第 7 章 数 /模、模 /数转换接口教 案作者：李芷
2003.5.10
《微机原理与接口技术》
第 7章 数 /模、模 /数转换接口数 /模 (D/A)转换器 (DAC,Digital to Analog Converter)
和模 / 数 ( A/D) 转 换 器 ( ADC,Analog to Digital
Converter) 是微机实时测量 /控制系统中不可缺少的模拟量 I/O通道 。
7.1 数 /模（ D/A） 转换
7.2 模 /数 （ A/D） 转换
7.3 数 /模,模 /数通道设计
7.1 数 /模（ D/A） 转换
7.1.1 D/A转换原理
7.1.2 D/A转换器性能参数
7.1.3 DAC0832及其接口电路
7.1.1 D/A转换原理
◆ D/A转换器是把数字量转换为对应成比例的电流或电压信号的接口。
◆ D/A转换器是将数字量每一位的代码按照位权转换为对应的模拟量值，再把它们相加，求和得到的便是与数字量对应的模拟量值。
◆在 D/A转换电路中，数字量输入作为电子开关的控制电平，使所有电子开关和电阻网络一起工作，在以基准电压为参照下得到输出用二进制加权合成的模拟电流，再利用外接运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。
数字量输入 ┇ ┇电子开关电阻网络基准电压
-+
电流输出电压输出RF
运算放大器
7.1.1 D/A转换原理
1,运算放大器
◆ 运算放大器有三个特点：
⑴ 开环放大倍数非常高,一般为几千,甚至可高达十万 。 在正常情况下,运算放大器所需要的输入电压非常小 。
⑵ 输入阻抗非常大 。 运算放大器工作时,输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上,所需要的输入电流也极小 。
⑶ 输出阻抗很小 。 所以,它的驱动能力非常大 。
◆ D/A转换中运算放大器的工作原理：
运算放大器的同相端 （ +） 接地,反相端 （ -） 作为输入端 。 由于输入电压十分小,输入点电位和地电位差不多,可以认为近似短路；而输入电流也非常小,这说明并不是真正和地短路 。 把这种输入电压近似为 0，
输入电流也近似为 0的特殊情况称为,虚地,。
运算放大器的输入端和输出端之间有一个反馈电阻 RF,由于运算放大器的输入点为虚地,而且输入阻抗极大,可以认为,流入运算放大器的电流几乎全部流过 RF,而 RF一端为输出端,一端为虚地 。 在 RF上的电压降,也就是 运算放大器的输出电压 VO = - IRF。
7.1.1 D/A转换原理
2,采用 T型电阻网络的 D/A转换器
A B C D
2R R R R
2R 2R 2R2R
VREF
S0
-
+
20
RF
VO
21 22 23
S1 S2 S3
◆ 采用 T型电阻网络的 DAC只需要 R和 2R两种电阻,由于结构简单,转换速度快,精度高,误差小等优点特别受到青睐 。
◆ 输出模拟量 Vo与 n位输入数字量之间关系的一般表达式为：
VO = -VREF RF∕(2nR) (Dn-12n-1+ Dn-22n-2+ +D121+D020) ( Di=1或 0 )
◆采用 T型电阻网络的结构以 4位 D/A转换器为例：
7.1.2 D/A转换器性能参数
◆ 分辨率分辨率是指最小输出电压 （ 输入数字量增 1所引起的输出电压增量 ） 和最大输出电压之比,表示 DAC所能分辩的最小模拟信号的能力 。 对于一个 n
位的 DAC,分辨率为 1/(2n-1)。
◆ 转换精度
DAC的转换精度与 D/A转换芯片的结构 （ 主要是分辨率 ）,外部电路器件配置和电源误差等有关,分为绝对转换精度和相对转换精度 。
◆ 非线性误差
DAC的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差,并以该偏差相对于满量程的百分数度量 。
◆ 转换速率 /建立时间转换速率实际是由建立时间来反映的 。 建立时间是指数字量为满刻度值
（ 各位全为 1） 时,DAC的模拟输出电压达到某个规定值,比如,90%满量程或 （ ± 1/2） LSB满量程时所需要的时间 。
◆ 影响 DAC的环境因素主要是 温度 和 电源电压 的变化 。
7.1.3 DAC0832及其接口电路
1,DAC0832的性能和结构
DAC0832是采用 R-2R T型电阻网络的 8位双缓冲器 D/A转换器,主要性能参数,① 分辨率 8位； ② 转换时间 1μs； ③ 参考电压 ± 10V； ④
单电源 +5V~+15V； ⑤ 功耗 20mW。
ILE
CS
WR1
WR2
XFER
DI7~DI0
VREF
IOUT1
IOUT2
RFB
AGND
VCC
DGND
&&
&
8位输入寄存器
LE1
8位
DAC
寄存器
LE2
8位
D/A
转换器
7.1.3 DAC0832及其接口电路
2,DAC0832的管脚特性
◆ CS,片选信号 。
◆ ILE,允许锁存信号 。
◆ XFER,传送控制信号 。
◆ WR1,写信号 1。 WR1必须和 CS,ILE同时有效 。
◆ WR2,写信号 2。 WR2必须和传送控制信号 XFER同时有效 。
◆ DI7~DI0,8位数据输入端 。
◆ Iout1,Iout2,模拟电流输出端 1,输出端 2。 Iout1+Iout2=常数 。
◆ RFB,反馈电阻引出端 。
◆ VREF,参考电压输入端 。 可接电压范围为 ± 10V。
◆ Vcc,芯片供电电压端 。 范围为 +5V~+15V,最佳工作状态是 +15V。
◆ AGND,模拟地,即模拟电路接地端 。
◆ DGND,数字地,即数字电路接地端 。
7.1.3 DAC0832及其接口电路
3,DAC0832的工作方式
◆ 直通方式,转换数据不经过两级锁存器锁存 。 （ 很少使用 ）
◆ 双缓冲方式,先使输入寄存器接收数据,再控制输入寄存器的输出数据到 DAC寄存器,即分两次锁存输入数据 。
◆ 单缓冲方式,控制输入寄存器和 DAC寄存器同时接收数据,或者只用输入寄存器而把 DAC寄存器接成直通方式 。 （ 使用的最多 ）
DAC
0832
地址总线
ILE
Vcc
译码器M/IO
CS
WR1
D7~D0
+5V
WR Vout
▽
-
+
RFB
IOUT1
IOUT2
AGND
DGND
WR2
XFER
7.1.3 DAC0832及其接口电路
4,DAC0832的应用举例
【例 7.1】用 DAC0832实现一次 D/A转换。要转换的数据放在
1000H单元中。
【例 7.2】在实际应用中，经常需要用到一个线性增长的电压去控制某一个检测过程，或者作为扫描电压去控制一个电子束的移动。可以利用 D/A转换器产生一个锯齿波电压，实现此类控制作用。
【例 7.3】从两个不相关的文件中输出一批 X-Y数据，驱动 X-Y
记录仪，或者控制加工复杂零件的走刀（ X轴）和进刀（ Y轴）。
程序驱动 X-Y记录仪的 100点输出，并用软件驱动记录仪的抬笔和放笔控制。
7.2 模 /数（ A/D） 转换
7.2.1 A/D转换过程
7.2.2 A/D转换方法
7.2.3 A/D转换器性能参数
7.2.4 ADC0809及其接口电路
7.2.1 A/D转换过程
A/D转换的实质是比例运算 。 它把输入模拟量 （ 通常是模拟电压 ） 信号 VI与一个基准信号 VR比较,将其转换为 n位二进制数字量的输出代码表示 。
A/D转换整个过程通常分四步进行：
采样 → 保持 → 量化 → 编码经过采样,保持,量化,编码,即完成了 A/D转换的全过程,将采样的模拟电压转换成与之对应的二进制数码 。
A/D的采样和保持
◆ A/D的采样 是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散变化的模拟量，或者说，采样是在一个等时间间隔（称为采样周期）的某一点上测量输入模拟量的信号大小，使 A/D转换能在采样周期内用一个不变的值代替在该时间间隔内连续变化着的输入模拟值。
◆ A/D的保持 是将采样得到的模拟量值保持一段稳定期间，使得 A/D转换能可靠进行。
◆ A/D的量化 是将采样 /保持得到的模拟电压值转化成一个基本量化电平的整数倍的过程。这一过程实质上是把时间上离散而数字上连续的模拟量，以一定的准确度变为时间上和数字上都是离散的、量化的等效数字值。也就是说，量化是把采样 /保持下来的模拟量值舍入成整数
（有量化误差）的过程。
◆ A/D的编码 就是把已经量化的模拟数值（一定是量化电平的整数倍）用 n位二进制编码形式表示。
A/D的 量化和编码
7.2.2 A/D转换方法
1,计数式 ADC
C
Dn-1~D0
n位
D/A
转换器
Vi
Vo
比较器
+
-
转换结束
n位计数器
CLK（ 计数脉冲 ）
CLR 开始转换
7.2.2 A/D转换方法
2,逐次逼近 式 ADC
n位
D/A
转换器
n位逐次逼近寄存器控制电路比较器V
i
Vo
+
-
Dn-1~D0 缓冲器启动转换
CLK
转换结束
7.2.3 A/D转换器性能参数
◆ 分辨率
ADC的分辨率是能够分辨的最小量化信号的能力,即输出的数字量变化 1所需输入模拟电压的变化量,通常用位数来表示 。 对于一个 n
位的 ADC,分辨率为 2n位 。
◆ 转换精度转换精度反映了 ADC的实际输出接近理想输出的精确程度,通常用数字量的最低有效位当量 （ 数字量最低有效位对应的模拟量 Δ ） 表示 。
◆ 转换时间和转换率完成一次 A/D转换所需要的时间,为 ADC的转换时间 。 ADC转换时间的倒数,为 ADC的转换速度,即转换率 。
◆ 非线性度
ADC的非线性度是指实际转换函数与理想直线的最大偏移 。
7.2.4 ADC0809及其接口电路
1,ADC0809的性能和结构
ADC0809是采用逐次逼近法的 8位 A/D转换器，有 8个模拟量输入通道。
ADC0809主要性能参数：① 分辨率 8位；② 转换时间 100μs；③ 模拟输入电压范围：单极性为 0~5V,双极性为± 5V、± 10V（ 需外加电路）；④ 单一电源
+5V；⑤ 功耗 15mW。
8路模拟开关
8位输出锁存缓冲地址锁存译码控制与时序逐次逼近寄存器树状开关
256R电阻网络
IN0
IN1
┇
IN7
ADDA
ADDB
ADDC
ALE
┇
VCC GND VREF（ +） VREF（ -） OE
START CLOCK
EOC
D7~D0
VST
VIN
7.2.4 ADC0809及其接口电路
2,ADC0809的管脚特性
◆ CLOCK,工作时钟 。
◆ IN0~IN7,8路模拟通道输入线 。
◆ D7~D0,8位转换数据三态输出线 。
◆ ADDA,ADDB,ADDC,IN0~IN7模拟通道地址选择线 。
◆ ALE,地址锁存允许信号 。 将 ADDA,ADDB,ADDC三位地址信号锁存并译码选通对应的模拟通道 。
◆ VREF(+),VREF(-),基准电压输入端,要求 VREF(+)+VREF(-)=VCC,偏差值 ≤± 0.1V。
◆ START,启动转换信号 。 START正脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零,下降沿启动 A/D开始转换 。
◆ EOC,转换结束信号 。 EOC在转换时为低电平,当转换结束,数据锁存到输出缓冲器后变为高电平 。
◆ OE,输出允许信号 。 当高电平时,打开三态输出缓冲器,
把数据送到数据总线上,供 CPU读取 。
7.2.4 ADC0809及其接口电路
3,ADC0809与系统总线的连接模拟量输入基准电压
IN0 D7~D0
IN1 ADDA
┇ ADDB
IN7 ADDC
EOC
ADC0809 OE
VREF(-)
START
VREF(+)
ALE
CLOCK
┇
D7~D0
8259A
分频 CLOCK
地址总线
&
RD
&
M/IO
WR
译码器
7.3 数 /模、模 /数通道设计计算机实时控制系统中的 A/D转换和 D/A转换是两个互逆过程微机系统采样保持信号调理模拟量 数字量控制对象传感器模拟量 数字量功放 D/A
A/D运放执行部件
7.3.1 多路模拟开关
7.3.2 采样 /保持器
7.3.3 A/D,D/A通道的结构形式
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
7.3.1 多路模拟开关在实时控制和在实时数据采集系统中,被控或被测的往往是几路或几十路信息 。 最常用的技术是采用公共的 A/D,D/A转换电路实现多个通路的转换 。
多路模拟开关是多通道 A/D,D/A转换系统的重要器件之一 。 为了提高系统精度和速度,有三点基本要求：
◆ 当切换开关接通时,它的导通静态电阻无穷小 。
◆ 当切换开关断开时,它的开路静态电阻无穷大,即开关的泄漏电流越小越好 (0.5nA～ 1nA)。
◆ 切换速度越快越好 （ 延迟时间一般为 100 ns~0.8μs） 。
7.3.2 采样 /保持器采样 /保持器 （ S/H） 的主要性能参数有：
◆ 孔径时间：从发保持命令到开关断开所需要的时间；
◆ 采样时间：从发采样命令到 S/H的输出电压由保持值达到输入信号当前值所需要的时间；
◆ 保持电压衰减速率：在保持状态下,由漏电流引起的保持电压衰减速度 。
t
Vo
0t
Vi
0
Vi +
-A1
Vo+-A2S
CH
采样 /保持器是将一个在时间上连续的信号受一个采样脉冲周期性控制,变成一个在时间上离散的信号,并在 A/D转换期间保持不变 。 即采样 /保持器具有采样和保持两个稳定状态 。
7.3.3 A/D,D/A通道的结构形式
1,A/D通道的结构形式
⑴ 不带 S/H的单通道,常用于直流或低频模拟信号的 A/D转换 。
⑵ 带 S/H的单通道,常用于高速模拟信号的 A/D转换 。
⑶ 每个通道各自带有 S/H和 A/D转换器的并行多通道 。 各通道同时进行转换,常用于需要同时给出多个数据项描述且转换速率高的系统 。
⑷ 各通道自带 S/H,但共享 A/D转换器的多通道 。 每个通道的 A/D转换是经模拟多路开关分时串行进行的,故速度较慢 。
⑸ 共享 S/H和 A/D转换器的多通道 。 这种形式的通道,速度慢,硬件开销少,对转换速度要求不高的系统最为适合 。
多路模拟输入多路模拟开关┇
A/D
转换采样 /保持器
（ S/H）
控制逻辑输入缓冲
C
P
U
7.3.3 A/D,D/A通道的结构形式
2,D/A通道的结构形式
⑴ 带数据锁存器的 D/A转换单通道 。
⑵ 带保持器输出的 D/A转换单通道 。 靠保持器的电容记忆功能维持输出模拟量,故不能长久保持模拟量信息不变,必须定时刷新 。
⑶ 每个通道各自带有数据锁存器和 D/A转换器的并行多通道 。 一般用于高速系统 。
⑷ 共享 D/A转换器的多通道 。 由于共享 D/A转换器,速度较慢 。 模拟输出端靠保持电容维持模拟信息,需要定时刷新 。
多路模拟输出
┇
多路模拟开关
C
P
U
锁存器
D/A
转换保持器 1
保持器 2
保持器 n
┇
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
1,电路组成
【 例 7.4】 由 IBM PC/XT微机控制一个模拟量输入 /输出接口 。
该系统的模拟量输入通道数为 16路，分辨率 12位，模拟量输出通道数为 2路，分辨率 8位。数据采集部分采用共享 S/H和 ADC的 A/D多通道形式,A/D转换器与 CPU之间数据传输采用查询方式。数据控制部分采用并行 D/A多通道形式,2路 D/A转换同时进行。
◆ 系统的 A/D转换接口主要由模拟多路开关 AD7506（ 16→ 1）,采样保持器 AD582,12位 A/D转换器 （ 采用快速逐次逼近转换方式 ）
AD574A组成 。
◆ 系统的 D/A 转换接口主要由 8位 D/A转换器 DAC0832,运算放大器
LF351组成 。
◆ 系统的接口地址译码电路采用 74LS 138译码器,Y0~Y7是 8个连续的
I/O端口地址选通端,设为 0210H~0217H（ 0214H未用 ） 。
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
2,A/D转换工作过程
◆ 选择通道 。 根据数据总线的 D3~D0编码,选择多路模拟开关 AD7506中
S15~S0模拟输入通道之一 。 D3~D0经锁存器 74LS175送 AD7506的
A3~A0进行通道译码 。 74LS175的选通由 Y3控制 （ 0213H地址 ） 。
选定通道的输入模拟信号通过 AD7506进入采样保持器 AD582输入端
+IN。 此时,AD574A尚未转换,转换信号 STS为低电平,加到 AD582
的 +Logic端,AD582的保持电容 CH电压随着输入变化 （ 采样状态 ） 。
◆ 启动 A/D转换 。 2片 AD574A的启动转换信号 R/C由 Y2 控制 （ 0212H地址 ） 。 当 R/C=0 时,启动 AD574A数据转换 （ 通过,虚写,操作 ） 。
A/D转换期间,STS变成高电平,加到 AD582的 +Logic端 。 AD582的保持电容 CH电压就是供转换的模拟输入电压 （ 保持状态 ） 。
◆ 读取数据。转换结束时 STS又变为低电平,AD582回到采样状态，同时锁存 2片 AD574A并行输出的 12位转换数据 。 STS信号还通过
74LS373连接到数据总线 D7位，可以供查询使用。
存放在锁存器 74LS373中的 12位数据分两次读取。
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
3,D/A转换工作过程
◆此系统有 2路 D/A通道,DAC0832（ 1） )和 DAC0832（ 2）。 要求 2路模拟量同时输出，采用双缓冲工作方式。
◆ DAC0832是电流型输出，使用运算放大器 LF351将电流输出信号转换成电压输出信号。
◆ 2片 DAC0832的 WR1,WR2接地,ILE接 +5V； CS为第一级缓冲选通信号，把 8位转换数据送到输入寄存器，分别与 74LS138的 Y5和 Y6相连，由相应地址 0215H和 0216H选通控制； XFER为第二级缓冲选通信号，均与 74LS138的 Y7相连，由 0217H地址选通 2路同时启动 D/A
转换的控制。
2003.5.10
《微机原理与接口技术》
第 7章 数 /模、模 /数转换接口数 /模 (D/A)转换器 (DAC,Digital to Analog Converter)
和模 / 数 ( A/D) 转 换 器 ( ADC,Analog to Digital
Converter) 是微机实时测量 /控制系统中不可缺少的模拟量 I/O通道 。
7.1 数 /模（ D/A） 转换
7.2 模 /数 （ A/D） 转换
7.3 数 /模,模 /数通道设计
7.1 数 /模（ D/A） 转换
7.1.1 D/A转换原理
7.1.2 D/A转换器性能参数
7.1.3 DAC0832及其接口电路
7.1.1 D/A转换原理
◆ D/A转换器是把数字量转换为对应成比例的电流或电压信号的接口。
◆ D/A转换器是将数字量每一位的代码按照位权转换为对应的模拟量值，再把它们相加，求和得到的便是与数字量对应的模拟量值。
◆在 D/A转换电路中，数字量输入作为电子开关的控制电平，使所有电子开关和电阻网络一起工作，在以基准电压为参照下得到输出用二进制加权合成的模拟电流，再利用外接运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。
数字量输入 ┇ ┇电子开关电阻网络基准电压
-+
电流输出电压输出RF
运算放大器
7.1.1 D/A转换原理
1,运算放大器
◆ 运算放大器有三个特点：
⑴ 开环放大倍数非常高,一般为几千,甚至可高达十万 。 在正常情况下,运算放大器所需要的输入电压非常小 。
⑵ 输入阻抗非常大 。 运算放大器工作时,输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上,所需要的输入电流也极小 。
⑶ 输出阻抗很小 。 所以,它的驱动能力非常大 。
◆ D/A转换中运算放大器的工作原理：
运算放大器的同相端 （ +） 接地,反相端 （ -） 作为输入端 。 由于输入电压十分小,输入点电位和地电位差不多,可以认为近似短路；而输入电流也非常小,这说明并不是真正和地短路 。 把这种输入电压近似为 0，
输入电流也近似为 0的特殊情况称为,虚地,。
运算放大器的输入端和输出端之间有一个反馈电阻 RF,由于运算放大器的输入点为虚地,而且输入阻抗极大,可以认为,流入运算放大器的电流几乎全部流过 RF,而 RF一端为输出端,一端为虚地 。 在 RF上的电压降,也就是 运算放大器的输出电压 VO = - IRF。
7.1.1 D/A转换原理
2,采用 T型电阻网络的 D/A转换器
A B C D
2R R R R
2R 2R 2R2R
VREF
S0
-
+
20
RF
VO
21 22 23
S1 S2 S3
◆ 采用 T型电阻网络的 DAC只需要 R和 2R两种电阻,由于结构简单,转换速度快,精度高,误差小等优点特别受到青睐 。
◆ 输出模拟量 Vo与 n位输入数字量之间关系的一般表达式为：
VO = -VREF RF∕(2nR) (Dn-12n-1+ Dn-22n-2+ +D121+D020) ( Di=1或 0 )
◆采用 T型电阻网络的结构以 4位 D/A转换器为例：
7.1.2 D/A转换器性能参数
◆ 分辨率分辨率是指最小输出电压 （ 输入数字量增 1所引起的输出电压增量 ） 和最大输出电压之比,表示 DAC所能分辩的最小模拟信号的能力 。 对于一个 n
位的 DAC,分辨率为 1/(2n-1)。
◆ 转换精度
DAC的转换精度与 D/A转换芯片的结构 （ 主要是分辨率 ）,外部电路器件配置和电源误差等有关,分为绝对转换精度和相对转换精度 。
◆ 非线性误差
DAC的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差,并以该偏差相对于满量程的百分数度量 。
◆ 转换速率 /建立时间转换速率实际是由建立时间来反映的 。 建立时间是指数字量为满刻度值
（ 各位全为 1） 时,DAC的模拟输出电压达到某个规定值,比如,90%满量程或 （ ± 1/2） LSB满量程时所需要的时间 。
◆ 影响 DAC的环境因素主要是 温度 和 电源电压 的变化 。
7.1.3 DAC0832及其接口电路
1,DAC0832的性能和结构
DAC0832是采用 R-2R T型电阻网络的 8位双缓冲器 D/A转换器,主要性能参数,① 分辨率 8位； ② 转换时间 1μs； ③ 参考电压 ± 10V； ④
单电源 +5V~+15V； ⑤ 功耗 20mW。
ILE
CS
WR1
WR2
XFER
DI7~DI0
VREF
IOUT1
IOUT2
RFB
AGND
VCC
DGND
&&
&
8位输入寄存器
LE1
8位
DAC
寄存器
LE2
8位
D/A
转换器
7.1.3 DAC0832及其接口电路
2,DAC0832的管脚特性
◆ CS,片选信号 。
◆ ILE,允许锁存信号 。
◆ XFER,传送控制信号 。
◆ WR1,写信号 1。 WR1必须和 CS,ILE同时有效 。
◆ WR2,写信号 2。 WR2必须和传送控制信号 XFER同时有效 。
◆ DI7~DI0,8位数据输入端 。
◆ Iout1,Iout2,模拟电流输出端 1,输出端 2。 Iout1+Iout2=常数 。
◆ RFB,反馈电阻引出端 。
◆ VREF,参考电压输入端 。 可接电压范围为 ± 10V。
◆ Vcc,芯片供电电压端 。 范围为 +5V~+15V,最佳工作状态是 +15V。
◆ AGND,模拟地,即模拟电路接地端 。
◆ DGND,数字地,即数字电路接地端 。
7.1.3 DAC0832及其接口电路
3,DAC0832的工作方式
◆ 直通方式,转换数据不经过两级锁存器锁存 。 （ 很少使用 ）
◆ 双缓冲方式,先使输入寄存器接收数据,再控制输入寄存器的输出数据到 DAC寄存器,即分两次锁存输入数据 。
◆ 单缓冲方式,控制输入寄存器和 DAC寄存器同时接收数据,或者只用输入寄存器而把 DAC寄存器接成直通方式 。 （ 使用的最多 ）
DAC
0832
地址总线
ILE
Vcc
译码器M/IO
CS
WR1
D7~D0
+5V
WR Vout
▽
-
+
RFB
IOUT1
IOUT2
AGND
DGND
WR2
XFER
7.1.3 DAC0832及其接口电路
4,DAC0832的应用举例
【例 7.1】用 DAC0832实现一次 D/A转换。要转换的数据放在
1000H单元中。
【例 7.2】在实际应用中，经常需要用到一个线性增长的电压去控制某一个检测过程，或者作为扫描电压去控制一个电子束的移动。可以利用 D/A转换器产生一个锯齿波电压，实现此类控制作用。
【例 7.3】从两个不相关的文件中输出一批 X-Y数据，驱动 X-Y
记录仪，或者控制加工复杂零件的走刀（ X轴）和进刀（ Y轴）。
程序驱动 X-Y记录仪的 100点输出，并用软件驱动记录仪的抬笔和放笔控制。
7.2 模 /数（ A/D） 转换
7.2.1 A/D转换过程
7.2.2 A/D转换方法
7.2.3 A/D转换器性能参数
7.2.4 ADC0809及其接口电路
7.2.1 A/D转换过程
A/D转换的实质是比例运算 。 它把输入模拟量 （ 通常是模拟电压 ） 信号 VI与一个基准信号 VR比较,将其转换为 n位二进制数字量的输出代码表示 。
A/D转换整个过程通常分四步进行：
采样 → 保持 → 量化 → 编码经过采样,保持,量化,编码,即完成了 A/D转换的全过程,将采样的模拟电压转换成与之对应的二进制数码 。
A/D的采样和保持
◆ A/D的采样 是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散变化的模拟量，或者说，采样是在一个等时间间隔（称为采样周期）的某一点上测量输入模拟量的信号大小，使 A/D转换能在采样周期内用一个不变的值代替在该时间间隔内连续变化着的输入模拟值。
◆ A/D的保持 是将采样得到的模拟量值保持一段稳定期间，使得 A/D转换能可靠进行。
◆ A/D的量化 是将采样 /保持得到的模拟电压值转化成一个基本量化电平的整数倍的过程。这一过程实质上是把时间上离散而数字上连续的模拟量，以一定的准确度变为时间上和数字上都是离散的、量化的等效数字值。也就是说，量化是把采样 /保持下来的模拟量值舍入成整数
（有量化误差）的过程。
◆ A/D的编码 就是把已经量化的模拟数值（一定是量化电平的整数倍）用 n位二进制编码形式表示。
A/D的 量化和编码
7.2.2 A/D转换方法
1,计数式 ADC
C
Dn-1~D0
n位
D/A
转换器
Vi
Vo
比较器
+
-
转换结束
n位计数器
CLK（ 计数脉冲 ）
CLR 开始转换
7.2.2 A/D转换方法
2,逐次逼近 式 ADC
n位
D/A
转换器
n位逐次逼近寄存器控制电路比较器V
i
Vo
+
-
Dn-1~D0 缓冲器启动转换
CLK
转换结束
7.2.3 A/D转换器性能参数
◆ 分辨率
ADC的分辨率是能够分辨的最小量化信号的能力,即输出的数字量变化 1所需输入模拟电压的变化量,通常用位数来表示 。 对于一个 n
位的 ADC,分辨率为 2n位 。
◆ 转换精度转换精度反映了 ADC的实际输出接近理想输出的精确程度,通常用数字量的最低有效位当量 （ 数字量最低有效位对应的模拟量 Δ ） 表示 。
◆ 转换时间和转换率完成一次 A/D转换所需要的时间,为 ADC的转换时间 。 ADC转换时间的倒数,为 ADC的转换速度,即转换率 。
◆ 非线性度
ADC的非线性度是指实际转换函数与理想直线的最大偏移 。
7.2.4 ADC0809及其接口电路
1,ADC0809的性能和结构
ADC0809是采用逐次逼近法的 8位 A/D转换器，有 8个模拟量输入通道。
ADC0809主要性能参数：① 分辨率 8位；② 转换时间 100μs；③ 模拟输入电压范围：单极性为 0~5V,双极性为± 5V、± 10V（ 需外加电路）；④ 单一电源
+5V；⑤ 功耗 15mW。
8路模拟开关
8位输出锁存缓冲地址锁存译码控制与时序逐次逼近寄存器树状开关
256R电阻网络
IN0
IN1
┇
IN7
ADDA
ADDB
ADDC
ALE
┇
VCC GND VREF（ +） VREF（ -） OE
START CLOCK
EOC
D7~D0
VST
VIN
7.2.4 ADC0809及其接口电路
2,ADC0809的管脚特性
◆ CLOCK,工作时钟 。
◆ IN0~IN7,8路模拟通道输入线 。
◆ D7~D0,8位转换数据三态输出线 。
◆ ADDA,ADDB,ADDC,IN0~IN7模拟通道地址选择线 。
◆ ALE,地址锁存允许信号 。 将 ADDA,ADDB,ADDC三位地址信号锁存并译码选通对应的模拟通道 。
◆ VREF(+),VREF(-),基准电压输入端,要求 VREF(+)+VREF(-)=VCC,偏差值 ≤± 0.1V。
◆ START,启动转换信号 。 START正脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零,下降沿启动 A/D开始转换 。
◆ EOC,转换结束信号 。 EOC在转换时为低电平,当转换结束,数据锁存到输出缓冲器后变为高电平 。
◆ OE,输出允许信号 。 当高电平时,打开三态输出缓冲器,
把数据送到数据总线上,供 CPU读取 。
7.2.4 ADC0809及其接口电路
3,ADC0809与系统总线的连接模拟量输入基准电压
IN0 D7~D0
IN1 ADDA
┇ ADDB
IN7 ADDC
EOC
ADC0809 OE
VREF(-)
START
VREF(+)
ALE
CLOCK
┇
D7~D0
8259A
分频 CLOCK
地址总线
&
RD
&
M/IO
WR
译码器
7.3 数 /模、模 /数通道设计计算机实时控制系统中的 A/D转换和 D/A转换是两个互逆过程微机系统采样保持信号调理模拟量 数字量控制对象传感器模拟量 数字量功放 D/A
A/D运放执行部件
7.3.1 多路模拟开关
7.3.2 采样 /保持器
7.3.3 A/D,D/A通道的结构形式
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
7.3.1 多路模拟开关在实时控制和在实时数据采集系统中,被控或被测的往往是几路或几十路信息 。 最常用的技术是采用公共的 A/D,D/A转换电路实现多个通路的转换 。
多路模拟开关是多通道 A/D,D/A转换系统的重要器件之一 。 为了提高系统精度和速度,有三点基本要求：
◆ 当切换开关接通时,它的导通静态电阻无穷小 。
◆ 当切换开关断开时,它的开路静态电阻无穷大,即开关的泄漏电流越小越好 (0.5nA～ 1nA)。
◆ 切换速度越快越好 （ 延迟时间一般为 100 ns~0.8μs） 。
7.3.2 采样 /保持器采样 /保持器 （ S/H） 的主要性能参数有：
◆ 孔径时间：从发保持命令到开关断开所需要的时间；
◆ 采样时间：从发采样命令到 S/H的输出电压由保持值达到输入信号当前值所需要的时间；
◆ 保持电压衰减速率：在保持状态下,由漏电流引起的保持电压衰减速度 。
t
Vo
0t
Vi
0
Vi +
-A1
Vo+-A2S
CH
采样 /保持器是将一个在时间上连续的信号受一个采样脉冲周期性控制,变成一个在时间上离散的信号,并在 A/D转换期间保持不变 。 即采样 /保持器具有采样和保持两个稳定状态 。
7.3.3 A/D,D/A通道的结构形式
1,A/D通道的结构形式
⑴ 不带 S/H的单通道,常用于直流或低频模拟信号的 A/D转换 。
⑵ 带 S/H的单通道,常用于高速模拟信号的 A/D转换 。
⑶ 每个通道各自带有 S/H和 A/D转换器的并行多通道 。 各通道同时进行转换,常用于需要同时给出多个数据项描述且转换速率高的系统 。
⑷ 各通道自带 S/H,但共享 A/D转换器的多通道 。 每个通道的 A/D转换是经模拟多路开关分时串行进行的,故速度较慢 。
⑸ 共享 S/H和 A/D转换器的多通道 。 这种形式的通道,速度慢,硬件开销少,对转换速度要求不高的系统最为适合 。
多路模拟输入多路模拟开关┇
A/D
转换采样 /保持器
（ S/H）
控制逻辑输入缓冲
C
P
U
7.3.3 A/D,D/A通道的结构形式
2,D/A通道的结构形式
⑴ 带数据锁存器的 D/A转换单通道 。
⑵ 带保持器输出的 D/A转换单通道 。 靠保持器的电容记忆功能维持输出模拟量,故不能长久保持模拟量信息不变,必须定时刷新 。
⑶ 每个通道各自带有数据锁存器和 D/A转换器的并行多通道 。 一般用于高速系统 。
⑷ 共享 D/A转换器的多通道 。 由于共享 D/A转换器,速度较慢 。 模拟输出端靠保持电容维持模拟信息,需要定时刷新 。
多路模拟输出
┇
多路模拟开关
C
P
U
锁存器
D/A
转换保持器 1
保持器 2
保持器 n
┇
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
1,电路组成
【 例 7.4】 由 IBM PC/XT微机控制一个模拟量输入 /输出接口 。
该系统的模拟量输入通道数为 16路，分辨率 12位，模拟量输出通道数为 2路，分辨率 8位。数据采集部分采用共享 S/H和 ADC的 A/D多通道形式,A/D转换器与 CPU之间数据传输采用查询方式。数据控制部分采用并行 D/A多通道形式,2路 D/A转换同时进行。
◆ 系统的 A/D转换接口主要由模拟多路开关 AD7506（ 16→ 1）,采样保持器 AD582,12位 A/D转换器 （ 采用快速逐次逼近转换方式 ）
AD574A组成 。
◆ 系统的 D/A 转换接口主要由 8位 D/A转换器 DAC0832,运算放大器
LF351组成 。
◆ 系统的接口地址译码电路采用 74LS 138译码器,Y0~Y7是 8个连续的
I/O端口地址选通端,设为 0210H~0217H（ 0214H未用 ） 。
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
2,A/D转换工作过程
◆ 选择通道 。 根据数据总线的 D3~D0编码,选择多路模拟开关 AD7506中
S15~S0模拟输入通道之一 。 D3~D0经锁存器 74LS175送 AD7506的
A3~A0进行通道译码 。 74LS175的选通由 Y3控制 （ 0213H地址 ） 。
选定通道的输入模拟信号通过 AD7506进入采样保持器 AD582输入端
+IN。 此时,AD574A尚未转换,转换信号 STS为低电平,加到 AD582
的 +Logic端,AD582的保持电容 CH电压随着输入变化 （ 采样状态 ） 。
◆ 启动 A/D转换 。 2片 AD574A的启动转换信号 R/C由 Y2 控制 （ 0212H地址 ） 。 当 R/C=0 时,启动 AD574A数据转换 （ 通过,虚写,操作 ） 。
A/D转换期间,STS变成高电平,加到 AD582的 +Logic端 。 AD582的保持电容 CH电压就是供转换的模拟输入电压 （ 保持状态 ） 。
◆ 读取数据。转换结束时 STS又变为低电平,AD582回到采样状态，同时锁存 2片 AD574A并行输出的 12位转换数据 。 STS信号还通过
74LS373连接到数据总线 D7位，可以供查询使用。
存放在锁存器 74LS373中的 12位数据分两次读取。
7.3.4 A/D,D/A通道设计示例
3,D/A转换工作过程
◆此系统有 2路 D/A通道,DAC0832（ 1） )和 DAC0832（ 2）。 要求 2路模拟量同时输出，采用双缓冲工作方式。
◆ DAC0832是电流型输出，使用运算放大器 LF351将电流输出信号转换成电压输出信号。
◆ 2片 DAC0832的 WR1,WR2接地,ILE接 +5V； CS为第一级缓冲选通信号，把 8位转换数据送到输入寄存器，分别与 74LS138的 Y5和 Y6相连，由相应地址 0215H和 0216H选通控制； XFER为第二级缓冲选通信号，均与 74LS138的 Y7相连，由 0217H地址选通 2路同时启动 D/A
转换的控制。
