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模数数模转换模数数模转换1你现在浏览的是第一页，共48页主要内容l11-1 11-1 概述概述l11-2 D/A11-2 D/A转换器转换器l11-3 A/D11-3 A/D转换器转换器2你现在浏览的是第二页，共48页11-1 11-1 概述概述p在自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物理量，如：温度、压力、流量、速度、电流、电压等。p这些随时间连续变化的物理量，称为模拟量(Analog)。p计算机参与测量和控制时，模拟量不能直接送入计算机，必须先把它们转换成数字量(Digital)。p能够将模拟量转换成数字量的器件称为模拟数字转换器，简称ADC。p同样，计算机输出的是数字量，不能直接用于使用模拟量的控制执行部件，必须将这些数字且转换成模拟量。p能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字/模拟转换器，简称DAC。p因此，我们常把ADC和DAC器件以及相关电路成为模拟接口电路。3你现在浏览的是第三页，共48页实时控制系统的例子4你现在浏览的是第四页，共48页p传感器传感器：能够：能够把非电物理量转换成电量把非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件；（电流或电压）的器件；p一般传感器由电容、电阻、电感或敏感材料组成；一般传感器由电容、电阻、电感或敏感材料组成；p在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输输出连续变化的电流或电压出连续变化的电流或电压与与非电物理量的变化非电物理量的变化成正比成正比。一、传感器（一、传感器（TransducerTransducer）5你现在浏览的是第五页，共48页二、信号放大处理二、信号放大处理 信号放大处理电路，接在A/D转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：l A/D转换器与传感器二者电压不匹配；l如果是电流型输出传感器，要进行变换与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号；l传感器工作在现场，可能存在复杂的强电磁波的干扰，通常采用RC低通滤波器，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号，也可采用有源滤波技术，使得滤波特性更好。6你现在浏览的是第六页，共48页三、多路转换开关（三、多路转换开关（MultiplexerMultiplexer）l一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多路模拟信号；l 通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制；7你现在浏览的是第七页，共48页多路模拟开关多路模拟开关CD4051CD4051引脚图引脚图逻辑功能图模拟地模拟地负电压负电压正电压正电压8你现在浏览的是第八页，共48页四、四、A/DA/D转换器转换器l模拟信号的采样l模拟信号的量化l采样信号的保持l信号编码9你现在浏览的是第九页，共48页模拟信号的采样模拟信号的采样采样：采样：采样：采样：就是按照就是按照相等的时间间隔相等的时间间隔t从电压信号从电压信号上上截取一个截取一个个离散的电压瞬时值个离散的电压瞬时值，这些值都有精确的大小。，这些值都有精确的大小。采样定理采样定理采样定理采样定理为了使采样得到的数字信号能不失真地恢复原始信为了使采样得到的数字信号能不失真地恢复原始信号的形状，要求采样时号的形状，要求采样时：10你现在浏览的是第十页，共48页采样过程采样过程11你现在浏览的是第十一页，共48页p在A/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路；pA/D转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间；p采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路,；p在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号；p在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。采样信号的保持采样信号的保持12你现在浏览的是第十二页，共48页采样保持的结果采样保持的结果13你现在浏览的是第十三页，共48页模拟信号的量化模拟信号的量化l将将模拟信号电平模拟信号电平分成分成N=2n等分等分，然后，然后看每个采样处于哪个分层看每个采样处于哪个分层之中之中，该分层的起始电平该分层的起始电平就是就是这个采样的数字量这个采样的数字量。l量化单位量化单位：每个分层每个分层所包含的所包含的最大电压值与最小电压值之差最大电压值与最小电压值之差，量化单位越小，精度越高。量化单位越小，精度越高。电压模拟量二进制量化值电压模拟量二进制量化值-5V000000000V10000000-4.961V000000010.039V10000001-4.922V000000100.078V10000010 -0.078V011111104.922V11111100-0.039V011111114.961V11111111例例：被采样的电压值范围-5V +5V，用8位二进制数表示，则：-5V +5V的电压范围将等分为256个等级。在此范围内的任一电压值都将被量化为一个8位二进制数 即：00000000 11111111，10/256=0.039V为一个等级。14你现在浏览的是第十四页，共48页模拟信号的量化模拟信号的量化15你现在浏览的是第十五页，共48页l量化过程：先将一个由参考电压VR设定的满量程（FSR）电压值分成2n等分，然后将采样所得的模拟量与这些分层进行比较，看落在哪些分层范围内，便量化成相应的数字量；l输入模拟量与满量程相比得到的是一个分数，若以满量程为1，则这个比值总是小于1的小数，为此，数据转换中常用二进制小数形式表示数字量，这就是自然二进制码，或称为自然二进制小数码。16你现在浏览的是第十六页，共48页编码编码l二进制码l自然二进制码l双极性二进制码lBCD码lASCII码17你现在浏览的是第十七页，共48页自然二进制码自然二进制码l自然二进制小数码l定点小数编码例：二进制小数0.110101如果用VR表示参考电压10V，即满量程值（FSR），用Vx表示实际模拟电压值，则 18你现在浏览的是第十八页，共48页4位（n=4）二进制小数码的表示19你现在浏览的是第十九页，共48页11-2 D/A转换器转换器lD/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件；l二进制加权电阻网络；lT型电阻网络。20你现在浏览的是第二十页，共48页二进制加权电阻网络二进制加权电阻网络D/A转换器转换器pVR是一个足够精度的参考电压，运算放大器输入端的各支路对应待转换数据的第1位、第2位第n位；p支路中的开关由对应的数位来控制，如果该数位为“1”，则对应的开关闭合，如果该数位为“0”，则对应的开关打开；p各输入支路中的电阻分别为R、2R、4R这些电阻称为权电阻。p4个开关从全部断开到全部闭合，运算放大器可以得到16种不同的电流输入，这就是说，通过电阻网络，可以把00001111转换成大小不同的电流，从而可以在运算放大器的输出端得到大小不同的电压；p如果由数字0000每次增1，一直变化到1111就可以得到一个阶梯波电压。21你现在浏览的是第二十一页，共48页p用二进制数字控制开关的通断，就可产生相应的输出电压信号。22你现在浏览的是第二十二页，共48页T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器2R2R2R2R RVoutRRRR23你现在浏览的是第二十三页，共48页数数/模转换器的主要性能指标模转换器的主要性能指标l输入数字量l输入数字量采用的编码l输出模拟量l输出模拟量l分辨率l是指输入数据发生1LSB的变化时所对应的输出模拟量的变化；l一般简单地用它们的位数来表示分辨率。D为数字量输入 ；V2DVRno-=24你现在浏览的是第二十四页，共48页数数/模转换器的主要性能指标模转换器的主要性能指标l精度（Accuracy）l实际输出值与理想输出值之间偏差的百分比l线性误差（Linearity Error）l最大偏差与满量程的百分比l一般不应大于1/2LSBl建立时间（Setting Time）l数字量输入到建立稳定的输出电流的时间lDAC的模拟输出稳定到最终值1/2LSB时所需的时间25你现在浏览的是第二十五页，共48页几种数/模转换器1.AD75242.DAC08323.DAC121026你现在浏览的是第二十六页，共48页 DAC0832是美国国家半导体公司生产的是美国国家半导体公司生产的8位位D/A芯片，共有芯片，共有20个个引脚。引脚。ILE：输入寄存器的允许信号输入寄存器的允许信号，高电平有效。高电平有效。ILE信号和信号和CS、WRWRl l共同控制选通输入寄存器。当共同控制选通输入寄存器。当CS、WRl均为低电平，而均为低电平，而ILE为高为高电平时，输入数据立即被送至电平时，输入数据立即被送至8位输入寄存器的输出端，当上述位输入寄存器的输出端，当上述三个控制信号中任一个无效时，三个控制信号中任一个无效时，输入寄存器将数据锁存，输出端输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。呈保持状态。DAC083227你现在浏览的是第二十七页，共48页DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFERM3M1LE2LE18位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换电路转换电路VrefIout2Iout1RfbAGNDDGNDVcc1314151645671918171120101282139DAC0832M228你现在浏览的是第二十八页，共48页 D7D0：8位数据输入端位数据输入端。ILE：输入寄存器允许信号输入寄存器允许信号，输入，高电平有效。输入，高电平有效。CS：片选信号片选信号，输入，低电平有效。，输入，低电平有效。WR1 ：输入寄存器写信号输入寄存器写信号，输入，低电平有效。，输入，低电平有效。由由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生输入寄存器控制信号的逻辑组合产生输入寄存器控制信号LE1。当当LE1为低电平时，输入寄存器内容随数据线变化，为低电平时，输入寄存器内容随数据线变化，LE1 的正跳变将输入数据锁存。的正跳变将输入数据锁存。XFER：数据传送信号数据传送信号，输入，输入，低电平有效。低电平有效。WR2：DAC寄存器的写信号寄存器的写信号，输入，输入，低电平有效。低电平有效。由由XFER、WR2 组成组成DAC寄存器的控制信号寄存器的控制信号LE2。LE2 的正跳变的正跳变将输入数据锁存到将输入数据锁存到DAC寄存器。寄存器。29你现在浏览的是第二十九页，共48页IOUTl：电流输出电流输出1。当。当DAC寄存器中全为寄存器中全为“1”时，输出电流最时，输出电流最大，当大，当DAC寄存器中全为寄存器中全为“0”时，输出电流最小。时，输出电流最小。IOUT2：电流输出电流输出2。它与。它与lOUTl的关系是：的关系是：IOUTI+IOUT2=常数常数Rfb：内部反馈电阻内部反馈电阻引脚，该电阻在芯片内，引脚，该电阻在芯片内，Rfb端可以直接接到外端可以直接接到外部运算放大器的输出端。这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放部运算放大器的输出端。这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端。大器的输入端和输出端。VREF：参考电压输入端参考电压输入端，可接正电压，也可接负电压，范围，可接正电压，也可接负电压，范围为为-10V+10V。Vcc：芯片：芯片电源电源。+5V+15V，典型值为，典型值为+15V。AGND：模拟地模拟地。芯片模拟信号接地点。芯片模拟信号接地点。DGND：数字地数字地。芯片数字信号接地点。芯片数字信号接地点。30你现在浏览的是第三十页，共48页l直通工作方式直通工作方式：两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，：两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。只要数字量送到数据输入端，就立即进入两个寄存器都开通。只要数字量送到数据输入端，就立即进入D/A转换器进行转换。这种方式应用较少。转换器进行转换。这种方式应用较少。l单缓冲工作方式单缓冲工作方式：只有一个寄存器受到控制。这时将另一个：只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通；寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通；或者将或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。用。DAC0832的的3种工作方式种工作方式31你现在浏览的是第三十一页，共48页l双缓冲工作方式双缓冲工作方式：两个寄存器分别受到控制。：两个寄存器分别受到控制。：两个寄存器分别受到控制。：两个寄存器分别受到控制。l l当当当当ILEILE、和和和和 信信信信号号号号均均均均有有有有效效效效时时时时，8 8位位位位数数数数字字字字量量量量被被被被写写写写入入入入输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器，此时并不进行此时并不进行此时并不进行此时并不进行D/AD/A转换。转换。转换。转换。l l当当当当 和和和和 信信信信号号号号均均均均有有有有效效效效时时时时，原原原原来来来来存存存存在在在在输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器中中中中的的的的数数数数据被写入据被写入据被写入据被写入DACDAC寄存器，并进入寄存器，并进入寄存器，并进入寄存器，并进入D/AD/A转换器后进行转换器后进行转换器后进行转换器后进行D/AD/A转换。转换。转换。转换。l l在在在在一一一一次次次次转转转转换换换换完完完完成成成成后后后后到到到到下下下下一一一一次次次次转转转转换换换换开开开开始始始始之之之之前前前前，由由由由于于于于寄寄寄寄存存存存器器器器的的的的锁锁锁锁存存存存作作作作用用用用，8 8位位位位D/AD/A转转转转换换换换器器器器的的的的输输输输入入入入数数数数据据据据保保保保持持持持恒恒恒恒定定定定，因因因因此此此此D/AD/A转转转转换换换换的的的的输输输输出出出出也也也也保保保保持持持持恒定。恒定。恒定。恒定。l l在在在在双双双双缓缓缓缓冲冲冲冲工工工工作作作作方方方方式式式式下下下下，利利利利用用用用输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器暂暂暂暂存存存存数数数数据据据据，给给给给使使使使用用用用带带带带来来来来方方方方便便便便，可以实现多路数字量的同步转换输出。可以实现多路数字量的同步转换输出。可以实现多路数字量的同步转换输出。可以实现多路数字量的同步转换输出。32你现在浏览的是第三十二页，共48页DAC0832与微机连接图把一个数据经两次锁存，通过把一个数据经两次锁存，通过DAC0832输出输出MOV DX,320H;指向输入寄存器MOVAL,DATA;DATA为被转换的数据OUTDX,AL;数据打入输入寄存器INCDX;指向DAC寄存器OUTDX,AL;选通DAC寄存器,启动D/A转换器33你现在浏览的是第三十三页，共48页用DAC0832构成的3路DAC系统34你现在浏览的是第三十四页，共48页11-3 A/D转换转换模数转换器原理（十几种）l计数法l逐次逼近l速度快l分辨率高l双斜积分法l并行转换法35你现在浏览的是第三十五页，共48页例例 天平称量与天平称量与A/D转换转换36你现在浏览的是第三十六页，共48页逐次逼近逐次逼近A/D转换器原理转换器原理p它由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器A、缓冲器等组成；pSAR中包含一个移位寄存器、一个数据寄存器及决定去/留码的逻辑电路等几部分，它们在时钟脉冲CLK的作用下有次序地进行操作；pD/A转换器用来形成电子砝码，送到比较器A的反向输入端，比较器相当于天平的杠杆和指针，它对从同向输入端输入的模拟电压Vi和从反向输入端输入的电子砝码进行比较，如果Vi大于所加的砝码，则输出为1，SAR中的去/留码逻辑决定保留这个砝码，否则就去除这个砝码。37你现在浏览的是第三十七页，共48页38你现在浏览的是第三十八页，共48页典型的模/数转换器lADC0809逐次逼近式8bit/8路lAD574A12bit逐次逼近式39你现在浏览的是第三十九页，共48页p ADC0809允许允许8路模拟信号输入，由路模拟信号输入，由8路模拟开关选通其中一路信号，路模拟开关选通其中一路信号，当地当地址锁存信号址锁存信号ALE有效时，有效时，3位地址位地址CBA进入地址锁存器，经译码后使进入地址锁存器，经译码后使8路模拟开路模拟开关选通某一路信号。关选通某一路信号。p 8位位A/D转换器为逐次逼近式，由转换器为逐次逼近式，由256R电阻分压器电阻分压器、树状模拟开关树状模拟开关（这两部分（这两部分组成一个组成一个D/A变换器）、变换器）、电压比较器电压比较器、逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器、逻辑控制逻辑控制和和定时电路定时电路组组成。成。p其基本其基本工作原理工作原理是是采用对分搜索方法逐次比较采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的找出最逼近于输入模拟量的数字量数字量。p电阻分压器需外接正负基准电源电阻分压器需外接正负基准电源VREF（+）和）和VREF（-）。）。pCLOCK端外接时钟信号。端外接时钟信号。pA/D转换器的启动由转换器的启动由START信号控制。信号控制。p转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号EOC。ADC080940你现在浏览的是第四十页，共48页ADC0809ADC0809的内部结构的内部结构逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器树状开关树状开关IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDA ADDB ADDC ALESTARTCLOCK6 1011 13 12Vcc GND Vref(+)Vref(-)OEEOC(MSB)VinVst159726272812345三三态态输输出出锁锁存存器器2120191881514172-12-22-32-42-52-62-72-825 24 23 22八八路路模模拟拟开开关关控制电路控制电路比较器比较器地址锁存地址锁存与译码器与译码器256电阻阶梯电阻阶梯41你现在浏览的是第四十一页，共48页 引脚功能引脚功能 p IN0IN7：8路模拟输入端。路模拟输入端。p C、B和和A：通道号选择输入端通道号选择输入端。p ALE：地地址址锁锁存存器器允允许许信信号号输输入入端端。当当它它为为高高电电平平时时，地地址址信信号号进进入入地址锁存器中。地址锁存器中。p CLOCK：外部时钟输入端外部时钟输入端。p START：A/D转转换换信信号号输输入入端端。有有效效信信号号为为一一正正脉脉冲冲。在在脉脉冲冲上上升升沿沿，A/D转转换换器器内内部部寄寄存存器器均均被被清清零零，在在其其下降沿开始下降沿开始A/D转换。转换。42你现在浏览的是第四十二页，共48页p p EOC：A/D转转换换结结束束信信号号。在在START信信号号上上升升沿沿之之后后0到到（2 s8个个时时钟钟周周期期）时时间间内内，EOC变变为为低低电电平平。当当A/D转转换换结结束束后后，EOC立立即即输输出出一一正正阶阶跃跃信信号号，可可用用来来作作为为A/D 转转换换结结束束的查询信号或中断请求信号。的查询信号或中断请求信号。p OE：输输出出允允许许信信号号。当当OE输输入入高高电电平平信信号号时时，三三态态输输出出锁锁存器将存器将A/D转换结果输出。转换结果输出。p D0D7：数数字字量量输输出出端端。D0为为最最低低有有效效位位（LSB），D7为为最最高有效位（高有效位（MSB）。）。p REF（+）、REF（-）：正正负负基基准准电电压压输输入入端端。基基准准电电压压的的中中心心值值为为 （应应接接近近于于 ），其其偏偏差差值值不不应应超过超过0.1 V。正负基准电压的典型值分别为正负基准电压的典型值分别为+5 V和和0 V。43你现在浏览的是第四十三页，共48页工作过程工作过程p选择当前转换的通道，即将通道号编码送到C、B和A引脚上；p在START和ALE引脚上加一个正脉冲，将通道选择码锁存并启动A/D转换；p转换开始后，EOC变低，经过64个时钟周期后，转换结束，EOC变高；p转换结束后，可通过执行IN指令，设法在OE引脚上形成一个高电平脉冲，打开输出缓冲器的三态门，让转换后的数字量出现在数据总线上，并被读入累加器中。44你现在浏览的是第四十四页，共48页ADC0809时序图时序图45你现在浏览的是第四十五页，共48页用用ADC0809构成的多路数据采集系统构成的多路数据采集系统46你现在浏览的是第四十六页，共48页用用8255A控制控制ADC0809lA/D数据通过并行接口输入l8255A的PA口l控制信号通过并行口发送l8255A的PC口l选择模拟信号l启动A/D转换l转换状态47你现在浏览的是第四十七页，共48页用用8255A控制控制ADC0809AD_SUB PROC NEAR MOV CX，8 ；CX做数据计数器CLD ；清方向标志MOV BL，00H ；初始化模拟通道号LEA DI，DATA_BUF；缓冲区偏移地址48你现在浏览的是第四十八页，共48页