实验5  模/数(ADC0809)和数/模(DAC0832)转换实验

一、实验目的

1：了解模/数转换的基本原理，掌握ADC0809的使用方法。

2：了解数/模转换的基本原理，掌握DAC0832的使用方法。

二、实验内容

（1）模/数转换器0809查询法实验（实验指导书148页的实验18）

ADC0809 是美国模拟器件公司生产的 8 位逐次逼近型 AD 转换芯片，是目前性价比较高的ADC 芯片之一。适合于对采集精度要求不高、速度不是很快的场合。ADC0809 是一种带有 8位转换器、8 位多路转换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。8 位 A/D 转换器的转换方法为逐次逼近法。在 A/D 转换器的内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的 256R 分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。八路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在 8 个通道中任意访问一个单边的模拟信号，其原理框图如图所示。

ADCO809 无需调零和进行满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态 TTL 输出也可以锁存，因此易于与微处理机进行接口。从图中可以看出，ADCO809由两大部分组成。第一部分为八通道多路模拟开关，它用来控制 C、B、A 端子和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。第二部分为一个逐次逼近型 A/D 转换器，它由比较器、控制逻辑、输出缓冲锁存器、逐次逼近寄存器以及开关树组和 256R 电阻分压器组成。后两种电路（即开关树组和 256R 电阻分压器）组成 D/A 转换器。控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关树组（8 位开关），用来控制开关 S7~S0 与参考电平相连接。参考电平经 256R 电阻分压器后，输出一个模拟电压 Uo，Uo、Ui在比较器中进行比较。当Uo>Ui 时，本位D=0；当Uo≤Ui 时，本位D=1。因此，从D7~D0 比较 8 次即可逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量 Ui 所对应的数字量相等。此数字量送入输出锁存器，并同时发转换结束脉冲。

【1】ADC0808/0809 的外引脚功能

ADC0808/0809 的管脚排列如下图所示，其主要管脚的功能如下：

INO~IN7：8 个模拟量输入端。

START：启动 A/D 转换器，当 START 为高电平时，开始 A/D 转换。

EOC：转换结束信号。当A/D 转换完毕之后，发出一个正脉冲，表示 A/D 转换结束。此信号可作为 A/D 转换是否结束的检测信号或中断申请信号。

OE：输出允许信号。如果此信号被选中，则允许从 A/D 转换器的锁存器中读取数字量。

CLOCK：时钟信号。

ALE：地址锁存允许，高电平有效。当ALE 为高电平时，允许 C、B、A 所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入 A/D 转换器。

ADDA、ADDB、ADDC：通道号地址选择端，C 为最高位，A 为最低位。当 C、B、A 为全零（000）时，选中 INO 通道接入；为 001 时，选中 IN1 通道接入；为 111 时，选中 IN7 通道接入。

D7~D0：数字量输出端。

UREF(+) 、UREF (-) ：参考电压输入端，分别接+、-极性的参考电压，用来提供 D/A 转换器权电阻的标准电平。在模拟量为单极性输入时，UREF (+) =5V,UREF(-)=0V;当模拟量为双极性输入时，UREF(+) =+5V，UREF(-) =-5V。

主要性能如下：

1. 分辨率：8位。
2. 线性误差：士1 LSB。
3. 电源电压：5V。
4. 参考电源REF (+) ≤5V，参考电源REF (-) ≥0V。
5. 模拟输入范围：0~5V。
6. 8路模拟模拟信号输入。
7. 转换时间：100μs。
8. 功耗15mW (5V、3mA)。

[1]参考电压选择范围：0 ≤ UREF(-) ≤ UREF(+) ≤ 5V

[2]ADC转换公式：

[3]ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A /D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可 用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

[4]转换数据的传送：A/D 转换后得到的数据应及时传送给 CPU 进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。

1——定时传送方式：对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADCO809 转换时间为 100μs，可据此设计一人延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

2——查询方式：A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADCO809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数捷传送。

3——中断方式：把表明转换完成的状态信号 (EOC) 作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以【RD非】信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送数据总线，供 CPU 接受。

【2】实验电路原理图如图。通过实验台左下角电位器 RW1 输出 0~5V 直流电压送入ADC0809 通道 0(INO),利用 debug 的输出命令启动A/D转换器,输入命令读取转换结果，验证输入电压与转换后数字的关系。启动 INO 开始转换: 0 0298 0,读取转换结果：I 0298

启动IN0开始转换：Out 0298 0

读取转换结果：In 0298

【3】编程采集IN0输入的电压，在屏幕上显示出转换后的数据（用16进制数）。

【4】接线表

待接线接口1	待接线接口2
0809的CS	I/O地址译码的Y3
0809的IN0	电位器的0~5V

【5】程序的流程图

（2）数/模转换器0832实验（实验指导书157页的实验20）

DAC0832是采用CMOS工艺制成的R-2R倒T型电阻网络8位D/A转换器，输出为差分电流信号20脚DIP封装，内部带有两级8位锁存。该器件不仅可用于一般数字系统和模拟系统之间的接口电路，而且可以直接与8位微型计算机接口，是目前使用较为广泛的一种集成DAC器件。所以，如果需要用电压输出地场合时必须使用一个运算放大器。主要的技术指标如下：

1. 分辨率：8位。
2. 电流建立时间：1μs。
3. 线性误差：0.2%FSR（Full Scale Range），即满量程的0.2%。
4. 非线性误差：0.4%FSR。
5. 输入方式：双缓冲、单缓冲或无缓冲。
6. 功耗：20mW。
7. 电源电压：+5V~+15V。
8. 参考电源VREF：+10V~-10V。

【1】0832内部结构

DAC0832 工作方式：(1).直通方式：两个锁存器均处于直通状态，输入的数据直接送至 D/A 转换器进行转换并输出。(2).单缓冲方式：两个锁存器中一个处于直通状态，而只控制另一个锁存器的锁存。(3).双缓冲方式：两级锁存器都受控。该缓冲方式常用于要求多个模拟量同时输出的场合，以提高转换的速度。

【2】实验电路原理如图，DAC0832 采用单缓冲方式，具有单双极性输入端（图中的 Ua、Ub），利用 debug 输出命令（Out 290 数据）输出数据给 DAC0832，用万用表测量单极性输出端 Ua 及双极性输出端 Ub 的电压，验证数字与电压之间的线性关系，也可用示波器观察输出波形。

(1)、DACO832 单极性模拟输出，输入数据与输出电压的关系为：

如图所示，由运算放大器进行电流→电压转换，使用内部反馈电阻。输出电压值 Ua 和输入数字量D的关系：

(2)、DAC0832 双极性模拟输出，输入数据与输出电压的关系为：

如图所示，D/A 的输出经过运算放大器 A1和A2 放大和偏移后，在运放A2 的输出端 Ub 可得到双极性从-5V 到+5V 的输出电压，VREF 为 A2 提供偏移电流，且 VREF 的极性选择应使偏移电流的方向与A1输出的电流方向相反；在选择电阻时应以 R2=R3=2R1，以使偏移电流符合为 A1 输出电流的 1/2。从而使 A2 的输出特性在 A1 的输出特性基础上，上移 1/2 的动态范围。由电路各参数计算可得出 Ub = -[(R3/R1)Ua+(R3/R2)VREF，输出的电压表达式：Ub = -2Ua - VREF 且Ua 为(0~-5V)，选取 VREF 为+5V，则Ub=0~10V-5V=-5~+5V

(3)、产生锯齿波只须将输出到 DACO832 的数据由 0 循环递增。产生正弦波可根据正弦函数建一个下弦数字量表，取值范围为一个周期，表中数据个数在 16 个以上。

【3】接线表

待接线接口1	待接线接口2
0832的CS	I/O地址译码的Y2
0832的Ua和Ub	示波器

【4】程序的流程图

三、源程序（含注释）

1：模数转换

io0809a        equ 298h code segment     assume cs:code start:     mov  dx,io0809a     ;启动A/D转换器     out  dx,al          ;写入数据     mov  cx,0ffh        ;延时 delay:     loop delay               in al,dx            ;从A/D转换器输入数据     mov bl,al           ;bl暂存al     shr al,4            ;al高4位移动到低4位     call disp           ;调显示子程序显示其高四位     mov al,bl           ;return bl to al     and al,0fh          ;clear high-4 bit     call disp           ;调显示子程序显示其低四位     mov  ah,02          ;func-2,output a single char     mov  dl,20h         ;加回车符     int  21h                 mov  dl,20h         ;+ enter     int  21h                 push dx                 mov  ah,06h         ;func-6,判断是否有键按下     mov  dl,0ffh        ;keyboard input     int 21h     pop dx     je   start          ;若没有key-down,转START     mov  ah,4ch         ;退出     int  21h disp  proc near         ;显示子程序     mov  dl,al     cmp  dl,9           ;比较DL是否>9     jle  ddd            ;若不大于则为'0'-'9',加30h为其ASCII码     add  dl,7           ;否则为'A'-'F',再加7 ddd:         add  dl,30h         ;显示     mov  ah,02     int  21h     ret disp endp code ends end start

2：数模转换——锯齿波实验

io0832a  equ  290h  ;锯齿波 code segment     assume cs:code start:     mov dx,io0832a     mov cl,00h      ;initialize cl=0 LLL:                ;需补充     mov al,cl       ;output al     out dx,al     inc cl          ;cl++     push  dx     mov  ah,06h     ;判断是否有键按下     mov  dl, 0ffh   ;keyboard input     int    21h           pop   dx     jz     LLL      ;if no key-down, jump to LLL     mov   ah,  4ch  ;return dos     int    21h code  ends end   start

3：数模转换——三角波实验

io0832a  equ  290h  ;三角波 code segment     assume cs:code start:     mov dx,io0832a     mov cl,00h      ;initialize cl=0 up:                     mov al,cl       ;output al     out dx,al     inc cl          ;cl++     cmp cl,0ffh     ;judge cl reach peak     jz down         ;if peak, jump to down     push  dx     mov  ah,06h     ;判断是否有键按下     mov  dl, 0ffh   ;keyboard input     int    21h           pop   dx     jz     up       ;if no key-down, jump to up     mov   ah,  4ch  ;return dos     int    21h down:     mov al,cl       ;output al     out dx,al     dec cl          ;cl--     cmp cl,00h      ;judge cl reach bottom     jz up           ;if bottom, jump to up     push  dx     mov  ah,06h     ;判断是否有键按下     mov  dl, 0ffh   ;keyboard input     int    21h           pop   dx     jz     down     ;if no key-down, jump to down     mov   ah,  4ch  ;return dos     int    21h code  ends end   start

 

四、遇到的问题和解决过程

问题1：一开始完成模数转换时，未找到电位器的0~5V，以为是额外的仪器。

解决1：查询实验指导书的系统硬件图（第8页）后，发现在实验箱的左下角位置，遂完成相应电路的接线。

问题2：在观察三角波时，水平轴的范围太小，无法很好的显示三角波的图像。

解决2：在仪器上按下第二排第二个按钮【time】，然后通过按下第一排第一个按钮【F1】来缩小水平轴的刻度。

五、实验结果

【1】模数转换

1、用万用表测量几组输入的电压，并记录其在屏幕显示的数字量

电压值/V	数字量（16进制）
4.72	FF
3.56	C0
2.29	7C
0.73	28
0.00	00

2、计算理论值，对比实际值，分析误差可能产生的原因

理论值计算公式：

电压理论值 = 数字量（10进制） / 满量程数字量（10进制） * 满量程电压值

理论值计算表格：

电压实际值/V	电压理论值/V	误差大小/V	数字量（16进制）	数字量（10进制）
4.72	5.00	-0.28	FF	255
3.56	3.76	-0.2	C0	192
2.29	2.43	-0.14	7C	124
0.73	0.78	-0.05	28	40
0.00	0.00	0	00	0

误差产生的原因分析：

1. 仪器误差：测量仪器本身可能存在一定的误差。即万用表、电压源等设备存在精度和校准方面的问题。
2. 电路元件误差：电阻的阻值可能有一定的偏差，电容的容值可能不准确等。
3. 电源的稳定性：电源电压的波动或噪声，可能导致实际测量值偏离理论值。干扰信号会对逐次逼近式的A/D转换器造成较大的误差。

3、屏幕显示数字量示例

4、操作过程示例

    通过调节电位器的旋钮，可以控制滑动电阻的阻值，进而获得不同的电压值，转化后得到不同的数字量。完整操作过程如附件video.mp4所示。

【2】数模转换

1、锯齿波实验，使用示波表查看波形

Ua电压的波形：

Ub电压的波形：

2、三角波实验，使用示波表查看波形

Ua电压的波形（time设置前）：

Ua电压的波形（time设置后）：

Ub电压的波形（time设置后）：

六、体会与总结

1：ADC0809采用【逐次逼近式】的方法将模拟量转换为数字量。逐次逼近式的A/D转换器的特点有：（1）转换速度较快，适用于高精度、高频信号的A/D转换；（2）转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；（3）抗干扰能力较双积分型弱。采样时，干扰信号会造成较大的误差，需要采取适当的滤波措施。

2：模数转换主要经过以下四个过程：采样——保持——量化——编码。

3：数模转换输出锯齿波图像时，首先将计数寄存器cx中的初值设为0，然后每经过一次cx++操作对应依次模拟量的输出。最后cx加到ff时，会自动溢出后变为0。

4：数模转换输出三角波图像时，首先将计数寄存器cx中的初值设为0，然后执行波形上升程序，即每经过一次cx++操作对应依次模拟量的输出。当cx加到ff时，跳转至波形下降程序，即每经过一次cx--操作对应依次模拟量的输出。当cx减到00时，又跳转至波形上升程序。如此往复即可生成三角波，同样也可以先执行下降程序再执行上升程序。

5：D／A 转换器的主要技术指标有：分辨率、精度、建立时间、线性误差、温度系数。

6：DAC0832可采用双缓冲、单缓冲或直接输入三种工作方式。