计算机数模和模数转换接口技术
模拟量和数字量的转换—D_A转换器(电子技术课件)
2 LSB
FSR
1
2
≤ 0.05%，即 ×
1
2 −1
≤ 0.05% ⇒
1
由于10位D/A转换器分辨率为 10
2 −1
的D/A转换器。
=
1
2 −1
1
1023
≤ 0.1%。
= 0.097%，故应取十位或十位以上
总结
DAC主要技术指标： VLSB 、 VFSR 、分辨率、转换速度、
转换精度
倒T形电阻网络D/A转换器
位数比较多时问题更突出。难以在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻
都有很高的精度，对制作集成电路不利且影响转换器精度。
总结
权电阻网络DAC：结构比较简单，所用电阻元件数很少。
但各个电阻阻值相差较大，尤其在输入信号位数比较多时
问题更突出，影响转换器精度。
开关树型DAC
分压器型
双积分型ADC
间接ADC
权电容网络DAC
V-F变换型ADC
总结
1. DAC：数模转换器
ADC：模数转换器
2. DAC的分类、ADC的分类
D/A转换器的应用
以AD7520为例，介绍D/A转换器的应用。
AD7520是一种10位CMOS型的D/A转换集成
芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口
1
对于n位D/A转换器，分辨率也可表示为：分辨率= 。如10位D/A转换器
2 −1
1
的分辨率为 10
2 −1
=
1
1023
≈ 0.001。DAC输入位数n越多，电路的分辨率越高。
分辨率体现D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。
4. 转换速度：指从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间。
模数与数模转换器的主要技术指标10.4模数转换接口技术
10.4
10.4.1
模/数转换接口技术
常用模/数转换芯片
ADC（Analog-Digital Converter）的功能是 将输入模拟电压量转换为与其成比例的数字量， 它是智能化测量与控制系统中的一种重要组成器 件。按其工作原理，可分为比较式ADC、积分式
ADC以及电荷平衡（电压-频率转换）式ADC等。
一传感器transducer由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或电压的变化十分微弱容易受外界干扰因此在市场上能买到的各种变送器已将传感器与放大电路制作在一起输出统一标准的010ma或420ma电流或05v电压以便传输或直接送ad转换器进行ad转换其中420ma标准电流输出的传感器较为普遍常说的流量变送器压力变送器等一般输出420ma标准电流内部处于恒流输出结构显然电流型传感器比电压型传感器抗干扰能力强易于远距离传输因此电流型传感器被广泛用于生产过程的检测系统中
（6）12/8*：用于控制输出字长的选择输入端。当其 为高电平时，允许A/D转换并行输出12位二进制数；当其 为低电平时，A/D转换输出为8位二进制数。 （ 7 ） R/C*：数据读出 / 启动 A/D 转换。当该输入脚为 高电平时，允许读A/D转换器输出的转换结果；当该输入 脚为低电平时，启动A/D转换。 （8）A0：字节地址控制输入端。当启动A/D转换时， 若A0=1，仅作8位A/D转换；若A0=0，则作12位A/D转换。 当作12位A/D转换并按8位输出时，在读入A/D转换值时， 若A0=0，可读高8位A/D转换值，若A0=1，则读入低4位 A/D转换值。
二、精度（precision）
精度是指转换的结果相对于实际的偏差，精度 有两种表示方法： （1）绝对精度：用最低位（LSB）的倍数来表示，如 ±（1/2）LSB或±1LSB等。 （2）相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数 来表示，例如±0.05%等。 注意：分辨率与精度是两个不同的概念。
模数转换与数模转换电路问答
模数转换与数模转换电路问答No. 001Σ-Δ型模数转换器与传统的A/D转换器有什么差别？Σ-Δ型模数转换器由Σ-Δ调制器和数字抽取滤波器组成，Σ-Δ调制器量化对象不是传统A/D转换器中信号采样点的幅值，而是相邻两个采样点幅值之间的差值，并将这种值编码为1位的数字信号输出；数字抽取滤波器则具有数字抽取（重采样）和低通滤波的双重功能。
它和传统滤波器最大的差别在于：传统的A/D转换器可以多个通道模拟信号输入共用一个转换器，而Σ-Δ型模数转换器是一个通道一个转换器，传统的A/D转换器每一通道的前端都需要一个抗混叠滤波器，而Σ-Δ型模数转换器因其数字抽取滤波器具有低通滤波功能而避免了混叠失真，所以不需要此器件。
No. 002I2C接口9通道14位电流DAC MAX5112的性能如何？MAX5112是一款14位、9通道电流输出数/模转换器（DAC）（见图1）。
该器件工作在低至3.0V电源，并提供14位的性能，而无需任何调整。
图1MAX5112的内部功能框图器件输出范围优化用于偏置大功率可调节激光源，9个通道中每一路都带有电流源。
并行连接DAC输出可获得额外电流或更高的分辨率。
器件包含内部基准。
I2C兼容接口能够以高达400MHz的时钟速率驱动器件，通过高电平有效的异步CLR输入能够将DAC复位至0，无需使用串口。
器件为驱动接口逻辑电路提供独立的电源输入。
MAX5112工作在-40℃～+105℃温度范围，提供3mm×3mm、36焊球WLP 和5mm×5mm、32引脚TQFN封装。
MAX5112的特点和优势：●低至3.0V的供电电压●集成多路复用器用于输出1和输出2●并行连接输出可增大电流或提高分辨率●I2C兼容串行接口●内部基准●过热保护●-40℃～+105℃温度范围●提供36焊球WLP或32引脚TQFN封装No. 003A/D前都需要加抗混叠滤波器吗？根据奈奎斯特采样定律，A/D的采样频率fs必须高于信号最高频率的两倍，因此一般A/D在进行数模转换前，都会在A/D前加一个抗混迭滤波器，滤去fs/2以上的频率，消除混迭失真的影响。
数模及模数转换器接口71DA转换器
20 8 9 11
2 3
4
1
5
6 VO
19 ILE IOUT2 12
U2
LM741
7
1 2
CS WR1 AGND
3
P27 /WR
17 18
XFER WR2 DGND
10
+12
DAC0832LCJ(20)
(c)
数模及模数转换器接口71DA转换
器
2、
主要应用在多路D/A转换器同步系统中。
DB
VCC
P27 /WR
D 0 VCC D1 D 2 VREF D3 D 4 FB D5 D 6 IOUT1 D7
19 ILE IOUT2
1 2
CS WR1 AGND
17 18
XFER WR2 DGND
DAC0832LCJ(20)
VCC VREF(-5V) -12 20
8
5
1
4
9
11
2
6 VO
3
12
U2
LM741
7
3
+12 10
当WR和2 否则
X均FER为低电平时， =L1E，2此时允许D/A转换， LE2=0，将数据锁存于DAC寄存器中
数模及模数转换器接口71DA转换 器
三、DAC0832管脚功能
引脚功能： D0～D7 数据线 ILE输入锁存允许信号
CS片选信号
U1
7 6 5 4 16 15 14 13
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
图 8-3 D A C 0832 引 脚 图
AGND：模拟地；数模D及模G数N转换D器：接口数71D字A转换地。
器
模数(A／D)和数模(D／A)转换
模数(A／D)和数模(D／A)转换模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1模数转换和数模转换概述11.1.1一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
传感器μV，mV控制传感器放大滤波几伏放大滤波多路开关MU某采样保持S/H模拟A/D数字I/O转换接口计算机对象执行部件多路开关MU 某模拟D/A数字I/O转换接口图11.1典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换28711.1.2模/数转换器（ADC）的主要性能参数1.分辨率它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。
数模转换与模数转换
数模转换与模数转换数模转换（Digital-to-Analog Conversion，简称DAC）和模数转换（Analog-to-Digital Conversion，简称ADC）是数字信号处理中常用的两种信号转换方法。
数模转换将数字信号转换为模拟信号，而模数转换则将模拟信号转换为数字信号。
本文将就数模转换和模数转换的原理、应用以及未来发展进行探讨。
一、数模转换（DAC）数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。
在数字系统中，所有信号都以离散的形式存在，如二进制码。
为了能够将数字信号用于模拟系统中，需要将其转换为模拟信号，从而使得数字系统与模拟系统能够进行有效的接口连接。
数模转换的原理是根据数字信号的离散性质，在模拟信号上建立相似的离散形式。
常用的数模转换方法有脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation，简称PAM），脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）和脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，简称PPM）等。
这些方法根据传输信号的不同特点，在转换过程中产生连续的模拟信号。
数模转换在很多领域有广泛应用。
例如，在音频领域，将数字音频信号转换为模拟音频信号，使得数字音频可以通过扬声器播放出来。
另外，在电信领域，将数字信号转换为模拟信号后，可以用于传输、调制解调、功率放大等过程。
二、模数转换（ADC）模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
模拟信号具有连续的特点，而数字系统只能处理离散的信号。
因此，当需要将模拟信号用于数字系统时，就需要将其转换为数字形式。
模数转换的原理是通过采样和量化来实现。
采样是将模拟信号在时间上进行离散化，而量化是将采样信号在幅度上进行离散化。
通过这两个过程，可以将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
模数转换在很多领域都有应用。
例如，在音频领域，将模拟音频信号转换为数字音频信号，使得音频信号可以被数字设备处理和存储。
【精品】数模转换与模数转换
【关键字】精品第7章数-模转换与模-数转换第1讲数-模转换一、教学目的：1、数模转换的基本原理。
2、理解常见的数模转换电路。
3、掌握数模转换电路的主要性能指标。
二、主要内容：1、数模转换的定义及基本原理2、权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数3、DAC主要性能指标三、重点难点：权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
四、课时安排：2学时五、教学方式：课堂讲授六、教学过程设计复习并导入新课：新课讲解：[重点难点]权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数，逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
[内容提要]本章介绍数字信号和模拟信号相互转换的基本原理和常见转换电路。
必要性与意义：自然界中，许多物理量是模拟量，电子系统中的输入、输出信号多数也是模拟信号。
而数字系统处理的数字信号却具有抗干扰能力强、易处理等优点；利用数字系统处理模拟信号的情况也越来越普遍。
由于数字系统只能对数字信号进行处理，因此要根据实际情况对模拟信号和数字信号进行相互转换。
随着计算机技术和数字信号处理技术的快速发展，在通信、自动控制等许多领域，常常需要将输入到电子系统的模拟信号转换成数字信号后，再由系统进行相应的处理，而数字系统输出的数字信号，还要再转换为模拟信号后，才能控制相关的执行机构。
这样，就需要在模拟信号与数字信号之间建立一个转换接口电路—模数转换器和数模转换器。
A/D转换定义：将模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换（Analog to Digital），或A/D转换。
能够完成这种转换的电路称为模数转换器（Analog Digital Converter），简称ADC。
D/A转换定义：将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换（Digital to Analog），或D/A转换。
数模转换和模数转换
2）CLOCK（第10脚）：时钟CP输入端，ADC0808/0809只有在CP信号同步下, 才能进行A/D转换。时钟 频率的上限是640KHZ。 3）ALE（第22脚）：地址锁存允许端。 ~ALE=1时地址锁存和译码部分把上面所述的CBA的值输入和译码并接通IN0 IN7之一。 当 ALE=0时，把CBA的值锁存起来。 4）START（第6脚）：启动脉冲输入端，启动脉冲的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下跳沿启动ADC 开始转换。 ~5）VDD(第11脚)：电源输入端：+5V +6.5V。 6）GND（第13脚）：地 7）VREF（+）（第12脚）VREF-（第16脚）：分别为基准电压的高电平和低电平端。 8）EOC（第7脚）：转换结束信号端。EOC=0，表示转换正在进行，输出数据不可信。EOC=1表示转换 已完成，输出数据可信。 9）BO～B7（第8、14、15、17～21脚）：转换所得八位输出数据，B7是最高位，BO是最低位。 10）OE（第9脚）：允许输出端。OE端控制输出锁存器的三态门。当OE=1时，转换所得的数据送到B0 ～B7端，当OE=0时，B0～B7脚对外呈高阻状态。 11 ） ADDA 、 ADDB 、 ADDC （第 25 ～ 23 脚）：通道地址输入端。例如当 CBA=001 时，模拟量 IN1 输至 ADC0808/0809，CBA=010时,IN2输入ADC0809…依次类推。
并行比较型A/D转换器真值表
2． 逐次比较型A/D转换器 转换原理：
输出数 字信号
逻辑电路
8.2.3间接A/D转换器 1．双积分型A/D转换器
它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定 时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。
工作原理：
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CPU，对外设本身发展不利。
44
接口的桥梁作用
图1-3 CPU与外部设备的硬件接口
45
2.接口的功能
➢ 主机需要控制转换的启动 ➢ 主机还需要及时获知转换是否结束，并
进行数据输入等处理
33
六、ADC0809与PC总线的接口设计
1.数据输出线与主机的连接 直接相连：用于输出带有三态锁存器的ADC 芯片 通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存 器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓冲器 的芯片
ADC芯片的数字输出位数大于系统数据总线 位数，需把数据分多次读取
V0<Vi ，D0=1 64+32+16+8+2+1=123
29
五、ADC0809的转换过程和时序
START/ALE
程序或外部控制送选址信号A、B、C 稳定后，再送地址允许锁存信号ALE. ALE的上升沿锁存A、B、C
ADDA/B/C
EOC
OE
D0～D7
200ns (最小)
2s+8T (最大)
100s
39
例2、中断方式电路连接
+5V
D0～D7
IOR 220h
A0～A9
译码
IOW IRQ2
Vcc VREF(+) D0～D7
IN0
OE CLOCK
START ADDA ADDB
EOC ADDC ALE
GND VREF(-)
模拟输入 （0～5V）
500KHz
8位ADC与PC接口举例 –软件设计
；主程序段 MOV DX，81H OUT DX，AL WA： STI ；其它处理程序 JMP WA ；中断服务程序段 MOV DX，81H IN AL，DX MOV DATA，AL
采
A
模拟量2
路 模
拟
开
模拟量n
关
样 保 持 电
路
/ D 转 换 器
微 机 系 统
A/D转换器 是完成A/D转换的核心。
5
二、ADC的性能指标
1.相对精度——由相对误差决定。 相对误差指绝对误差与满刻度值之比，常用 LSB来表示。
1LSB=满刻度值*1/2n
如：一个8位ADC，其相对误差为1/2LSB， 则其绝对误差为0.5*5*1/28=9.8mV 相对百分比误差为(0.5*5*1/28)/5=0.195%
1280K
11
ADC0809—8bitA/D转换器
12
ADC0809逻辑结构
13
ADC0809逻辑结构
IN0～IN7： 8个模拟电压输入端
14
ADC0809逻辑结构
ALE的上升沿 用于锁存3个地址输入的 状态，然后由译码器从8 个模拟输入中选择一个 模拟输入端进行A/D转 换
ADDA、ADDB、 ADDC： 3个地址输入线 ALE：地址锁存允许信 号
转换速率与转换时间不一定是倒数关系
第1 次转换
t
第2 次转换
9
ADC的性能指标
4.电源灵敏度
当电源电压发生变化时，ADC的输出会发生 变化。
相当于：ADC的输入量发生了变化——产生 了误差。
电源灵敏度用相0.当05于% 同/ %样变Us化的模拟输入值
的百分数来表示。
如：电源灵敏度为
，表示电源电
压变化为电源电压Us的10 1%时，相当于引入
端，要求正脉冲信号。 Conversion
脉冲的上升沿使所有内 在START之后变低，A/D
部寄存器清0，下降沿启 转换结束后变高。可用来
动A/D转换
申请中断。
17
ADC0809逻辑结构
三态数字量输出端D0～D7 ADC0809内部锁存转换后的 数字量 当输出允许信号OE为高电平时， 将三态锁存缓冲器的数字量从 D0～D7输出
数字 输出量
111 110 101 100 011 010 001 000
1v 2v 3v 4v 5v 6v 7v
输入 输出 -0.5~0.5v 000 0.5~1.5v 001 1.5~2.5v 010
、、、 5.5~6.5v 110 6.5~7.5v 111
模拟输入量
8
ADC的性能指标
3.转换时间和转换速率 转换时间是指完成一次转换所需的时间， 完成一次转换：从接到转换启动信号开始， 到输出端获得稳定的数字信号。 转换速率：每秒钟进行A/D转换的次数
34
六、ADC0809与PC总线的接口设计
2.启动转换信号START的连接 要求一个正脉冲 编程启动 软件上，执行一个输出指令 硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉冲，
或产生一个启动有效电平 定时启动 启动信号来自定时器输出
35
六、ADC0809与PC总线的接口设计
3.转换结束信号的处理 不同的处理方式对应程序设计方法不同 ① 查询方式——把结束信号作为状态信号 ② 中断方式——把结束信号作为中断请求信
15
ADC0809逻辑结构
ADDC ADDB ADDA 通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
ADDA、ADDB、
ADDC：
3个地址输入线
ALE：地址锁存允许信
号
16
ADC0809逻辑结构
START：
ADC启动控制信号输入 EOC: End Of
22
四、逐次逼近A/D转换原理
4种常用的A/D转换方法 计数器式 逐次逼近式 微机系统中应用较多 双积分式 并行式
23
逐次逼近式A/D转换
• 逐次逼近式A/D转换是用得最多的一种方法。
• 组成：
•
D/A转换器、比较器、控制逻辑，逐次逼近寄存器.
• 工作过程：
• 从最高位开始通过试探值逐次进行测试，
START/ALE
当ADC结束后，EOC变高 此时，由程序或外部送一个允许输出 信号OE（高有效），打开锁存器的 三态门，将转换的结果送到数据总线
ADDA/B/C
EOC
OE
D0～D7
200ns (最小)
2s+8T (最大)
100s
DATA
32
六、ADC0809与PC总线的接口设计
➢ ADC芯片相当于“输入设备”，需要接 口电路提供数据缓冲器
• 直到试探值经D/A转换器输出Vo与Vi相等或达到允许误差
范围为止。则该试探值就为A/D转换所需的数字量。
24
逐次逼近式A/D转换
Vi
-
+ VO
比较器
8位 D/A 转换器
控制电路
逐次逼近 寄存器
缓冲寄存器
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
25
启动信号 CLK 转换信号
D7 D6 .. .. .. .. ... D0
；启动A/D转换 ；开中断
；等待A/D转换结束
；读入转换结果数据 ；存入指定单元
41
结束
42
接口：微处理器与外设的连接部件，它是 CPU与外设进行信息交换的中转站；
接口技术：采用硬件与软件相结合的方法， 研究CPU如何与外部世界进行最佳藕合与匹配。
43
为什么要有接口 1）外部设备的品种繁多，结构各异 2）外部设备输入、输出数据信号的类型不同 3）外部设备的工作速度差异很大 4）若不用接口， I/O直接接CPU，随着外设增
号 ③ 延时方式——不使用转换结束信号 ④ DMA方式——把结束信号作为DMA请求
信号
36
例1、查询方式电路连接
D0～D7 D7
238h～23fh
IOR A3～A9
译码
IOW 220h～227h
DA00
DA11 DA22
+5V
Vcc VREF(+)
D0～D7
EOC
IN0 IN1
IN2
IN3
IN4
OE
DATA
30
五、ADC0809的转换过程和时序
START/ALE ADDA/B/C
EOC
START上升沿使逐次逼近寄存器清 0，下降沿开始逐位比较
自START上升沿开始，经最多8个 时钟周期，EOC自动变低
OE
D0～D7
200ns (最小)
2s+8T (最大)
31
100s
DATA
五、ADC0809的转换过程和时序
三、ADC0809—8bitA/D转换器 •逐次逼近型、8位 •具有转换起停控制端 •最大不可调误差±1LSB •单个＋5V电源供电 •模拟输入电压范围0～＋5V •工作温度范围为-40～＋85摄氏度 •低功耗，约15mW •输出带可控三态缓冲，可与总线直接相连 •带锁存控制的8选1多路开关 •转换速度取决于CLK输入，CLK为10k-
第八章 数模和模数转换接口
模拟量
模拟/数字转换器 ADC
数字量
本章内容
1. 数模和模数转换的概念和必要性 2. 数模转换器的主要性能指标 3. 8位D/A转换器DAC0832及其接口设计 4. D/A转换器应用实例 5. 8位A/D转换器ADC0809及其接口设计 6. A/D转换器应用实例
2
一、A/D接口组成
基准电压负极
20
转换公式示例
N = Vin - VREF(-) 28 VREF(+) - VREF(-)