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第10章 A/D转换器与D/A转换器应用

D/A转换器（Digit to Analog Converter，DAC）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件。

A/D转换器（Analog to Digit Converter，ADC）是一种能把模拟量转换成数字量的电子器件。

在单片机控制系统中，经常需要用到D/A 和A/D转换器。它们的功能及其在实时控制中的作用，如图10-1所示。

图10-1 单片机和被控实体间的接口示意图

其中：被控系统的过程信号可以是电量（如电流、电压、功率和开关量等），也可以是非电量（如温度、压力、流速和密度等），其数值是随时间连续变化的。过程信号可以由变送器和各类传感器变换成相应的模拟电量，然后经多路开关，输入到A/D转换器，由A/D转换器将其转换成相应的数字量送给单片机，单片机对过程信息进行相关的运算和处理。

另一方面，单片机还把处理后的数字量送给D/A转换器，变换成相应的模拟量，对被控系统实施控制和调整，使被控系统处于最佳工作状态。

上述分析表明：在单片机控制系统中，传感器和变送器主要用于数据采集，A/D转换器把采集的模拟量转换成数字量，向单片机提供被控对象的各种实时参数，以便单片机对被控对象进行监视；D/A转换器用于把单片机处理完毕的数字量转换成模拟量，作为控制信号的控制值，通过机械或电气手段对被控对象进行调整和控制。

本章介绍典型的ADC、DAC集成电路芯片，以及与单片机的硬件接口设计及软件设计。

10.1 AT89S51单片机与ADC的接口 10.1.1 A/D转换器简介

A/D转换器种类很多，但从原理上可分为四种：计数器式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器和并行A/D转换器。

计数器式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。双

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积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为接口电路，它的结构不太复杂，转换速度也高。并行A/D转换器的转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高的场合。

【逐次比较型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器。】

现在部分的单片机片内集成了A/D转换器，在片内A/D转换器不能满足需要的情况下，还是需进行外扩。

10.1.2 逐次比较型A/D转换原理

逐次比较型A/D转换器也称为连续比较式A/D转换器。这是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图10-2：

图10-2 逐次比较型A/D转换示意框图

转换原理：图中，Vx为A/D转换器需转换的模拟输入电压；Vs是“N位D/A转换网络”的输出电压，其值由“N位寄存器”中的内容决定，受控制电路控制；比较器对Vx和Vs电压进行比较，并把比较结果送给“控制电路”。整个A/D转换是在逐次比较过程中形成，形成的数字量存放在N位寄存器中，先形成最高位，然后是次高位，一位位地形成到最低位。

工作过程如下：“控制电路”从“启动”输入端收到CPU送来的“启动”脉冲后开始工作。先使“N位寄存器”中的最高位置“1”，其余位为零，“N位D/A转换网络”根据“N位寄存器”中的内容产生Vs电压，其值为满量程Vx的一半，并送入比较器进行比较。

若Vx≥Vs，则比较器输出逻辑“1”，通过“控制电路”使“N位寄存器”中最高位的“1”保留，表示输入模拟电压Vx比满量程的一半还大；

若Vx

控制电路依次对N－1、N－2、…、N－（N－1）位重复上述过程，就可使

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“N位寄存器”中得到和模拟电压Vx相对应的数字量。“控制电路”在A/D转换完成后，自动使“DONE”输出端为高电平。CPU查询DONE端的状态（或作为中断请求信号）就可以从A/D转换器读出A/D转换后的数字量。

10.1.3 A/D转换器的主要技术指标

A/D转换器按照输出数字量的有效位数分为4位、8位、10位、12位、14位、16位并行输出以及BCD码输出的3位半、4位半、5位半等多种。 A/D转换器按照转换速度可大致分为超高速（转换时间≤1ns）、高速（转换时间≤1μs）、中速（转换时间≤1ms）、低速（转换时间≤1s）等几种不同转换速度的芯片。为适应系统集成的需要，有些转换器还将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二－十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供很多方便。

（1）转换时间和转换速率

A/D完成一次转换所需要的时间。转换速率是转换时间的倒数。是一个很重要的指标。ADC型号不同，转换速率差别很大。通常，8位逐次比较型ADC的转换时间为100μs左右。 （2）分辨率

在A/D转换器中，分辨率是衡量A/D转换器能够分辨出输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上用输出的二进制位数或BCD码位数表示。

例如，A/D转换器AD1674的满量程输入电压为5V，可输出12位二进制数，即用212个数进行量化，其分辨率为1LSB，也即5V/212=1.22mV，其分辨率为12位，或A/D转换器能分辨出输入电压1.22mV的变化。

ADC0809，其分辨率为1LSB，也即5V/28=0.01953V＝19.53 mV.

又如，双积分型输出BCD 码的A/D转换器MC14433，其满量程输入电压为2V，其输出最大的十进制数为1999，分辨率为三位半（BCD 码），如果换算成二进制位数表示，其分辨率约为11位，因为1999最接近于211=2048。

量化过程引起的误差称为量化误差。是由于有限位数字量对模拟量进行量化而引起的误差。理论上规定为一个单位分辨率的-1/2 - +1/2LSB，提高A/D位数既可以提高分辨率，又能够减少量化误差。 （3）转换精度

A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。

10.2.2 AT89C51与逐次比较型8位A/D转换器――ADC0809的接口

1. ADC0809的内部结构

ADC0809的结构如图10-3所示。采用逐次比较法完成A/D转换，单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8选1模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。完成一次转换需100μs左右（在fCLK=640KHz时，转换时间与CLK脚的时钟频率有关），具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0～5V的模拟信号进行转换。

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