下：MOV AL，欲转换的数值MOV DX， D/A的口地址OUT DX，AL（2）可实现函数发生器输出方波（设D/A的口地址为300H）MOV DX，300HS0：MOV CX，0FFHMOV AL，00HS1：OUT DX，ALLOOP S1MOV CX，0FFHMOV AL，0FFHS2：OUT DX，ALLOOP S2JMP S0HLT注： 频率由CX控制输出梯形波（设D/A的口地址为300H）MOV
12、DX，300HMOV CX，0FFHMOV AL，00HT1：OUT DX，ALLOOP T1MOV CX，0FFHT2：INC ALOUT DX，ALLOOP T2MOV AL，0FFHMOV CX，0FFHT3：OUT DX，ALLOOP T3MOV CX，0FFHT2：DEC ALOUT DX，ALLOOP T4JMP T1HLT输出三角波（设D/A的口地址为300H）MOV DX，300HR0：MOV CX，0FFHMOV AL，00HR1：OUT DX，ALINC ALLOOP T1MOV CX，0FFHR2：DEC ALOUT DX，ALLOOP T2JMP R0HLT输出锯齿波（
13、设D/A的口地址为300H）MOV DX，300H MOV AL，00HST0：MOV CX，0FFHST1：INC ALOUT DX，ALLOOP ST1JMP ST0HLT11.3 模/数（ A / D ）转换器（P401） 定义：模拟数字转换。把模拟信号转换为数字信号输出的器件 称为模/数转换器（简称A / D转换器）。 11.3.1 采样与量化（P386）我们经常遇到的物理参数，如电流、电压、温度、压力、速 度电量或非电量都是模拟量。模拟量的大小是连续分布的， 且经常也是时间上的连续函数。因此要将模拟量转换成数字信号 需经采样 量化 编码三个基本过程（数字化过程）。1. 采样在连续变化
14、的模拟量上按一定的规律（周期地）取出其中的 某一些瞬时值来代表这个连续的模拟量，这个过程就是采样。采 样的理论基础是采样定理。采样是通过采样保持电路实现的。采样值在时间上是离散的值，但在幅度上仍然是连续模拟 量。2.采样定理：对信号采样时，采样频率必须大于或等于信号最 高频率的两倍。 采样时必须遵守采样定理，以保证一个数据采样两次以上。3. 量化采样点上采得的信号值反映到数字量所表示的状态上的过程 叫量化。在幅值上用离散值来表示。方法是用一个量化因子Q去 度量；u0、u1、，便得到整量化的数字量。u0=2.0Q 2Q 010u1=4.0Q 4Q 100u2=5.2Q 5Q 101u3=5.8Q
15、 5Q 1014. 量化误差所有落后于某一量化层（对应一个量化输出）的样本都取一 个量化值，必然存在误差，称为量化误差。通常，A/D采用均匀量化，即每一量化层的输出都取该量化 层的中值。5. 编码将整量化后的数字量进行编码，以便微机读入和识别；编码仅是对数字量的一种处理方法。 例如：Q=0.5V/格，设用三位（二进编码） u0=2.4Q 2Q （ 010 ）Q6. A/D转换将采样保持电路锁存的模拟信号转换成数字信号的器件。11.3.2 A / D转换器的原理（P401）按转换方式可分为：直接转换、间接转换。按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。按转换速度可分为：低速、中速、高速。 按转换精度和分辨率可分为：3位、4位、8位、10位、12位、14 位、16位等等。按转换原理：可将A / D转换器分为：1. 计数式A/D转换器用计数器的数字输出D经D/A转换后的模拟输出电压V0与输 入模拟电压Vi比较。启动时， D =0，V0 =0，则Vi V0 ，比较 器输出1，控制计数器+1， D =1，V0 0，再进行比较，若Vi V0 ，则循环上述过
