有關D/A、A/D的基本概念

DAC及其接口

ADC及其接口

A/D、D/A應用舉例本章內容

了解微機控制系統的一般組成了解D/A、A/D的基本原理了解DAC、ADC的主要性能指標掌握DAC、ADC與CPU的接口及其應用學習目的

13.1D/A與A/D接口概述一、一個典型的計算機自動控制系統

數/模（D/A）和模/數（A/D）轉換技術主要用于計算機實時控制和自動測量系統中。在工業控制和參數測量時，經常會遇到如溫度、壓力、流量等連續變化的物理量（通稱模擬量）。用計算機處理這些模擬量必須先將其轉換為電信號，然后再經A/D轉換器將其轉換為數字量。對于大多數的被控對象，計算機加工處理后輸出的數字形式控制信號還應經D/A轉換變成模擬量。才能推動執行機構工作。一個包含A/D和D/A轉換的計算機閉環自動控制系統

如下圖所示生

產

過

程傳感器執行機構A/D轉換器I/O接口計算機D/A轉換器I/O接口圖13.1典型的計算機自動控制系統二、模/數轉換器(ADC)的主要性能參數分辨率（Resolution）

它表明A/D對模擬信號的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。2.量化誤差（Quantizingerror）

在A/D轉換中由于整量化產生的固有誤差。量化誤差在±1/2LSB（最低有效位）之間。

一個8位的A/D轉換器，它把輸入電壓信號分成28=256層，若它的量程為0~5V，那么，量化單位q為：q==≈0.0195V=19.5mV例如3.轉換時間（Conversiontime）

轉換時間是A/D完成一次轉換所需要的時間。一般轉換速度越快越好，常見有高速（轉換時間<1us）、中速（轉換時間<1ms）和低速（轉換時間<1s）等。4.絕對精度

對于A/D，指的是對應于一個給定量，A/D轉換器的誤差，其誤差大小由實際模擬量輸入值與理論值之差來度量。5.相對精度

對于A/D，指的是滿度值校準以后，任一數字輸出所對應的實際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。例如，對于一個8位0~+5V的A/D轉換器，如果其相對誤差為1LSB，則其絕對誤差為19.5mV，相對誤差為0.39%。三、數/模轉換器(DAC)的主要性能參數分辨率（Resolution）

分辨率表明DAC對模擬量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所對應的模擬量，它確定了能由D/A產生的最小模擬量的變化。通常用二進制數的位數表示DAC的分辨率，如分辨率為8位的D/A能給出滿量程電壓的1/28的分辨能力，顯然DAC的位數越多，則分辨率越高。2.線性誤差（Linearityerror）

D/A的實際轉換值偏離理想轉換特性的最大偏差與滿量程之間的百分比稱為線性誤差。3.建立時間（Settingtime）

這是D/A的一個重要性能參數，定義為：在數字輸入端發生滿量程碼的變化以后，D/A的模擬輸出穩定到最終值±1/2LSB時所需要的時間。4.溫度靈敏度它是指數字輸入不變的情況下，模擬輸出信號隨溫度的變化。一般D/A轉換器的溫度靈敏度為±50PPM/℃。PPM為百萬分之一。

5.輸出電平

不同型號的D/A轉換器的輸出電平相差較大，一般為5V~10V，有的高壓輸出型的輸出電平高達24V~30V。

13.2DAC0832數/模轉換器一、DAC0832的內部結構與引腳圖

圖13.2給出了DAC0832的內部結構。

圖13.3給出了DAC0832的引腳圖。

DAC0832是一種相當普遍且成本較低的數/模轉換器。該器件是一個8位轉換器，它將一個8位的二進制數轉換成模擬電壓。ILECSWR1XFERWR2D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7GD0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7GD/AD0D1D2D3D4D5D6D7VREFIOUT2IOUT1RFB鎖存器1鎖存器2轉換器圖13.2DAC0832的內部結構

圖13.3DAC0832引腳圖7203121181CSVREFWR1RFBD0D1D2D3

D4D5

D6D7XFERILEVCCDGNDAGND218965416151413191017IOUT2

IOUT1

DAC0832WR2各引腳的功能如下：

D0~D7：

8位數據輸入端。CS：片選信號輸入端。WR1、WR2：兩個寫入命令輸入端，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。IOUT1和IOUT2：互補的電流輸出端。RFB：反饋電阻，被制作在芯片內，與外接的運

算放大器配合構成電流/電壓轉換電路。VREF：轉換器的基準電壓。VCC：工作電源輸入端。AGND：模擬地，模擬電路接地點。DGND：數字地，數字電路接地點。RFB：反饋電阻，被制作在芯片內，與外接的運

算放大器配合構成電流/電壓轉換電路。VREF：轉換器的基準電壓。VCC：工作電源輸入端。AGND：模擬地，模擬電路接地點。DGND：數字地，數字電路接地點。(1)直通方式二、DAC0832的工作方式DAC0832可工作在三種不同的工作模式:

當ILE接高電平，CS，WR1、WR2和XFER都接數字地時，DAC處于直通方式，8位數字量一旦到達D0~D7輸入端，就立即加到D/A轉換器，被轉換成模擬量。(2)單緩沖方式

單緩沖方式是將一個鎖存器處于緩沖方式，另一個鎖存器處于直通方式，輸入數據經過一級緩沖送入D/A轉換器。(3)雙緩沖方式

即數據通過兩個寄存器鎖存后再送入D/A轉換電路，執行兩次寫操作才能完成一次D/A轉換。三、DAC0832與CPU的連接

由于DAC0832內部含有數據鎖存器，在與CPU相連時,使其可直接掛在數據總線上。DAC0832采用單緩沖方式

與CPU的連接如圖13.4所示。I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10O1O2O3O4O5O6O7O8GAL16V8WRA0A1A2A3A4A5A6A7M/IO+5V10K20HCSWR1WR2DGNDD0~D7D0~D7ILEXFERVREFIOUT1IOUT2AGND_+RFBLM741+5VU0DAC0832圖13.4DAC0832與CPU的單緩沖方式連接電路

下面舉例說明如何編寫D/A轉換程序。例

編寫圖13.4中DAC0832輸出三角波的匯編程序，要求三角波的最低電壓為0V，最高電壓為2.5V。分析：三角波電壓范圍0~2.5V，對應的數字量 00H~7FH。三角波的下降部分，從7FH 減1，直到數字量降為00H；上升部分則 從00H加1，直到7FH。相應的程序如下：

MOVAL，7FH ;設2.5V初值DOWN：OUT20H，AL;輸出模擬信號到端口20H，三角波下降 ;段

DECAL ;輸出值減1

CMPAL，00H;輸出值到達0V？ JNZDOWN

;輸出值未達到0V，則跳到DOWN

UP：OUT20H，AL ;輸出模擬量到端口20H，三角波上升段

INCAL ;輸出值加1

CMPAL，7FH ;判別輸出值是否到達2.5V JNZUP

;輸出值未達到2.5V則跳到UP JMPDOWN;輸出值達到2.5V則跳到DOWN循環。

本例中DAC0832輸出的三角波如圖13.5所示。若8086的時鐘頻率為5MHz，則可計算出該三角波的周期大約為1.53ms，即頻率約為654Hz。如果要進一步降低三角波的頻率（增大其周期），可在每次D/A轉換之后加入適當的延時。圖13.5DAC0832輸出的三角波形圖

13.3ADC0809模/數轉換器一、ADC0809的內部結構與引腳圖

ADC0809是一種普遍使用且成本較低的CMOS材料A/D轉換器。它具有8個模擬量輸入通道，可將模擬量轉換為8位二進制數字量。

圖13.6給出了ADC0809的內部結構。

圖13.7給出了ADC0809的引腳圖。圖13.6ADC0809轉換器的內部結構圖EOCOED0D7REF(+)REF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器通道選擇開關逐位逼近寄存器(SAR)開關樹型D/A8位鎖存和三態門定時和控制通道地址鎖存及譯碼模擬輸入數字輸出START圖13.7ADC0809的引腳圖

10

CLOCK

D0D1D2D3D4D5D6D7ADDAADDBADDCEOCOEALESTART

REF(+)REF(-)VccGNDIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7171481518192021252423792261216111326272812345ADC0809

CLOCK二、ADC0809與CPU的連接ADC0809與CPU的連接，主要是正確處理數據輸出線（D0~D7），啟動信號START和轉換結束信號EOC與系統總線的連接問題。

圖13.8給出了ADC0809與CPU的典型連接圖。

圖13.8ADC0809與CPU的連接圖300H~307HOEALESTARTIN0IN7ADDCADDBADDACLKEOCD7D0REF（-）GND500KHZREF+Vcc（）+5VA2A18路模擬輸入IORIOWADC0809≥1308H~30FHD7D0A012…………≥1I/O譯碼A9

A3≥1下面舉例說明如何編寫A/D轉換程序。例

編寫圖13.8中的A/D轉換程序，具體要求如下：①

順序采樣IN0~IN78個輸入通道的模擬信號;②

結果依次保存在ADDBUF開始的八個內存

單元中;

③

上述采樣每隔100ms循環一次。設DELAY

是一延時100ms子程序。

分析：（1）模擬輸入通道IN0~IN7由A0~A2決定其端口

地址，分別為300H~307H，與IOW相配合，

可啟動ADC0809進行轉換；

（2）查詢端口和讀A/D轉換結果寄存器的地址分

別為：308H和300H。

相應的采集程序如下：

AD：MOVCX，0008H ;通道計數單元CX賦初值

MOVDI，OFFSETADDBUF;尋址數據區，結果保存 ;在ADDBUF存儲區START：MOVDX，300H ;取IN0啟動地址LOOP1：OUTDX，AL ;啟動A/D轉換，AL可為 ;任意值

PUSHDX ;保存通道地址

MOVDX，308H ;取查詢EOC狀態的端口 ;地址WAIT：

INAL，DX ;讀EOC狀態

TESTAL，80H ;測試A/D轉換是否結束

JZWAIT ;未結束，則跳到WAIT ;處

MOVDX，300H ;取讀A/D轉換結果寄存器的 ;端口地址INAL，DX ;讀A/D轉換結果MOV[DI]，AL ;保存轉換結果INCDI ;指向下一保存單元POPDX ;恢復通道地址INCDX ;指向下一個模擬通道LOOPLOOP1 ;未完，轉入下一通道采樣CALLDELAY ;延時100msJMPAD ;進行下一次循環采樣，跳至 ;AD處。

13.4D/A與A/D應用舉例給出一個使用ADC0809和DAC0832來捕獲和重放語音信號的實例。本例要求ADC0809采樣大約1秒鐘語音信號并保存到相應存儲單元，D/A將此語音信號經揚聲器重放10次，然后循環進行上述采樣和重放，直到系統關閉。

圖13.9給出了相應得電路。1819202123456791011121317272F7H2F6H2F5H2F0HI1I2I3I4

I5I6I7I8

I9I10I11I12I13O1O2O3O4AENIOWIORA9A8A7A6A5A4A3A2A1A0U3GAL20V8111224252316762292F6H2627281234510U2VCCREF(+)IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CLK+5VEOCADDAADDBADDCOEALESTART…D0D7放大器麥克風500KHZD72F5HD0D1D22F0HGNDREF(-)13+5VD7D0…74112981918211…103120+12V揚聲器-12V+5V2F7HU117DAC0832ADC0809CSXFERDGNDAGNDRFBIOUT2VREFWR2WR1ILEIOUT1D7D0-+圖13.9A/D和D/A與CPU連接圖

分析（1）DAC0832的I/O端口地址由GAL20V8譯碼產生的地址是2F7H；ADC0809的EOC狀態查詢地址為2F6H；讀ADC0809轉換結果端口地址為2F5H；啟動A/D轉換端口地址為2F0H。（2）該程序讀大約1秒鐘語音信號，然后重放10次，重復此進程直到系統被關閉。語音信號被采樣存儲在VOICE存儲區中，采樣率為每秒鐘采樣2048次。設DELAY是延時1/2048秒的子程序，且數據段中已申請2048個單元給VOICE。

相應的程序如下：START： CALLREAD ;調用A/D采樣語音子程序

MOVCX，0AH ;置為10次LOOP1： CALLWRITE ;調用D/A放音子程序

LOOPLOOP1 ;重復放音10次

JMPSTART ;進入下一次循環READPROCNEAR ;A/D語音采樣子程序

MOVDI，OFFSETVOICE;尋址數據區

MOVCX，0800H ;裝入計數器CX=2048READA： MOVAL，00H ;選擇IN0通道，D2=0， ;D1=0，D0=0MOVDX，2F0H ;DX指向A/D轉換啟動端口 ;地址

OUTDX，AL ;啟動A/D轉換并選中IN0通道

MOVDX，2F6H;尋址EOC狀態端口地址READB： INAL，DX ;取EOC狀態

TESTAL，80H ;測試是否轉換結束

JZREADB