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1、1,第7章 数/模与模/数转换,7.1 数/模（D/A）转换 7.2 模/数（A/D）转换 7.3 典型A/D转换器芯片 7.4 数据采集系统,2,数字量（Digit）和模拟量（Analog）,数字量：从键盘读入的字符代码，送往磁盘存储的文 件信息等。 模拟量：语音信号，送往VGA显示器的视频信号，以 及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随 着时间连续变化。 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
2、重要技术。,3,图7-1,模拟量输入输出通道,4,1 传感器（变送器）,把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、流量 等）转换成电流或电压信号。,2 A/D转换器（Analog Digit Converter, ADC）,将电压表示的模拟量转换成数字量，送计算机处理， 它是输入通道的核心环节。 AD转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围： 单极性05V、010V、020V; 双极性2.5V、5V、10V等。,5,3 信号处理,传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大，获得ADC 所要求的输入电平范围。 安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的 影响，需要加接滤波电路，滤去干扰信号。,4
3、 多路开关（Multiplexer）,需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路 模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用 一个ADC进行A/D转换。,6,5 采样/保持器（Sample Holder）,如果在一次转换期间，输入的模拟量有较大的变化， 那么转换得到的结果会产生误差，甚至发生错误。 A/D转换期间保持输入信号不变的电路称为采样/保持 电路。 转换开始之前，采样/保持电路采集输入信号（采样） 转换进行过程中，它向A/D转换器保持固定的输出 （保持）。,6 D/A转换器（Digit Analog Converter, DAC）:,D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。
4、,7,7.1 数/模（D/A）转换,7.1.1 数/模转换原理 7.1.2 D/A转换芯片DAC0832,8,图7-2,1. 权电阻D/A,9,2. R-2R T型电阻网络D/A转换器,10,D/A转换器进行一次数字量到模拟量的转换需要的时间， 称为D/A转换时间，一般在500ns(纳秒, 1ns=10-9s)左右。 为了保存由计算机送来的数字信号，通常还需要配置一 个“数据寄存器”，向D/A 转换器提供稳定的数字信号。,11,7.1.2 D/A转换芯片DAC0832,12,1 DAC0832的引脚信号,DI0DI7：8位数字量输入。 ILE：数据锁存允许信号，高电平有效； CS#：输入寄存器
5、选择信号，低电平有效； WR1#：输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 输入寄存器的锁存信号LE1#=(CS#+WR1#)#ILE。 LE1=0，输入锁存器状态随数据输入状态变化； LE1=1 时，锁存输入数据。,13,XFER#：数据转移控制信号，低电平有效； WR2#：DAC寄存器的“写”选通信号。 DAC寄存器的锁存信号LE2#=WR2#+XREF#。 LE2# =1时，DAC寄存器的输出跟随输入变化； LE2# =0时，锁存输入寄存器状态。 VREF：基准电压输入。（10V10V）,DAC0832的引脚信号,14,该器件有两个内部寄存器，要转换的数据先送到输入锁存器，但不进行转换。
6、只有数据送到DAC寄存器时才能开始转换，因而称为双缓冲。ILE、CS和WR13个信号组合控制第一级缓冲器的锁存。当ILE为高电平，并且CPU执行OUT指令时，CS和WR1同时为低电平，使得输入锁存器的使能端LE1为高电平，此时锁存器的输出随输入变化；当CPU写操作完毕时，CS和WR1都变成高电平，使得LE1为低电平，此时，数据锁存在输入锁存器中，实现第一级缓冲。同理，当WR1和WR2同时为低电平时，LE2为高电平，第一级缓冲器的数据送到DAC寄存器；当XFER和WR2中任意一个信号变为高电平时，这个数据被锁存在DAC寄存器中，实现第二级缓冲，并开始转换。,15,Rfb：反馈信号输入，芯片内已连
7、接有反馈电阻。 IOUT1和IOUT2：电流输出引脚。IOUT1与IOUT2 的和为常数，IOUT1随DAC寄存器的内容线性变化。 Vcc是工作电源；DGND是数字地，AGND为模拟 信号地。,DAC0832的引脚信号,16,为了保证转换精度，模拟信号部分应使用高精度基 准电源VREF和独立的地线。 为了避免数字信号对模拟信号的干扰，提高输出的 稳定性，减少误差，应把数字地和模拟地分开： 模拟地：模拟信号及基准电源的参考地； 数字地：工作电源地，数据、地址、控制等数字 信号逻辑地。 D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信 号经放大后才能驱动执行机构的部件。,DAC0832的引脚信号,1
8、7,图7-5,DAC0832的连接,18,2. DAC0832的应用,直通输入：把CS#, WR1# , WR2#, XREF#都接地，由 微机的并口（例如8255）向0832输出。 单缓冲：地址选通PORT0连接CS#。I/O写信号IOW#同 时连接到WR1#、WR2#和XREF#。执行一次输出指令可 以将数据写入。 双缓冲方式： 在输出一个模拟信号的同时，可送入下一个数据，实现 多个DAC同时输出新的模拟量。 DAC0832占用两个端口地址，地址线A0=0时选中第一级，A0=1时选中第二级。 输出一个数据需要执行两条输出指令： 第一条指令将数据写入0832的输入寄存器； 第二条指令将数据从
9、输入寄存器送入DAC寄存器,19,单缓冲方式。如果应用系统中只有一路D/A转换，或虽然是多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲方式。所谓单缓冲方式，就是使DAC0830的输入锁存器和DAC寄存器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。一般将WR2和XFER接地，使DAC寄存器处于直通状态，ILE接+5 V，WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址译码器的输出，以便为输入锁存器确定地址。在这种方式下，数据只要一写入DAC芯片，就立即进行D/A转换，省去了一条输出指令。执行下面几条指令就能完成一次D/A转换： MOV DX，200H ；DAC0830的地址为200H OUT DX，AL ；
10、AL中数据送DAC寄存器,20,双缓冲方式。所谓双缓冲方式，就是把DAC0830的输入锁存器和DAC寄存器都接成受控锁存方式。这种方式适用于多路D/A同时进行转换的系统。因为各芯片的片选信号不同，可由每片的片选信号CS与WR1分时地将数据输入到每片的输入锁存器中，每片的ILE固定为+5 V，XFER与WR2分别连在一起，作为公共控制信号。数据写入时，首先将待转换的数字信号写到8位输入锁存器，当WR1与WR2同时为低电平时，数据将在同一时刻由各个输入锁存器将数据传送到对应的DAC寄存器并锁存在各自的DAC寄存器中，使多个DAC0830芯片同时开始转换，实现多点控制。双缓冲方式的优点是，在进行D/
11、A转换的同时，可接收下一个转换数据，从而提高了转换速度。,21,设输入锁存器的地址为200H，DAC寄存器的地址为201H，则完成一次D/A转换的参考程序片段如下： MOV DX，200H ；送输入锁存器地址 OUT DX，AL ；AL中的数据送输入锁存器 MOV DX，201H ；送DAC寄存器地址 OUT DX，AL ；数据写入DAC寄存器并转换 最后一条指令，表面上看来是把AL中的数据送DAC寄存器，实际上这种数据传送并不真正进行，该指令只起到打开DAC寄存器使输入锁存器中的数据通过的作用。,22,图7-5,DAC0832的应用,23,MOV AL , NUM ；被转换的数据送AL MO
12、V DX, PORT0 ；输入寄存器偶地址送DX OUT DX, AL ；数据送到输入寄存器 INC DX ；A0=1 OUT DX, AL ；数据送入DAC寄存器,双缓冲方式输出程序,24,输出锯齿波的程序段,MOV AL, 0 J1： CALL OUTPUT ；输出当前值 INC AL ；产生下一个输出值 JMP J1,25,输出三角波的程序段,S0： MOV AL， 0 ; AL中置初值0， S1: CALL OUTPUT ；输出三角波的上升段 INC AL JNZ S1 DEC AL S1： CALL OUTPUT ；输出三角波的下降段 DEC AL ；产生下降段下一个值 JNZ S2
13、 ； JMP S1 ；下降段结束， ; 输出下一个三角波,26,OUTPUT PROC NEAR MOV DX, PORT0 ；DAC0832端口地址 OUT DX, AL INC DX OUT DX, AL ; PUSH AX MOV AX, N ；延时的时间常数 WT: DEC AX JNZ WT ；延时 POP AX RET OUTPUT ENDP,子程序“OUTPUT”,27,7.2 A/D 转换,7.2.1 信号变换中的采样、量化和编码 7.2.2 A/D 转换原理 7.2.3 A/D转换器的主要技术指标,28,7.2.1 信号变换中的采样、量化和编码,1. 采样,采样：模拟信号的大
14、小随着时间不断地变化，A/D转换实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。 采样保持：对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值。 采样定理：采样频率要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍。实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的48倍。,29,2. 量化,量化是把采样值取整为最小单位的整数倍。 量化的最小单位称为量化单位，它等于输入 信号的最大值/数字量的最大值，对应于数字量1。 输入信号的最大值一般等于所使用的“参考电压(VREF )”,30,31,图7-7,32,3. 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
15、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） 。,33,7.2.2 A/D 转换原理,这种方式的转换中有两个积分时间： T0：用模拟输入电压对电容积分（充电）的时间 这个时间是固定的； T1：以电容充电后的电压为初值，对参考电源 VRef反向积分，也就是积分电容被放电至 零所需的时间（或T2）。,1. 双积分型A/D转换器,34,图7-8,双积分型A/D转换器,35,Vi/VRef = T1/T0。 由于VRef 、T0固定，通过测量放电时间T1，可求出
16、输入模拟电压Vi的大小。 双积分型A/D转换测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好。 双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，但是转换速度比较慢，通常为ms级，一般用于低频信号的测量。,双积分型A/D转换器,36,图7-9,2. 逐次逼近式A/D转换器,37,逐次逼近式A/D转换器的特点,（1） 转换速度较快，转换时间在1100s以内， 分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号 的A/D转换； （2） 转换时间固定，不随输入信号的大小而变化； （3） 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。,
