8.1 A/D转换概述
8.1.1 A/D转换的基本概念
A/D转换，即模拟-数字转换，是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。在单片机应用系统中，A/D转换是连接模拟世界和数字世界的桥梁。
A/D转换过程
- 采样：按一定的时间间隔对模拟信号进行取值
- 保持：将采样得到的模拟信号值保持一段时间，以便进行量化
- 量化：将采样保持后的模拟信号转换为数字量的过程
- 编码：将量化后的数值用二进制代码表示
8.1.2 A/D转换器的性能指标
1. 分辨率
指A/D转换器能够分辨的最小模拟输入量变化，通常用位数表示。分辨率 = 满量程电压 / 2n（n为位数）
2. 转换精度
指A/D转换器输出的数字量与实际模拟输入量之间的接近程度，通常用绝对精度和相对精度表示。
3. 转换时间
指A/D转换器完成一次转换所需的时间，包括采样时间和转换时间。
4. 量程
指A/D转换器能够转换的模拟输入电压范围，通常分为单极性和双极性两种。
5. 线性度
指A/D转换器的输出与输入之间的线性关系程度，通常用非线性误差表示。
6. 输入阻抗
指A/D转换器输入端的等效阻抗，输入阻抗越高，对信号源的影响越小。
8.1.3 A/D转换器的分类
逐次逼近型
转换速度较快，精度较高，应用广泛
双积分型
抗干扰能力强，精度高，但转换速度较慢
并行比较型
转换速度最快，但成本高，功耗大
Σ-Δ型
分辨率高，抗干扰能力强，适用于高精度测量
8.1.4 A/D转换器的应用场景
- 数据采集系统：将各种传感器信号转换为数字信号
- 工业自动化控制系统：实时采集温度、压力等参数
- 智能仪器仪表：实现高精度测量和显示
- 医疗电子设备：采集生理信号
- 通信设备：信号处理和调制解调
- 多媒体设备：音频和视频信号处理
8.2 ADC0809结构与引脚
8.2.1 ADC0809概述
ADC0809是美国国家半导体公司生产的8位逐次逼近型A/D转换器，具有8个模拟量输入通道，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换。
主要特点
- 8路模拟输入通道，通道地址由3位地址输入信号决定
- 分辨率为8位
- 转换时间约为100μs（时钟频率为640kHz时）
- 模拟输入电压范围为0~5V
- 无需外部零点和满量程调整
- 功耗低，约15mW
- 可与大多数微处理器直接接口
8.2.2 ADC0809内部结构
1. 8通道多路模拟开关
可从8路模拟输入信号中选择一路进行A/D转换，由地址锁存与译码电路控制。
2. 地址锁存与译码电路
锁存3位地址信号，并译码产生通道选择信号，选中相应的模拟输入通道。
3. 比较器
将输入的模拟信号与D/A转换器输出的反馈信号进行比较，输出比较结果。
4. 逐次逼近寄存器(SAR)
在控制电路的作用下，逐次逼近地产生比较所需的数字量。
5. D/A转换器
将SAR中的数字量转换为模拟电压，作为比较器的参考电压。
6. 三态输出锁存器
锁存A/D转换的结果，可直接与微处理器的数据总线相连。
8.2.3 ADC0809引脚功能
| 引脚名称 | 功能描述 |
|---|---|
| IN0~IN7 | 8路模拟量输入端，输入电压范围为0~5V |
| ADDA、ADDB、ADDC | 通道地址选择输入端，用于选择8路模拟输入中的一路 |
| ALE | 地址锁存允许信号，上升沿将地址信号锁存 |
| START | 转换启动信号，上升沿复位，下降沿启动转换 |
| EOC | 转换结束信号，高电平表示转换结束 |
| OE | 输出允许信号，高电平有效，打开三态门输出 |
| CLOCK | 时钟输入端，典型频率为640kHz |
| D0~D7 | 8位数字量输出端，D0为最低位，D7为最高位 |
| VREF(+)、VREF(-) | 参考电压输入端，VREF(+)接+5V，VREF(-)接地 |
| VCC | 电源输入端，接+5V |
| GND | 接地端 |
8.2.4 ADC0809工作时序
- 通道选择：通过ADDA~ADDC输入通道地址，在ALE信号的上升沿将地址锁存
- 启动转换：在START信号的下降沿启动A/D转换
- 转换过程：A/D转换器进行逐次逼近转换，期间EOC信号为低电平
- 转换结束：转换完成后，EOC信号变为高电平
- 读取数据：CPU检测到EOC变高后，输出OE信号读取转换结果
8.3 D/A转换概述
8.3.1 D/A转换的基本概念
D/A转换，即数字-模拟转换，是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号的过程。在单片机应用系统中，D/A转换器常用于将数字控制系统的输出转换为模拟信号，驱动执行机构。
工作原理
基于权电阻网络或T型电阻网络，将数字量的每一位按照其权值转换为相应的模拟电流或电压，然后通过运算放大器求和并转换为电压输出。
8.3.2 D/A转换器的性能指标
1. 分辨率
指D/A转换器能够分辨的最小输出模拟量变化，分辨率 = 满量程输出 / 2n（n为位数）
2. 转换精度
指D/A转换器输出的模拟量与理论值之间的接近程度，取决于参考电压和电阻网络的精度。
3. 建立时间
指D/A转换器从输入数字量变化到输出模拟量达到稳定值所需的时间。
4. 线性度
指D/A转换器的输出与输入之间的线性关系程度，非线性误差越小，线性度越好。
5. 温度系数
指D/A转换器的性能随温度变化的特性。
6. 输出范围
常见的有0~5V、0~10V、-5V~+5V、-10V~+10V等。
8.3.3 D/A转换器的分类
- 权电阻网络D/A转换器：结构简单，但精度较低
- T型电阻网络D/A转换器：使用的电阻种类少，精度较高
- 倒T型电阻网络D/A转换器：转换速度快，动态性能好，应用最广泛
- 权电流型D/A转换器：采用恒流源，转换精度高，温度稳定性好
8.3.4 D/A转换器的应用场景
- 波形发生器：产生正弦波、方波、三角波等
- 数控电源：输出可编程的电压或电流
- 数字音频系统：将数字音频信号转换为模拟音频信号
- 自动控制系统：驱动执行机构
- 仪器仪表：产生标准信号源
- 通信设备：调制解调信号
8.4 DAC0832结构与引脚
8.4.1 DAC0832概述
DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位D/A转换器，具有双缓冲输入寄存器，可以方便地实现多通道D/A转换的同步输出。
主要特点
- 8位分辨率，电流输出型
- 具有双缓冲、单缓冲和直通三种工作方式
- 转换时间约为1μs
- 线性误差为±0.2%FSR（满量程）
- 功耗低，约20mW
- 可与大多数微处理器直接接口
- 逻辑电平输入与TTL兼容
8.4.2 DAC0832内部结构
1. 8位输入寄存器
用于暂存微处理器送来的数字量，由ILE、/CS、/WR1控制。
2. 8位DAC寄存器
用于暂存输入寄存器中的数据，由/XFER、/WR2控制。
3. 8位D/A转换电路
由倒T型电阻网络和电子开关组成，将数字量转换为模拟电流输出。
4. 控制逻辑电路
控制两个寄存器的锁存和数据传输，实现三种工作方式。
8.4.3 DAC0832引脚功能
| 引脚名称 | 功能描述 |
|---|---|
| D0~D7 | 8位数字量输入端 |
| ILE | 输入锁存允许信号，高电平有效 |
| /CS | 片选信号，低电平有效 |
| /WR1 | 写信号1，低电平有效，写入输入寄存器 |
| /XFER | 数据传输控制信号，低电平有效 |
| /WR2 | 写信号2，低电平有效，写入DAC寄存器 |
| Iout1 | 模拟电流输出端1，全1时最大，全0时最小 |
| Iout2 | 模拟电流输出端2，Iout1 + Iout2 = 常数 |
| Rfb | 反馈电阻引出端，内部已接有反馈电阻 |
| Vref | 参考电压输入端，范围为-10V~+10V |
| Vcc | 电源输入端，范围为+5V~+15V |
| AGND/DGND | 模拟地/数字地 |
8.4.4 DAC0832工作方式
1. 双缓冲方式
两个寄存器都处于受控锁存状态，需要两步操作完成一次转换。适用于多路D/A转换同步输出。
2. 单缓冲方式
一个寄存器直通，另一个受控锁存，一步操作完成转换。适用于一般D/A转换应用。
3. 直通方式
两个寄存器都直通，数字量直接进入转换器。适用于连续反馈控制回路。
8.4.5 DAC0832应用电路
- 单极性输出电路：输出电压范围为0~Vref或-Vref~0
- 双极性输出电路：输出电压范围为-Vref~+Vref
- 多路D/A转换同步输出电路：使用多个DAC0832实现多路模拟信号的同步输出
8.5 应用案例
8.5.1 基于ADC0809的温度采集系统
系统组成
- 温度传感器：将温度转换为电压信号
- A/D转换器：ADC0809，将模拟信号转换为数字信号
- 单片机：AT89C51，控制ADC0809并处理数据
- 显示模块：LCD1602，显示温度值
程序设计
8.5.2 基于DAC0832的波形发生器
系统组成
- D/A转换器：DAC0832，将数字信号转换为模拟信号
- 单片机：AT89C51，产生波形数据
- 运算放大器：将电流输出转换为电压输出
- 按键模块：选择波形类型和频率
程序设计
8.5.3 基于ADC0809和DAC0832的数据采集与控制系统
系统组成
- 传感器模块：温度、压力、流量等多种传感器
- A/D转换器：ADC0809，将模拟信号转换为数字信号
- 单片机：AT89C51，控制ADC0809和DAC0832并处理数据
- D/A转换器：DAC0832，将控制信号转换为模拟信号
- 执行机构：根据DAC0832输出执行控制动作
- 显示模块：LCD1602，显示数据和系统状态
程序设计
8.6 本章总结
核心要点
- 掌握A/D转换的基本概念和性能指标
- 理解ADC0809的内部结构和引脚功能
- 掌握D/A转换的基本概念和性能指标
- 理解DAC0832的内部结构和工作方式
- 能够编写ADC0809和DAC0832的应用程序
学习建议
- 通过实验加深对A/D和D/A转换原理的理解
- 多练习ADC0809和DAC0832的接口电路设计
- 结合Proteus仿真验证程序功能
- 尝试实现温度采集、波形发生器等实际项目
- 注意模拟地和数字地的区分，减少干扰
ADC0809与DAC0832对比
| 比较项目 | ADC0809 | DAC0832 |
|---|---|---|
| 功能 | 模拟-数字转换 | 数字-模拟转换 |
| 位数 | 8位 | 8位 |
| 分辨率 | 1/256 | 1/256 |
| 输入/输出 | 8路模拟输入，8位数字输出 | 8位数字输入，电流输出 |
| 转换时间 | 约100μs | 约1μs |
| 工作方式 | 逐次逼近型 | 倒T型电阻网络 |
| 输出形式 | 并行输出 | 电流输出，需外接运放转换为电压 |
| 典型应用 | 数据采集系统 | 波形发生器、控制系统 |
实际应用中的注意事项
ADC0809使用注意事项
- 参考电压的稳定性直接影响转换精度
- 注意地址信号与ALE信号的配合
- 转换启动信号START的上升沿复位，下降沿启动转换
- 转换结束信号EOC可作为中断请求信号
- 输入信号的范围应在0~5V之间
DAC0832使用注意事项
- 输出是电流信号，需外接运算放大器转换为电压
- 双缓冲方式可实现多路同步输出
- 注意控制信号的时序配合
- 参考电压的精度影响输出精度
- 数字地和模拟地应正确连接
8.7 课后练习题
1 填空题
1. A/D转换的四个步骤是____、____、____和____。
2. ADC0809是____位逐次逼近型A/D转换器，具有____路模拟输入通道。
3. ADC0809的分辨率计算公式为____，当参考电压为5V时，分辨率约为____mV。
4. ADC0809的START信号____沿复位，____沿启动转换。
5. D/A转换的基本原理是基于____网络或____网络。
6. DAC0832是____位电流输出型D/A转换器，具有____、____和____三种工作方式。
7. DAC0832的参考电压输入范围为____V到____V。
8. DAC0832的双缓冲方式适用于____场合。
9. ADC0809的EOC引脚为____电平时表示转换结束。
10. DAC0832的输出是____信号，需外接____转换为电压信号。
2 单选题
1. ADC0809的分辨率是多少位？
A. 4位 B. 8位 C. 10位 D. 12位
2. 以下哪个不是A/D转换的步骤？
A. 采样 B. 保持 C. 放大 D. 量化
3. ADC0809的模拟输入电压范围是多少？
A. 0~3V B. 0~5V C. 0~10V D. -5V~+5V
4. ADC0809的EOC引脚的作用是什么？
A. 地址锁存允许 B. 转换启动 C. 转换结束 D. 输出允许
5. DAC0832的输出是什么类型的信号？
A. 电压信号 B. 电流信号 C. 数字信号 D. 脉冲信号
6. DAC0832的双缓冲工作方式适用于什么场合？
A. 单通道D/A转换 B. 多路D/A转换同步输出 C. 高速D/A转换 D. 低功耗D/A转换
7. 以下哪种A/D转换器转换速度最快？
A. 逐次逼近型 B. 双积分型 C. 并行比较型 D. Σ-Δ型
8. DAC0832的参考电压输入范围是？
A. 0~5V B. 0~10V C. -10V~+10V D. -5V~+5V
9. ADC0809的转换时间约为？
A. 1μs B. 10μs C. 100μs D. 1ms
10. 以下哪种D/A转换器应用最广泛？
A. 权电阻网络 B. T型电阻网络 C. 倒T型电阻网络 D. 权电流型
3 编程题
1. 编写程序，使用ADC0809采集通道0的模拟信号，将转换结果存入内部RAM的30H单元。
2. 编写程序，使用DAC0832以单缓冲方式输出数据，将累加器A中的数据转换为模拟信号输出。
3. 编写程序，使用DAC0832产生锯齿波信号，输出到示波器观察波形。
4. 编写程序，依次采集ADC0809的8路模拟输入信号，将结果存入30H~37H单元。
5. 编写程序，使用DAC0832产生方波信号，方波高电平对应数据FFH，低电平对应数据00H。