数模与模数转换电路

1、第第9章章 数数/模与模模与模/数转换电路数转换电路 学习要点：学习要点： 掌握常用D/A转换器、A/D转换器的工作 原理 熟悉D/A转换器、A/D转换器的主要性能 指标 了解ADC、DAC在测控系统中的应用 第9章 数/模与模/数转换电路 9.1 D/A转换器转换器 目前常用的目前常用的D/A转换器中有转换器中有R2R T型电阻型电阻 D/A转换器、权电阻转换器、权电阻D/A转换器、全电流转换器、全电流D/A 转换器、权电容转换器、权电容D/A转换器以及开关树型转换器以及开关树型 D/A转换器等几种类型。转换器等几种类型。 以以R2R T型电阻型电阻D/A转换器为例，说明其转换转换器为例，说

2、明其转换 原理。原理。 T型电阻网络的基本结构如图型电阻网络的基本结构如图9-1: 图图9-1为一个四级的为一个四级的T型网络。电阻值为型网络。电阻值为R和和2R的电阻构的电阻构 成成T型。型。 由图由图9-1中节点中节点AA向右看的等效电阻值为向右看的等效电阻值为R，而由，而由BB， CC，DD各点向右看的等效电阻值也都是各点向右看的等效电阻值也都是R，因此，因此: R R 3 R 23 R 12 2 01 3 1 22 11 222 11 222 11 222 V i R V ii R V ii R V ii R V ii R 依此类推可推到依此类推可推到n级。级。 图图9-2 T型网络型

3、网络D/A转换器转换器 图中图中 表示四位二进制输入信表示四位二进制输入信 号，号， 为高位，为高位， 为低位。为低位。 是四个电子模拟开关的示意图，模是四个电子模拟开关的示意图，模 拟开关拟开关 分别受的信号控制：分别受的信号控制： 当二进制代码为当二进制代码为0时，电子开关合时，电子开关合 到上方接地的一侧；当二进制代码到上方接地的一侧；当二进制代码 为为1时，电子开关合到下方运算放时，电子开关合到下方运算放 大器输入的一侧，该支路的电流成大器输入的一侧，该支路的电流成 为运放输入电流为运放输入电流 的一部分，通的一部分，通 过运算放大器进而将电流信号转化过运算放大器进而将电流信号转化 为

4、电压信号。由图可知，因为求和为电压信号。由图可知，因为求和 放大器反相输入端的电位始终接近放大器反相输入端的电位始终接近 于零，所以无论开关于零，所以无论开关 在何位置，都相当于接地，流过每在何位置，都相当于接地，流过每 个支路的电流也始终不变。个支路的电流也始终不变。 03 DD 3 D 0 D 03 SS 03 SS K i 0 S 3 S 可以求出运算放大器的输入电流 为 K i K33221100 RRRR 3210 23 3210R 3210 4 111 22 22222 (2222 ) 2 ii Di Di Di D VVVV DDDD RRRR V DDDD R 图图9-2中运放

5、接成反相放大器的形式，又根据理想运中运放接成反相放大器的形式，又根据理想运 放的放的“虚断虚断”的特性，其输出电压的特性，其输出电压Uo为：为： 0K F 32100R F 321 4 (2222 ) 2 ui R V R DDDD R T型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个 输入端，如图输入端，如图9-3所示。这种结构也称作所示。这种结构也称作倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转转 换器换器。 图图:9-3 T型（或倒型（或倒T型）电阻网络的型）电阻网络的特点特点:电阻网络中只有电阻网络中只有R、2R 两种阻值的电阻，给集成电路的设计

6、和制作带来了很大的方便，两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来了很大的方便， 无论模拟开关状态如何变化，各支路电流都直接流入地或者运无论模拟开关状态如何变化，各支路电流都直接流入地或者运 放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间；同放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间；同 时，各支路电流直接接至运放的输入，它们之间不存在传输时时，各支路电流直接接至运放的输入，它们之间不存在传输时 间差。所有这些特点都有助于间差。所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度，型电阻网络提高转换速度，T 型电阻网络是目前型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。转换中使用较多的一种。

7、 9.1.2 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A转换器转换器 因为在二进制算术运算中通常都把带符号的数值表示为补因为在二进制算术运算中通常都把带符号的数值表示为补 码的形式，所以要求码的形式，所以要求D/A转换器能够把以补码形式输出的正、转换器能够把以补码形式输出的正、 负数分别转换成正、负极性的模拟电压。负数分别转换成正、负极性的模拟电压。 现以输入为现以输入为3位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。3位二进制位二进制 补码可以表示从补码可以表示从+3到之间的任何整数，它们与十进制数的对应关系以及要到之间的任何整数，它们与十进制数的对应关系以及要

8、 求得到的输出电压如表求得到的输出电压如表9-1所示。所示。 补码输入补码输入 对应的十进制数要求的输出电压（要求的输出电压（V） d2d1d0 011+3+3 010+2+2 001+1+1 00000 111 1 1 110 2 2 101 3 3 100 4 4 表表9-1 输入为输入为3位二进制补码时要求位二进制补码时要求D/A转换器的输出转换器的输出 图图9-4 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的D/A转换器转换器 表表9-2 具有偏移的具有偏移的D/A转换器的输出转换器的输出 原码输入原码输入 无偏移时无偏移时 的输的输 出（出（V） 偏移偏移-4V后后 的输出的输出 （V）

9、d2 d1 d0 1 1 1+7+3 1 1 0+6+2 1 0 1+5+1 1 0 0+40 0 1 1+3 1 0 1 0+2 2 0 0 1+1 3 0 0 00 4 在图在图9-4的的D/A转换电路中，如果没有接入反相器转换电路中，如果没有接入反相器G和和 偏移电阻偏移电阻 ，它就是一个普通的，它就是一个普通的3位倒位倒T型电阻网络型电阻网络D/A 转换器。在这种情况下，如果把输入的转换器。在这种情况下，如果把输入的3位代码看作无符位代码看作无符 号的号的3位二进制数（即全都是正数），并且取位二进制数（即全都是正数），并且取 ， 则输入代码为则输入代码为111时输出电压时输出电压 ，而

10、输入为，而输入为000时输时输 出电压出电压 ，如表，如表9-2所示。将表所示。将表9-1与表与表9-2对照一下对照一下 便可以发现，如果把表便可以发现，如果把表9-2中间一列的输出电压偏移中间一列的输出电压偏移-4V， 则偏移后的输出电压恰好同表则偏移后的输出电压恰好同表9-1所要求的输出电压相符。所要求的输出电压相符。 B R REF 8VV o 7Vu o 0Vu 然而，然而，D/A转换器电路输出电压都是单极性的，得不转换器电路输出电压都是单极性的，得不 到正、负极性的输出电压。为此，在图到正、负极性的输出电压。为此，在图9-4中的中的D/A转换电转换电 路中增设了由和组成的偏移电路。为

11、了使输入代码为路中增设了由和组成的偏移电路。为了使输入代码为100时时 的输出电压等于零，只要使与此时的大小相等即可。故应的输出电压等于零，只要使与此时的大小相等即可。故应 取取: BREF B 22 VV I RR 图图9-4中所标示的、和的方向都是电流的实际方向。中所标示的、和的方向都是电流的实际方向。 假若再将表假若再将表9-1和表和表9-2最左边一列代码对照一下还可以发现，最左边一列代码对照一下还可以发现， 如果把表如果把表9-1中补码的符号位求反，再加到偏移后的中补码的符号位求反，再加到偏移后的D/A转换转换 器上，就可以得到表器上，就可以得到表9-1所需要的输入与输出的关系。为此，

12、所需要的输入与输出的关系。为此， 在图在图9-1中是将符号位经反相器中是将符号位经反相器G反相后才加到反相后才加到D/A转换电路转换电路 上去的。上去的。 通过上面的例子可总结出构成双极性输出通过上面的例子可总结出构成双极性输出D/A转换器的转换器的 一般方法：一般方法： 只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入 最高位为最高位为1而其他各位输入为而其他各位输入为0时的输出时的输出 ,同时将输入同时将输入 的符号位反相后接到一般的的符号位反相后接到一般的D/A转换器的输入，就得到了双转换器的输入，就得到了双 极性输出的极性输出的D/A转换

13、器。转换器。 o 0u 9.1.3 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 目前目前DAC的种类是比较多的，制作工艺也不相同。按输的种类是比较多的，制作工艺也不相同。按输 入数据字长也分为入数据字长也分为8位、位、10位、位、12位及位及16位等；按输出形式位等；按输出形式 可分为电压型和电流型等；按结构可分为有数据锁存器和无可分为电压型和电流型等；按结构可分为有数据锁存器和无 数据锁存器数据锁存器2类。不同类型的类。不同类型的DAC在性能上的差异较大，适在性能上的差异较大，适 用的场合也不尽相同。用的场合也不尽相同。 因此，须清楚了解因此，须清楚了解D/A转换器的一些技术参数。转换器

14、的一些技术参数。 1D/A转换器的转换精度 在在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转 换精度。换精度。 （1）分辨率（）分辨率（Resolution）。 分辨率是指数字信号中最低位发生变化时对应输出电压变化分辨率是指数字信号中最低位发生变化时对应输出电压变化 量量 与满刻度输出电压与满刻度输出电压 之比。分辨率是之比。分辨率是D/A转换器对输入量变转换器对输入量变 化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。在分辨率为化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。在分辨率为n的的 D/A转换器中，从输出模拟电压的大小应能区分出输入代码从转换器中，从输出模

15、拟电压的大小应能区分出输入代码从 0000到到1111全部全部 个不同的状态，给出个不同的状态，给出 个不同等级的输个不同等级的输 出电压。分辨率可表示为出电压。分辨率可表示为 umax u 2n2 n 分辨率分辨率 max 1 21 n u u 例如：例如：10位位D/A转换器的分辨率转换器的分辨率 ，从，从 理论上讲，二进制位数越多，分辨率越高，相应的转换精理论上讲，二进制位数越多，分辨率越高，相应的转换精 度也越高。度也越高。 10 11 0.001 102321 （2）转换误差（）转换误差（Conversion Offset Error）。）。由于由于D/A转转 换器的各个环节的参数在

16、性能上和理论值之间不可避免地存在着差异，所换器的各个环节的参数在性能上和理论值之间不可避免地存在着差异，所 以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。 转换误差是指转换器的实际误差，造成的原因包括参考电位转换误差是指转换器的实际误差，造成的原因包括参考电位 的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电 阻网络中电阻阻值的偏移以及三极管特性的不一致等。阻网络中电阻阻值的偏移以及三极管特性的不一致等。 转换误差可以用输出满刻度电压转换误差可以用输出满刻度电压FSR（Full S

17、cale Range）的百分数表示。）的百分数表示。 如转换误差为如转换误差为0.2FSR，就表示转换误差与满刻度电压之比为，就表示转换误差与满刻度电压之比为0.2。 转换误差也可以用最低有效位的倍数来表示。如给出为转换误差也可以用最低有效位的倍数来表示。如给出为 LSB，即表示，即表示 输出模拟电压与理论值之间的绝对误差不大于当输入为输出模拟电压与理论值之间的绝对误差不大于当输入为0001时的输出电压时的输出电压 的的 。 R E F V 1 2 1 2 2D/A转换器的转换速度（转换器的转换速度（Conversion Rate） 转换速度是指从送入数字信号起，到输出电流或电压达到转换速度是

18、指从送入数字信号起，到输出电流或电压达到 最终误差最终误差 并稳定为止所需要的时间。通常用建立时间并稳定为止所需要的时间。通常用建立时间 来定量描述来定量描述D/A转换器的转换速度。不同类型的转换器的转换速度。不同类型的D/A转换器转转换器转 换速度差别较大，通常为几十纳秒到几微秒，一般电流型换速度差别较大，通常为几十纳秒到几微秒，一般电流型D/A 转换器较之电压型转换器较之电压型D/A转换器速度快一些，但总的来说，转换器速度快一些，但总的来说，D/A 转换速度远高于转换速度远高于A/D转换速度。转换速度。 D/A转换器的技术指标还包括线性度、输入编码形式、输转换器的技术指标还包括线性度、输入

19、编码形式、输 入高、低逻辑电平值、温度系数、输出电压范围、功率消耗以入高、低逻辑电平值、温度系数、输出电压范围、功率消耗以 及工作环境条件等。及工作环境条件等。 0.5LSBset t 9.1.4 集成集成D/A转换器转换器 集成集成D/A芯片通常只将芯片通常只将T型（倒型（倒T型）电阻网络、模拟型）电阻网络、模拟 开关等集成在一块芯片上，多数芯片中并不包含运算放大开关等集成在一块芯片上，多数芯片中并不包含运算放大 器。构成器。构成D/A转换器时要外接运算放大器，有时还要外接转换器时要外接运算放大器，有时还要外接 电阻。有的芯片中包含数据锁存器（寄存器）及一些逻辑电阻。有的芯片中包含数据锁存器

20、（寄存器）及一些逻辑 功能电路，可以和微处理器相连接，应用较为广泛；有的功能电路，可以和微处理器相连接，应用较为广泛；有的 则不包含这些电路。常用的则不包含这些电路。常用的D/A转换芯片有八位、十位、转换芯片有八位、十位、 十二位、十六位等品种。十二位、十六位等品种。 简要介绍DAC0832D/A转换器芯片。 1原理框图 DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式8位D/A转换器 内部结构框图如图: DAC0832内部有两个8位数据锁存器（或称作寄存器）、一个T型电 阻网络和3个控制逻辑门 2引脚使用说明引脚使用说明: （1） : 数字信号输入端，数字信号输入端， 为最高位，为最高位，

21、为最低位。为最低位。 70 DIDI 7 DI 0 DI （2） :数据锁存允许信号（输入），高电平有效。数据锁存允许信号（输入），高电平有效。ILE （3） :片选信号（输入），低电平有效。片选信号（输入），低电平有效。 CS （4） :第第1写信号（输入），低电平有效。写信号（输入），低电平有效。 1 WR 上述三个输入信号可控制输入寄存器是数据直通方式还是数上述三个输入信号可控制输入寄存器是数据直通方式还是数 据锁存方式，当据锁存方式，当 、 和和 时，为输入寄存器直通时，为输入寄存器直通 方式；当方式；当 、 和和 时，为输入寄存器锁存方式。时，为输入寄存器锁存方式。 0CS 1ILE

22、 1 0WR 0CS 1ILE1 1W R （5） ：第：第2写信号（输入），低电平有效。写信号（输入），低电平有效。 2 W R （6） ：数据传送控制信号（输入），低电平有效。：数据传送控制信号（输入），低电平有效。 XFER 上述两个输入信号可控制上述两个输入信号可控制DAC寄存器是数据直通还是数据锁存方式，寄存器是数据直通还是数据锁存方式， 当当 和和 时，为时，为DAC寄存器直通方式；当寄存器直通方式；当 和和 时，为时，为DAC寄存器锁存方式。寄存器锁存方式。 2 0WR 0XFER 2 1WR 1XFER （7） ：参考电压输入端，其电压可正可负，范围是：参考电压输入端，其电压可

23、正可负，范围是1010V。 REF V （8） ：电流输出：电流输出1。 out1 I （9） ：电流输出：电流输出2。 out2 I （10） ：反馈电阻引线端。：反馈电阻引线端。 fb R DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算 放大器，放大器， 即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图 ： fb R 图：运算放大器的接法 （11）AGND：模拟信号接地端。：模拟信号接地端。 （12）DGND：数字信号接地端。：数字信号接地端。 3DAC0832的工作方式的工

24、作方式 DAC0832在不同信号组合的控制下可实现直通、单缓冲和双缓冲在不同信号组合的控制下可实现直通、单缓冲和双缓冲 3种工作方式。种工作方式。DAC0832是电流输出型是电流输出型D/A转换器，需要用运算放大器转换器，需要用运算放大器 将输出电流转换为输出电压。电压的输出可分单极性输出和双极性输将输出电流转换为输出电压。电压的输出可分单极性输出和双极性输 出两种。出两种。 9.2 A/D转换器转换器 9.2 A/D转换器转换器 A/D转换器分转换器分直接直接A/D转换器转换器和和间接间接A/D转换器转换器两种。两种。 直接直接A/D转换器转换器能把输入的模拟电压直接转化为输出的能把输入的模

25、拟电压直接转化为输出的 数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并联比较型和数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并联比较型和 反馈比较型两类。反馈比较型两类。 间接间接A/D转换器转换器多半属于电压多半属于电压时间变换型（简称时间变换型（简称V-T变变 换型）和电压换型）和电压频率变换型（简称频率变换型（简称V-F变换型）两类。变换型）两类。 9.2.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理 整个整个A/D转换过程通常包括转换过程通常包括采样采样、保持保持、量化量化和和编码编码4个个 步骤。步骤。 1采样（采样（Sample） 所谓采样是指周期地采取模拟信号的瞬间值，得到一系所谓采样是指周期

26、地采取模拟信号的瞬间值，得到一系 列的脉冲样值。图列的脉冲样值。图9-8表明了采样的过程。表明了采样的过程。 对输入模拟信号的取样 对输入模拟信号的取样 图 9-8 2保持（保持（Hold） 在两次采样之间，为了使前一次采样所得信号保持不变，在两次采样之间，为了使前一次采样所得信号保持不变， 以便量化（数字化）和编码，需要将其保存起来。这就要求以便量化（数字化）和编码，需要将其保存起来。这就要求 在采样电路后面加上保持电路。采样在采样电路后面加上保持电路。采样保持电路基本组成如保持电路基本组成如 图图9-9所示。所示。 基本采样基本采样保持电路保持电路 图图: 9-9 3量化和编码量化和编码

27、经采样保持所得电压信号仍是模拟信号，不是数字量。经采样保持所得电压信号仍是模拟信号，不是数字量。 那么量化和编码就是从模拟信号产生数字信号的过程。那么量化和编码就是从模拟信号产生数字信号的过程。 量化方法一般有两种，一种是采用只舍不入的方法，量化方法一般有两种，一种是采用只舍不入的方法， 另一种是采用四舍五入的方法。另一种是采用四舍五入的方法。 把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他 进制）表示出来，称为编码。这些编码就是进制）表示出来，称为编码。这些编码就是A/D转换的输出转换的输出 结果。结果。 量化和编码通常由量化和编码通常由A/D转

28、换器实现，简记为转换器实现，简记为ADC。 4数字滤波数字滤波 在微机组成的测控系统中，在微机组成的测控系统中， 常采用数字滤波的方法，常采用数字滤波的方法， 它与模拟滤波器相比较具有如下优点：它与模拟滤波器相比较具有如下优点： （1）用程序实现数字滤波，无需增加任何硬件设备，不）用程序实现数字滤波，无需增加任何硬件设备，不 存在阻抗匹配问题，可实现多通道共享，降低系统成本。存在阻抗匹配问题，可实现多通道共享，降低系统成本。 （2）可以对频率很低的信号实现滤波，而）可以对频率很低的信号实现滤波，而RC滤波器由滤波器由 于受电容容量的影响，频率不能太低。于受电容容量的影响，频率不能太低。 （3）

29、可根据需要编制不同的滤波程序，以选择不同的滤）可根据需要编制不同的滤波程序，以选择不同的滤 波程序，使用灵活方便波程序，使用灵活方便 目前常用的数字滤波方法有：目前常用的数字滤波方法有： （1）算术平均值法滤波。）算术平均值法滤波。 （2）中值法滤波。）中值法滤波。 （3）滑动平均值法滤波。）滑动平均值法滤波。 （4）程序判断法滤波。）程序判断法滤波。 （5）复合法数字滤波。）复合法数字滤波。 9.2.2 常见常见ADC的类型的类型 通常通常ADC的结构要比的结构要比DAC复杂，复杂，A/D转换的不同方法转换的不同方法 在转换速度、精度及抗干扰能力等方面各有优势。在转换速度、精度及抗干扰能力等

30、方面各有优势。 1并联比较型并联比较型ADC 图图9-10为并联比较型为并联比较型A/D转换器电路结构图，它转换器电路结构图，它 由电阻分压器、电压比较器、寄存器和编码器组成。由电阻分压器、电压比较器、寄存器和编码器组成。 并联比较型并联比较型A/D转换器电路结构图转换器电路结构图 图:9-10 该电路工作原理如下：该电路工作原理如下： 电阻分压器将输入参考电压量化为电阻分压器将输入参考电压量化为 、 ， 等等7个比较电平，量化电平为个比较电平，量化电平为 。然后将这。然后将这7个电个电 平分别接到平分别接到7个电压比较器的相同输入端，作为比较基准。个电压比较器的相同输入端，作为比较基准。 同

31、时，同时，7个电压比较器个电压比较器 的另一输入端连在一起，作的另一输入端连在一起，作 为采样模拟电压的输入端。输入电压为采样模拟电压的输入端。输入电压 与参考电压的比较与参考电压的比较 结果由电压比较器输出，送到寄存器保存，以消除各比较器结果由电压比较器输出，送到寄存器保存，以消除各比较器 由于速度不同而产生的逻辑错误输出。编码器把寄存器送出由于速度不同而产生的逻辑错误输出。编码器把寄存器送出 的信号进行二进制编码，以输出三位二进制数字信号。的信号进行二进制编码，以输出三位二进制数字信号。 R /15U R 3/15U R 2/15U 17 CC i U 输入模拟电压输入模拟电压比较器输出比

32、较器输出数字信号数字信号 UiC7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 d2d1 d0 0Ui1/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1/15Ui3/15 0 0 0 0 0 0 10 1 0 3/15Ui5/15 0 0 0 0 0 1 10 0 1 5/15Ui7/15 0 0 0 0 1 1 10 1 1 7/15Ui9/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9/15Ui11/15 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 11/15Ui13/15 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 13/15Ui1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 表表 9-3 模拟电压输入与

33、数字信号对应关系模拟电压输入与数字信号对应关系 并联比较型并联比较型A/D转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分，转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分， 分得越细，精度越高。不过精度高的转换器使用的比较器和触发器分得越细，精度越高。不过精度高的转换器使用的比较器和触发器 数目较多，电路更加复杂。数目较多，电路更加复杂。 并联比较型并联比较型A/D转换器最大的优点是转换速度快，另外，比较转换器最大的优点是转换速度快，另外，比较 器和寄存器也兼有取样器和寄存器也兼有取样保持功能，使用这种保持功能，使用这种A/D转换器可以不用转换器可以不用 附加取样附加取样保持电路。保持电路。 并联比较型并联

34、比较型A/D转换器的缺点是需要用很多的电压比较器和触转换器的缺点是需要用很多的电压比较器和触 发器。输出为发器。输出为n位二进制代码的转换器中应当有（位二进制代码的转换器中应当有（ ）个电压）个电压 比较器和（比较器和（ ）个触发器。电路的规模随着输出代码位数的）个触发器。电路的规模随着输出代码位数的 增加而急剧膨胀。增加而急剧膨胀。 因此，该因此，该A/D转换器适用于高转换速度、低分辨率的场合。转换器适用于高转换速度、低分辨率的场合。 21 n 21 n 2逐次渐进型逐次渐进型ADC 逐次渐进型逐次渐进型A/D转换器是目前集成转换器是目前集成A/D转换器产品中用得转换器产品中用得 最多的一种

35、电路。最多的一种电路。 逐次渐进型逐次渐进型ADC的结构：取一个数字量加到的结构：取一个数字量加到D/A转换器上，转换器上， 于是得到一个对应的输出模拟电压，将这个模拟电压和输入于是得到一个对应的输出模拟电压，将这个模拟电压和输入 的模拟电压信号相比较。如果两者不相等，则调整所取的数的模拟电压信号相比较。如果两者不相等，则调整所取的数 字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量 即是要求的转换结果。即是要求的转换结果。 逐次渐进型逐次渐进型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 : 图图9-11 : 逐次渐进型逐次渐进型A/D转换器

36、的电路结构框图转换器的电路结构框图 这种转换器的电路包含比较器、这种转换器的电路包含比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控转换器、寄存器、时钟脉冲源和控 制逻辑等制逻辑等5个组成部分。个组成部分。 转换开始前先将寄存器清零，所以加给转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转换器的数字量也全是转换器的数字量也全是0。 转换控制信号转换控制信号 变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位 置成置成1，使寄存器的输出为，使寄存器的输出为10000。这个数字量被。这个数字量被D/A转换器转换成相应的转换器转换成相应的 模拟电压模拟电压 ，

37、并送到比较器与输入信号，并送到比较器与输入信号 进行比较。如果进行比较。如果 ， 说明数字量过大，则这个说明数字量过大，则这个1应去掉；如果应去掉；如果 ，说明数字量还不够大，说明数字量还不够大， 这个这个1应予保留。然后，再按同样的方法将次高位置应予保留。然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较，并比较 与与 的的 大小以确定这一位的大小以确定这一位的1是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较 完为止。这时寄存器里所存的数码即是要求的输出数字量。完为止。这时寄存器里所存的数码即是要求的输出数字量。 L u o u i u oi uu oi

38、uu o u i u 图图9-12的逻辑电路是一个输出为的逻辑电路是一个输出为3位二进制数码的逐次渐进位二进制数码的逐次渐进 型型A/D转换器。图中的转换器。图中的C为电压比较器，为电压比较器， 、 、 三个三个 触发器组成了触发器组成了3位数码寄存器，触发器位数码寄存器，触发器 和门电路和门电路 组成控制逻辑电路。组成控制逻辑电路。 A FF B FF C FF 15 FFFF 19 GG 图图9-12 3位逐次渐进型位逐次渐进型A/D转换器的电路原理图转换器的电路原理图 3串并行比较型串并行比较型ADC 为弥补并联型为弥补并联型A/D转换器和逐次渐进型转换器和逐次渐进型A/D转换器的弱点，

39、要求转换器转换器的弱点，要求转换器 高速且高分辨率；要求电路结构简单，可采用串并比较型高速且高分辨率；要求电路结构简单，可采用串并比较型A/D转换器。转换器。 这种这种A/D转换器是由两组并行转换器是由两组并行A/D转换器加上一个转换器加上一个D/A转换器和一个求转换器和一个求 和运算放大器组成。图和运算放大器组成。图9-13是一个是一个6位串并行比较型位串并行比较型A/D转换器的原理框图。转换器的原理框图。 图图9-13 串并行比较型串并行比较型A/D转换器的原理框图转换器的原理框图 9.2.3 A/D转换器的重要技术参数转换器的重要技术参数 1转换精度转换精度 A/D转换器也采用分辨率（又

40、称分解度）和转换误差来描述转换器也采用分辨率（又称分解度）和转换误差来描述 转换精度。转换精度。 （1）分辨率。）分辨率。分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的 输入模拟量需要变化的量。分辨率以输出二进制或十进制数的位输入模拟量需要变化的量。分辨率以输出二进制或十进制数的位 数表示，它说明数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。 例如例如A/D转换器的输出为转换器的输出为10位二进制数，最大输出信号为位二进制数，最大输出信号为5V， 那么这个转换器可以分辨的最小模拟电压为：那么这个转换器可以分辨的最小模拟电压为：

41、 10 5V 4.88mV 2 A/D转换器位数越多，分辨率越高。转换器位数越多，分辨率越高。 （2）转换误差。）转换误差。转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，转换误差通常以输出误差最大值的形式给出， 它表示实际的转换点偏离理想特性的误差。一般以最低有效位它表示实际的转换点偏离理想特性的误差。一般以最低有效位 （LSB）的倍数给出。例如给出转换误差不大于）的倍数给出。例如给出转换误差不大于 。 有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。 （3）转换速度。）转换速度。转换速度是指转换速度是指A/D转换器从接到转换控制转换器从接到转换控制 信号起到输出稳定

42、的数字量为止所用的时间。主要取决于转换信号起到输出稳定的数字量为止所用的时间。主要取决于转换 电路的类型，不同类型的电路的类型，不同类型的A/D转换器的转换速度相差甚大。通转换器的转换速度相差甚大。通 常高速的可达数百毫微秒，中速为数十微妙，低速为数十毫秒。常高速的可达数百毫微秒，中速为数十微妙，低速为数十毫秒。 1 L S B 2 9.2.4 集成集成A/D转换器转换器 集成集成A/D转换器种类繁多，包括八位、十位、十二位、十转换器种类繁多，包括八位、十位、十二位、十 六位等种类六位等种类 . 1ADC0809 A/D转换芯片转换芯片 ADC0809是典型的是典型的8位逐次逼近式位逐次逼近式

43、A/D转换器。转换器。ADC0809 采用双列直插式封装，共有采用双列直插式封装，共有28根管脚。根管脚。ADC0809可以和微机可以和微机 直接连接，又由于性能一般能满足用户、价格低廉，因此应直接连接，又由于性能一般能满足用户、价格低廉，因此应 用十分广泛。用十分广泛。 如图如图9-14所示，所示，ADC0809内部由八路模拟开关、地址锁内部由八路模拟开关、地址锁 存器和译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼存器和译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼 近寄存器、控制与定时电路、三态输出锁存器等所组成。近寄存器、控制与定时电路、三态输出锁存器等所组成。 图图9-14 ADC0

44、809的逻辑框图的逻辑框图 CBA选择的通道选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 表表9-4 状态译码与选中模拟电压输入通道的关系状态译码与选中模拟电压输入通道的关系 ：八路模拟电压输入端，在多路开关控制下，任一：八路模拟电压输入端，在多路开关控制下，任一 瞬间只能有一路模拟量经相应通道输入到瞬间只能有一路模拟量经相应通道输入到A/D转换器中的比较放转换器中的比较放 大器。大器。 07 ININ A、B、C：模拟输入通道的抵制选择线。：模拟输入通道的抵制选择线。 ALE：地址锁存允许信号，高电平有效，只有当该

45、信号有：地址锁存允许信号，高电平有效，只有当该信号有 效时，才能将地址信号有效锁存，并经译码选中一个通道。效时，才能将地址信号有效锁存，并经译码选中一个通道。 START：脉冲输入信号启动端，其上升沿用以清除：脉冲输入信号启动端，其上升沿用以清除ADC内内 部寄存器，其下降沿用以启动内部控制逻辑，开始进行模数转部寄存器，其下降沿用以启动内部控制逻辑，开始进行模数转 换。换。 CLOCK：转换定时时钟脉冲输入端。它的频率决定了：转换定时时钟脉冲输入端。它的频率决定了A/D 转换器的转换速度。只有时钟输入时，控制与时序电路才能工转换器的转换速度。只有时钟输入时，控制与时序电路才能工 作。作。 ：八

46、位数据输出端，可直接接入微型机的数据总线。八位数据输出端，可直接接入微型机的数据总线。 07 DD OE：允许输出控制端，高电平有效。有效时能打开三态门，：允许输出控制端，高电平有效。有效时能打开三态门， 将八位转换后的数据送到数据输出线上。将八位转换后的数据送到数据输出线上。 EOC：A/D转换结束信号，高电平有效。其上跳沿表示转换结束信号，高电平有效。其上跳沿表示A/D 转换器内部已转换完毕，作为通知数据接收设备取走已转换完转换器内部已转换完毕，作为通知数据接收设备取走已转换完 的数据的信号。的数据的信号。 和和 ：参考电压正端和负端。：参考电压正端和负端。 R E F () U REF(

47、) U VCC为为+5V，GND为地。为地。 2ADC574 A/D转换芯片转换芯片 AD574就是就是12位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器，其转换精度高、速度转换器，其转换精度高、速度 快，且内部设有时钟电路和参考电压源，但价格较高，适用于高快，且内部设有时钟电路和参考电压源，但价格较高，适用于高 精度快速采样系统中。精度快速采样系统中。 9.3 A/D转换器和转换器和D/A转换器在测控系统中的应用转换器在测控系统中的应用 在实时数据采集和实时监控系统及智能化仪表中，检测和在实时数据采集和实时监控系统及智能化仪表中，检测和 控制的对象大部分是模拟信号，如温度、光强、压力、速度、控制的对象

48、大部分是模拟信号，如温度、光强、压力、速度、 流量等。这些量不能直接处理，应该经过传感器将这些物理量流量等。这些量不能直接处理，应该经过传感器将这些物理量 变成电量，再由放大器转换成统一的标准信号。由于信号较多，变成电量，再由放大器转换成统一的标准信号。由于信号较多， 计算机不能同时转换接收，需要多通道模拟开关进行通道转换，计算机不能同时转换接收，需要多通道模拟开关进行通道转换， 分时将这些信号送入采样分时将这些信号送入采样/保持电路，并经保持电路，并经A/D转换器转换成数转换器转换成数 字量送计算机，计算机便可对数字信号进行处理，根据需要对字量送计算机，计算机便可对数字信号进行处理，根据需要对 结果进行显示、报警和打印，同时控制物理过程。而外部的执结果进行显示、报警和打印，同