1、模拟信号到数字信号的转换

模拟信号到数字信号的转换（A/D转换）

（胥永刚）

现在大部分传感器输出的信号都是模拟信号，主要包括电压信号和电流信号两种，当然也有直接输出数字信号的传感器。对于传感器输出的模拟信号，除了一些简单的仪表直接进行显示之外，大部分都需要转换成数字信号，以便在网络上进行传输，并保存在硬盘、CF卡等存储介质上，用于后续的分析和处理，如此，就需要用专门的器件将模拟信号转换成数字信号。对于部分技术人员来说，了解模数转换的原理，对深入了解测试仪器，开发测试系统，修正仪器的技术参数等有着很大的帮助。

对于一个完整的带反馈控制的监控系统来说，大体可以用图1这个框图来描述，从图中可以看出来，一般而言，模数转换（A/D）大多在数模转换（D/A）之前，但在很多教材上，往往是先讲数模转换（D/A），再讲模数转换（A/D），因为模数转换电路里要用到数模转换。当然这是从理论上来讲的，对于现在工程中实际应用的数模转换究竟基于什么原理，我也不是很清楚，但并不妨碍我们对模数转换的理解。.

因此，我们尝试着讲解数模转换原理，因为从对应关系上来说，这两者是一样的，只是转换电路不同而已。

图1 典型的监控系统（带反馈控制）

1、数模转换原理

图2是很多教材上给出的数模转换电路，要想讲清楚这个，需要用到电工电子方面的知识，这里我们就不详细展开了。（原谅我一次一次提到教材二字，因为在高校里工作，养成习惯了，^_^）

图2 数模转换电路

图1是一个4位的数模转换电路，意思是将一个4位的二进制数转换成对应的电压。4位的二进制数可以表示成3210d d d d ，翻译成十进制数，就是

32103210

2*+2*+2*+2*d d d d （1）

式（1）中的四位二进制数，每个位上要么是0，要么是1，不可能是其它数字。

因此，四位二进制数最大可表示十进制的15，最小可表示十进制的0。若我们任意给一个四位的二进制数，可以按照如下公式进行数字和电压之间的换算。

321043210=(2+2+2+2)32F R o R U U d d d d R （2）

比如，我们假设这个四位的数模转换器参考电压=10R U V ，=3F R R ，若输入的四位二进制数是0000（对应的十进制数是0），则输出的电压为：

3210

410=(2*0+2*0+2*0+2*0)=032

F o R U V R 若输入的四位二进制数是1101（对应的十进制数是13），则输出的电压为： 321041010130=(2*1+2*1+2*0+2*1)=(8+4+0+1)=321616

F o R U V R 也就是说，要是输入的十进制数是0，则输出电压0V，若输入的十进制数是13，则输出的电压为13016

V ，如此类推，我们就可以得知，输入任意一个四位二进制数（对应的十进制数在0~15之间），就可以按照式（2）得到一个对应的电压值。如此，就实现了数字信号到模拟信号的转换。

当然，现在市场上很少能买到4位的数模转换器，大部分都是12位，16位，24位的，转换规律是一样的，参考下式：

-1-20-1-20=

(2+2++2)32F R n n n o n n R U U d d d R （3）

2 关于数模转换的直观理解不理解上面那几个公式也没关系，只要明白下面这个对应关系也可以。

不管是数模转换（D/A）还是模数转换（A/D），就是根据某一个公式实现电压信号和对应的数字信号之间的转换。

比如，一个数模转换器允许输入的数字范围是0~4095，对应输出的电压为-5V~+5V。之所以这样假设，是因为大多数数模转换输入的是十进制数字，12位的二进制信号对应的十进制数字就是000000000000对应着十进制的0，111111111对应着十进制的4095，常见的数模转换和模数转换电压范围为-5V~+5V。

在这个假设下，如图4所示，若是数模转换，意味着输入数字为0时，输出电压是-5V，输入数字为4095时，输出电压为+5V，输入数字为2048时，输出电压为0V。

图4数字和电压之间的对应关系

其间的转换关系为：

[(+5)-(-5)]=*-54096

o V V U N V （4）其中的N 是输入的十进制数字，o U 是对应输出的电压值。

反过来，若是模数转换器，则输入的是模拟信号电压值，输出的是数字信号。对应关系为：

+5=*4096[(+5)-(-5)]

i U V N V V （5）

其中的i U 是输入的电压值，N 是对应输出的十进制数。

当然，若该转换器件是n 位的，输出电压范围（对于模数转换而言就是输入电压范围）为最低U ~最高U ，则式（4）会变成：

[-]=

2最低最高最低n

o U U U N U （6）式（5）会变成 -=*2[-]

最低最低最高i n U U N U U （7）

1、模拟信号到数字信号的转换

模拟信号到数字信号的转换（A/D转换）（胥永刚）现在大部分传感器输出的信号都是模拟信号，主要包括电压信号和电流信号两种，当然也有直接输出数字信号的传感器。对于传感器输出的模拟信号，除了一些简单的仪表直接进行显示之外，大部分都需要转换成数字信号，以便在网络上进行传输，并保存在硬盘、CF卡等存储介质上，用于后续的分析和处理，如此，就需要用专门的器件将模拟信号转换成数字信号。对于部分技术人员来说，了解模数转换的原理，对深入了解测试仪器，开发测试系统，修正仪器的技术参数等有着很大的帮助。对于一个完整的带反馈控制的监控系统来说，大体可以用图1这个框图来描述，从图中可以看出来，一般而言，模数转换（A/D）大多在数模转换（D/A）之前，但在很多教材上，往往是先讲数模转换（D/A），再讲模数转换（A/D），因为模数转换电路里要用到数模转换。当然这是从理论上来讲的，对于现在工程中实际应用的数模转换究竟基于什么原理，我也不是很清楚，但并不妨碍我们对模数转换的理解。. 因此，我们尝试着讲解数模转换原理，因为从对应关系上来说，这两者是一样的，只是转换电路不同而已。图1 典型的监控系统（带反馈控制） 1、数模转换原理图2是很多教材上给出的数模转换电路，要想讲清楚这个，需要用到电工电子方面的知识，这里我们就不详细展开了。（原谅我一次一次提到教材二字，因为在高校里工作，养成习惯了，^_^）图2 数模转换电路

图1是一个4位的数模转换电路，意思是将一个4位的二进制数转换成对应的电压。4位的二进制数可以表示成3210d d d d ，翻译成十进制数，就是 32103210 2*+2*+2*+2*d d d d （1）式（1）中的四位二进制数，每个位上要么是0，要么是1，不可能是其它数字。因此，四位二进制数最大可表示十进制的15，最小可表示十进制的0。若我们任意给一个四位的二进制数，可以按照如下公式进行数字和电压之间的换算。 321043210=(2+2+2+2)32F R o R U U d d d d R （2）比如，我们假设这个四位的数模转换器参考电压=10R U V ，=3F R R ，若输入的四位二进制数是0000（对应的十进制数是0），则输出的电压为： 3210 410=(2*0+2*0+2*0+2*0)=032 F o R U V R 若输入的四位二进制数是1101（对应的十进制数是13），则输出的电压为： 321041010130=(2*1+2*1+2*0+2*1)=(8+4+0+1)=321616 F o R U V R 也就是说，要是输入的十进制数是0，则输出电压0V，若输入的十进制数是13，则输出的电压为13016 V ，如此类推，我们就可以得知，输入任意一个四位二进制数（对应的十进制数在0~15之间），就可以按照式（2）得到一个对应的电压值。如此，就实现了数字信号到模拟信号的转换。当然，现在市场上很少能买到4位的数模转换器，大部分都是12位，16位，24位的，转换规律是一样的，参考下式： -1-20-1-20= (2+2++2)32F R n n n o n n R U U d d d R （3） 2 关于数模转换的直观理解不理解上面那几个公式也没关系，只要明白下面这个对应关系也可以。不管是数模转换（D/A）还是模数转换（A/D），就是根据某一个公式实现电压信号和对应的数字信号之间的转换。比如，一个数模转换器允许输入的数字范围是0~4095，对应输出的电压为-5V~+5V。之所以这样假设，是因为大多数数模转换输入的是十进制数字，12位的二进制信号对应的十进制数字就是000000000000对应着十进制的0，111111111对应着十进制的4095，常见的数模转换和模数转换电压范围为-5V~+5V。在这个假设下，如图4所示，若是数模转换，意味着输入数字为0时，输出电压是-5V，输入数字为4095时，输出电压为+5V，输入数字为2048时，输出电压为0V。

模拟信号与数字信号之间的转换

模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。模拟信号与数字信号 (1)模拟信号与数字信号不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。 (2)模拟信号与数字信号之间的相互转换模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。

八位模拟信号转换成数字信号

八位模拟信号转换成数字信号的实验设计报告一、实验目的 1、了解A/D转换的基本知识及ADC0804的工作原理。 2、掌握基本的编程方法。 3、熟练掌握protel画电路原理图及PCB板的方法。 4、掌握运用keil软件编写单片机C语言。二、基本原理 1、所谓A/D转换此就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端可以使传感器或转换器的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛地应用。 2、AT89S52的基本介绍： AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容，此实验中采用AT89S52芯片。 3、ADC0804的主要技术指标： (1) 高阻抗状态输出(2) 分辨率：8 位(0~255) (3) 存取/转换时间：135 ms/100 ms (4) 模拟输入电压范围：0V~5V (5) 参考电压：2.5V (6) 工作电压：5V 3、ADC0804电压输入与数字输出关系

三、电路原理图

四、原理图接线分析 1、ADC0804芯片主要端口接线原理: (1) (CS )：片选端。与RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，此实验直接接地让其处于选通状态。 (2) ( RD )：当CS 、RD 皆为低位准(low) 时，ADC0804 会将转换后的数字讯号经由DB7 ~ DB0 输出至其它处理单元。 (3) (WR )：启动转换的控制讯号。当CS 、WR 皆为低位准(low) 时，ADC0804 做清除的动作，系统重置。当WR 由0→1且CS ＝0 时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR 设定为高位准(high)。 (4) (CLK IN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100 kHz 至800 kHz。而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。在CLK R 及CLK IN 加上电阻及电容，构成RC振荡电路，则可产生ADC 工作所需的时序，其频率约为：f=1/1.1RC ≈640KHz, (5) ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时INTR 会变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据，此实验不用中断控制，接去MCU其中某个引脚。 (6) (VIN(+)、VIN(-))：差动模拟讯号的输入端。输入电压VIN＝VIN(+) －VIN(-)，此图使用单端输入，而将VIN(-)接地，VIN(+)由电位器R1控制其电压从0~5V 变化，产生了模拟量。 (7) (A GND):模拟电压的接地端。 (8) (VREF/2):滑动变阻器R2和R3利用分压原理提供ADC芯片的基准电压。 2、AT89S52芯片主要端口接线原理： (1) XTAL2、XTAL1：晶振电路中电容C2、C3选取30pF。 (2) REST：复位电路中电容C4隔直作用，Urest=R6/(R5+R6)，因为高电平有效，故R5取小阻值1K, R6取小阻值10K. (3) P0：内部无上拉电阻，故接上1K的上拉排阻。 (3)P1：流水灯采用共阳极接法。五、控制原理及实验内容控制原理根据ADC0804芯片主要端口接线原理部分的介绍，工作控制过程可简单描述如下：调节电位器R4产生连续变化的电压值，ADC0804启动转换，产生与之对应的信号送到单片机中，其高低电平从而控制D1~D8发光二级管的亮灭，这就实现了模拟信号（连续的电压值）到数字信号（高低电平1、0）的转换。

数字信号转换为模拟信号实验

一、实验目的熟悉数模转换的基本原理，掌握D/A的使用方法。二、实验内容利用D/A转换器产生锯齿波和三角波。三、实验原理图本实验用A/D、D/A电路四、实验步骤 1、实验接线 CS0 ?CS0832 示波器?DOUT DS跳线：1 ?2 2、用实验箱左上角的“VERF.ADJ”电位器调节0832的8脚上的参考电压至5V。 3、调试程序并全速运行，产生不同波形。 4、用示波器观察波形。五、实验提示利用电位器“ZERO.ADJ”可以调零，“RANGE.ADJ”电位器调整满偏值。 DAC0832在本实验中，工作在双缓冲接口方式下。当地址线A1=0时可锁存输入数据；当A1=1时，可起动转换输出。所以要进行D/A转换需分二步进行，方法如下： MOV DX，ADDRESS ；ADDRESS片选信号偶地址 MOV AL，DATA OUT DX，AL ADD DX ，2 OUT DX，AL 六、程序框图程序一产生锯齿波程序二产生三角波 (实验程序名：dac-1.asm) (实验程序名：dac-2.asm)

七、程序源代码清单 dac-1.asm assume cs:code code segment public org 100h start: mov dx,04a0h up1: mov bx,0 up2: mov ax,bx out dx,ax ;锁存数据 mov dx,04a2h out dx,ax ;输出使能 mov dx,04a0h inc bx ;数据加一 jmp up2 code ends end start dac-2.asm assume cs:code code segment public org 100h start: mov dx,04a0h mov bx,0 up: mov ax,bx out dx,ax ;锁存数据 mov dx,04a2h out dx,ax ;输出使能 inc bx

模拟信号到数字信号转换器

K部分模拟信号到数字信号转换器 K.1 摘要本章介绍了模拟信号到数字信号转换器电路板并包括介绍一个元件分布的丝网印层面。其电路图可在总电路图集中找到；而元件表可在第七章中找到。模拟信号到数字信号的转换称为“A／D”或A到D转换。A／D转换器位于中心控制组合中。 ———————————————————————————————————————K.2 电路工作基本原理从模拟输入板来的模拟音频信号进入A／D转换板，在这里信号被转换为12位数字音频信号，此功能由A／D转换集成块完成。其转换的速率为1.2到2.5微秒，主要取决于发射机载波频率。A／D转换过程是与发射载波RF信号同步的，因此PA模块的开关过程是在发射载波RF驱动器过零处进行的。来自A／D转换器的数字音频信号存贮在锁存器中。锁存器的输出信号送至调制编码板，在编码板上信号被用来打开PA模块。锁存器输出也送入音频信号重现电路和在A／D板上的大台阶同步电路。重现的音频信号送入在控制器板(A38)上的包络误差电路。大台阶同步信号送“Dither”振荡器，其位于模拟信号输入电路板。下面的说明请参阅模拟信号到数字信号转换电路板的电路图集(图839－7855－177)。参阅第五章使用维护手册，作为调整和印制板维护操作过程参考。参阅第四章全系统原理说明，来了解发射机音频和数字音频部分的总体说明和有关框图。 ———————————————————————————————————————K.3 电路说明 K.3.1 转换PA采样为A／D编码脉冲(T1，U29，Q9) 有两路RF采样信号输入到A／D转换器板。一路是RF分配器(A15)来的在J3－1和J3－2上的分配器采样频率输入信号。另一路是从输出合成器来的输出采样频率信号在J8－1和J8－2。作为这个采样的输入网络是一个R－C－L网络，它在525kHz处提供一个固定90°相移。跳转插头P11A－P11B允许不连接这个采样。 PA模块必须在RF驱动信号过零点时进行开关控制过程。在调制信号期间这个时间定位需要稍有移动尤其是对发射机载波频率的低频端，因此射频RF驱动信号和被90°相移的RF 输出其叠加在一起。两个信号矢量在R62迭加。其结果在有调制时输出有约＋／－15°的相移值(在等宽的低端)。射频RF输入送入宽带环形RF变压器T1的初级绕组。电阻R18和L－C网络及有关器件由针式双列直插开关S1部分选择提供可调整的，频率指定的相移(参阅在第五章中调谐和频率改变操作过程，及有关设置S1的使用维护信息)。斯密特触发器U12C转换射频RF信号为TTL电平脉冲。二极管CR14和CR15使斯密特触发器的输入信号限制在＋0.7和＋4.3V之间。 K.3.2 频率分配器(U29，Q9) 在TP6的频率输出是RF输入频率(从J3的1脚)，如果跳转插头插入在JP10的5脚和6脚之间。在TP6输出的是RF输入频率的一半如果跳转插头插在1脚和2脚之间。跳转插头插入3脚和4脚之间在TP6输出的是RF输入频率的三分之一。跳转插头的位置取决于发射机工作频率。请参阅有关A／D转换器的电路图注释或频率