任务7认识A-D与D-A转换技术

1、任务任务7 三位半直流数字电压表的设计与三位半直流数字电压表的设计与制作制作认识认识A-D与与D-A转换电路转换电路教学目录教学目录7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.1 D-A转换器转换器 D-A转换的作用是将数字信号量转换成模拟信号量。转换的作用是将数字信号量转换成模拟信号量。完成完成D-A转换的电路叫转换的电路叫D-A转换器。转换器。D-A转换器的种类很多，有权电阻转换器的种类很多，有权电阻网络网络D-A转换器、转换器、T形和倒形和倒T形网络形网络D-A转换器、权电容网络转换器、权电容网络D-A转换器等转换器等。图图7-1所示电路由权电阻网络电子模拟开关和放大所示电路由权电阻网络电子

2、模拟开关和放大器两部分组成器两部分组成。 图图7-1 4位权电阻网络位权电阻网络D-A转换器转换器7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.1 D-A转换器转换器30REF21REF12REF03REF32102222DRVDRVDRVDRVIIIII001122333REF22222DDDDRV 图图7-1 4位权电阻网络位权电阻网络D-A转换器转换器RR21F001122334REFFo22222DDDDVRIu00112211REFFo22222DDDDVRIunnnnn7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.2 D-A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1. 分辨率分辨率分辨率是说明

3、分辨率是说明D-A转换器输出最小电压的能力。转换器输出最小电压的能力。它是指它是指D-A转转换器模拟输出所产生的最小输出电压换器模拟输出所产生的最小输出电压ULSB（对应的输入数字量（对应的输入数字量仅最低位为仅最低位为1）与最大输出电压）与最大输出电压UFSR（对应的输入数字量各有（对应的输入数字量各有效位全为效位全为1）之比，即）之比，即121n分辨率例如，对于例如，对于8位位DAC，其分辨率为，其分辨率为对于对于10位位DAC，其分辨率为，其分辨率为004. 01218000978. 012110如果输出模拟电压为如果输出模拟电压为10V，则，则8位和位和10位位DAC能分辨的最小电能分

4、辨的最小电压分别为压分别为0.04V和和0.00978V。所以，。所以，D-A转换器位数越多，分辨转换器位数越多，分辨输出最小电压的能力越强。输出最小电压的能力越强。7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.2 D-A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2. 转换精度转换精度转换精度是指转换精度是指D-A转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模拟电压值之间的最大误差，常以百分数来表示。拟电压值之间的最大误差，常以百分数来表示。例如某例如某D-A转转换器的输出模拟电压满刻度值为换器的输出模拟电压满刻度值为10V，转换精度为，转换精度为2%，则其输，则其输出电

5、压的最大误差为出电压的最大误差为10V2%=200mV。转换精度是一个综合指标，不仅与器件参数精度有关，而且还转换精度是一个综合指标，不仅与器件参数精度有关，而且还与环境温度、运算放大器的温漂以及与环境温度、运算放大器的温漂以及D-A转换器的位数有关，转换器的位数有关，一般情况下要求一般情况下要求D-A转换器的误差小于转换器的误差小于ULSB/2。3. 转换时间转换时间指指D-A转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间稳定值时所用的时间，即转换器的输入变化为满度值，即转换器的输入变化为满度值(输入由输入由全全1变为全变为

6、全0，或由全，或由全0变为全变为全1)时，其输出达到稳定值所需要时，其输出达到稳定值所需要的时间。转换时间越小，的时间。转换时间越小，D-A转换器的工作速度就越快。转换器的工作速度就越快。7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.3 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍1.DAC0832电路结构和引脚功能电路结构和引脚功能集成集成D-A转换器器件种类较多，下面以转换器器件种类较多，下面以DAC0832为例简单介绍。为例简单介绍。图图7-2 DAC0832内部结构框图内部结构框图7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.3 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍1.DAC0832电路结构和

7、引脚功能电路结构和引脚功能D0D7：数据输入线，：数据输入线，TTL电平。电平。ILE：输入允许信号端，高电平有效：输入允许信号端，高电平有效。 ：片选信号输入线，低电平有效。：片选信号输入线，低电平有效。 ：数据输入选通信号端：数据输入选通信号端(或称写输入或称写输入信号端信号端)，低电平有效。，低电平有效。 ：数据传送控制信号端。：数据传送控制信号端。 ：为：为DAC寄存器写选通信号端。寄存器写选通信号端。IO1：模拟电流输出端。：模拟电流输出端。IO2：模拟电流输出端，其值与：模拟电流输出端，其值与IO1之和之和为一常数。为一常数。CS1WRXFER2WR7.1 D-A转换技术转换技术

8、7.1.3 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍1.DAC0832电路结构和引脚功能电路结构和引脚功能RF：为外接运算放大器提供的反馈电：为外接运算放大器提供的反馈电阻引出端，改变阻引出端，改变RF端外接电阻值可调端外接电阻值可调整转换满量程精度。整转换满量程精度。VCC：电源接线端（：电源接线端（515V）。）。VREF：基准电压接线端：基准电压接线端 （-1010V）ADND：模拟电路接地端。：模拟电路接地端。DDND：数字电路接地端，通常与模：数字电路接地端，通常与模拟电路接地端在基准电源处相连。拟电路接地端在基准电源处相连。DAC0832的的D-A转换结果采用电流形式（转换结果采

9、用电流形式（IO1、IO2）输出。若）输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。放大器实现。7.1 D-A转换技术转换技术 7.1.3 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍2.DAC0832工作特点和使用方法工作特点和使用方法因为有两级锁存器，因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数信号的同时采集下一个数字量。此外，两级锁存器字量。此外，两级锁存器还可以在多个还可以在多个D-A转换器转换器同时工作时，利用第二级同时工作

10、时，利用第二级锁存信号来实现多个转换锁存信号来实现多个转换器同步输出。器同步输出。由于由于DAC0832中不包含运算放大器，所以需要外接运算放大器，中不包含运算放大器，所以需要外接运算放大器，才能构成完整的才能构成完整的D-A转换器。转换器。7.2 A-D转换技术转换技术 7.2.1 A-D转换原理转换原理A-D转换的作用是将模拟信号量转换成数字信号量。完成转换的作用是将模拟信号量转换成数字信号量。完成A-D转换的电路称为转换的电路称为A-D转换器，或写为转换器，或写为ADC。图图7-5 A-D转换一般过程转换一般过程7.2 A-D转换技术转换技术 7.2.1 A-D转换原理转换原理1. 采样

11、和保持采样和保持采样就是对连续变化的模拟信号作等间隔的抽取样值，也就是采样就是对连续变化的模拟信号作等间隔的抽取样值，也就是对连续变化的模拟信号作周期性的测量。对连续变化的模拟信号作周期性的测量。根据采样定理，根据采样定理，理论上只理论上只要满足要满足fs2fimax（式中（式中fs是是采样频率，采样频率，fimax是信号中是信号中所包含最高次谐波分量的所包含最高次谐波分量的频率），就能将频率），就能将 不失真不失真地还原成地还原成 。由于电路元。由于电路元件不可能达到理想要求，件不可能达到理想要求，通常取通常取fs5fimax，才能保，才能保证还原后信号不失真。证还原后信号不失真。7.2 A

12、-D转换技术转换技术 7.2.1 A-D转换原理转换原理2. 量化和编码量化和编码将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。将量化的数值用二进制代码表示，称为编码。称为量化。将量化的数值用二进制代码表示，称为编码。7.2 A-D转换技术转换技术 7.2.2 A-D转换器转换器A-D转换器有转换器有直接直接A-D转换器转换器和间接和间接A-D转换器两大类。转换器两大类。 直接直接A-D转换器是通过一套基准电压与取样转换器是通过一套基准电压与取样-保持电保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。压进行比较，从而直接将

13、模拟量转换成数字量。其特其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接便。直接A-D转换器有计数型、逐次比较型、并行比转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。较型等。 间接间接A-D转换器是将取样后的模拟信号先转换成中转换器是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间间变量时间t或频率或频率f，然后再将，然后再将t或或f转换成数字量。转换成数字量。其其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接抗干扰性强。间接A-D转换器有单次积分型、双积分转换器有单次积分型、双积分型等。型

14、等。7.2 A-D转换技术转换技术 7.2.2 A-D转换器转换器图图7-8 逐次比较型逐次比较型A-D转换器原理框图转换器原理框图逐次比较型逐次比较型A-D转换器又称为逐次逼近型转换器又称为逐次逼近型ADC或逐次渐近型或逐次渐近型ADC，它是通过对模拟量不断地逐次比较、鉴别，直到最末一，它是通过对模拟量不断地逐次比较、鉴别，直到最末一位为止，它类似于用天平称量物重的过程。位为止，它类似于用天平称量物重的过程。7.2 A-D转换技术转换技术 7.2.3 A-D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1. 分辨率分辨率分辨率用来反映分辨率用来反映A-D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理转换器对

15、输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个论上讲，一个n位二进制数输出的位二进制数输出的A-D转换器应能区分输入模转换器应能区分输入模拟电压的拟电压的2n个不同量级，即个不同量级，即该分辨率下能够区分的最小输入模拟信号为该分辨率下能够区分的最小输入模拟信号为 ，其中，其中ui是输入是输入的满量程模拟电压，的满量程模拟电压，n为为A-D转换器的位数。显然，位数越多，转换器的位数。显然，位数越多，A-D转换器可以分辨的最小模拟电压值就越小，分辨率越高。转换器可以分辨的最小模拟电压值就越小，分辨率越高。例如，例如，A-D转换器的输出为转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号位二进制数，最大输入模

16、拟信号为为10V，则其分辨率为，则其分辨率为 ，能够区分的最小输入模拟，能够区分的最小输入模拟信号为信号为 。n21分辨率nu2i0.0244%211210V0.0244%2.44mV7.2 A-D转换技术转换技术 7.2.3 A-D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2. 转换时间转换时间转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所需要的时间。数字输出信号所需要的时间。通常用完成一次通常用完成一次A-D转换操作所转换操作所需时间来表示转换速度。转换时间越短，说明转换速度越快。需时间来表示转换速度。转换时间越短，

17、说明转换速度越快。双积分型双积分型A-D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒；逐次比较转换器的转换速度最慢，需几百毫秒；逐次比较型型A-D转换器的转换速度较快，需几十微秒；并行比较型转换器的转换速度较快，需几十微秒；并行比较型A-D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒。转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒。3. 转换误差转换误差转换误差表示转换误差表示A-D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差例如，转换误差 ，就表明实际输出的数字量和理论上应得到，就表明实际输出的数

18、字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。7.2 D-A转换技术转换技术 7.1.4 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍1. ADC0809电路结构和引脚功能电路结构和引脚功能7.2 D-A转换技术转换技术 7.1.4 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍1. ADC0809电路结构和引脚功能电路结构和引脚功能IN0IN7：8路模拟输入信号送入端路模拟输入信号送入端。ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道选模拟通道选择地址信号择地址信号。D7D0：A-D转换后的数据输出端，转换后的数据输出端，为三态可控输出为三态可控输出

19、。VREF(+)、VREF(-)：正、负参考电压正、负参考电压输入端，用于提供片内输入端，用于提供片内DAC电阻网电阻网络的基准电压。单极性输入时，络的基准电压。单极性输入时，VREF (+)=5V，VREF (-)=0V；双极；双极性输入时，性输入时，VREF (+)、VREF (-)分分别接正、负极性的参考电压。别接正、负极性的参考电压。ALE：地址锁存允许信号端，高电地址锁存允许信号端，高电平有效。平有效。START：A-D转换启动信号端，正转换启动信号端，正脉冲有效。如正在进行转换时又接脉冲有效。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，

20、重新从头开始转换。程被中止，重新从头开始转换。EOC：转换结束信号端，高电平有：转换结束信号端，高电平有效。效。OE：输出允许信号端，高电平有效。：输出允许信号端，高电平有效。7.2 D-A转换技术转换技术 7.1.4 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍1. ADC0809电路结构和引脚功能电路结构和引脚功能7.2 D-A转换技术转换技术 7.1.4 集成集成D-A转换器器件介绍转换器器件介绍2. ADC0809工作太多和使用说明工作太多和使用说明ADC0809的工作过程是：首先输入的工作过程是：首先输入3位地址，并使位地址，并使ALE=1，将地址存入通道地址锁存器中，此地址经译码选通

21、将地址存入通道地址锁存器中，此地址经译码选通8路模拟输路模拟输入之一到比较器。入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动降沿启动A-D转换，之后转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在输出信号变低，指示转换正在进行。直到进行。直到A-D转换完成，转换完成，EOC变为高电平，指示变为高电平，指示A-D转换转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当当OE输入高电平输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。输出到数据总线

22、上。模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行，模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行，当然，不能在转换过程中进行。然而通常是把通道选择和启当然，不能在转换过程中进行。然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成，因为动转换结合起来完成，因为ADC0809的时间特性允许这样做。的时间特性允许这样做。1.训练目的训练目的2.设备与器件设备与器件1)了解了解D-A和和A-D转换器的基本工作原理和基本结构。转换器的基本工作原理和基本结构。2)掌握大规模集成掌握大规模集成D-A和和A-D转换器的功能及其典型应用。转换器的功能及其典型应用。5V、15V 直流电源，双踪示波器，连续脉冲器

23、，单次脉冲器，直流电源，双踪示波器，连续脉冲器，单次脉冲器，逻辑电平开关，逻辑电平显示器，直流数字电压表，逻辑电平开关，逻辑电平显示器，直流数字电压表，DAC0832，ADC0809，A741，电位器、电阻、电容若干。，电位器、电阻、电容若干。3.训练原理训练原理(1)DAC0832的应用电路的应用电路 DAC0832输出的是电流，要转换输出的是电流，要转换为电压，还必须经过一个外接的运算放大器，最简单的连接为电压，还必须经过一个外接的运算放大器，最简单的连接电路如图电路如图7-11所示。所示。7.3 ADC0809和和DAC0832的使用练习的使用练习7.3 ADC0809和和DAC0832

24、的使用练习的使用练习图图7-11 DAC0832应用电路应用电路电路接成直通方式，电路接成直通方式， 接地；接地； 接地；接地； 接地；接地； 接地；接地；ALE、VCC、VREF接接5V电源；运放电源；运放电源接电源接15V。CS1WR2WRXFER7.3 ADC0809和和DAC0832的使用练习的使用练习(2)ADC0809的应用电路的应用电路 ADC0809的应用电路如图的应用电路如图7-12所示。所示。8路输入模拟信号路输入模拟信号14.5V，由，由5V电源经电阻电源经电阻R分压组成。分压组成。图图7-12 ADC0809应用电路应用电路4.训练内容训练内容(1)DAC0832的使用

25、练习的使用练习 按图按图7-11连接训练电路，连接训练电路，D0D7 接逻接逻辑开关的输出插口，输出端辑开关的输出插口，输出端uo接直流数字电压表。接直流数字电压表。1)调零。令调零。令D0D7 全置零，调节运放的电位器使全置零，调节运放的电位器使A741输出为输出为零。零。2)按表按表7-2所列的输入数字信号，用数字电压表测量运放的输出所列的输入数字信号，用数字电压表测量运放的输出电压电压uo，并将测量结果填入表中，并与理论值进行比较。，并将测量结果填入表中，并与理论值进行比较。7.3 ADC0809和和DAC0832的使用练习的使用练习(2)ADC0809的使用练习的使用练习 1)按图按图

26、7-12连接训练电路，接通电源后，在启动端（连接训练电路，接通电源后，在启动端（START）加一正单次脉冲，下降沿一到即开始加一正单次脉冲，下降沿一到即开始A-D转换。转换。2)按表按表7-3的要求观察，记录的要求观察，记录IN0IN7 八路模拟信号的转换结八路模拟信号的转换结果，并将转换结果换算成十进制数表示的电压值，并与数字果，并将转换结果换算成十进制数表示的电压值，并与数字电压表实测的各路输入电压值进行比较，分析误差原因。电压表实测的各路输入电压值进行比较，分析误差原因。7.3 ADC0809和和DAC0832的使用练习的使用练习表7-2 DAC0832测试结果输输 入入 数数 字字 量量输出模拟量输出模拟量uo/VD7D6D5D4D3D2D1D0VCC5V000000000000000100000010000001000000100000010000001000000100000010000000111111117.3 ADC0809和和DAC0832的使用练习的使用练习表7-3 ADC0809测试结果被选模被选模拟通道拟通道输输 入入模拟量模拟量地地 址址输输 出出 数数 字字 量量INui（V） A2A1A0