第五讲信号转换接口

1、0单片机原理及应用单片机原理及应用机械类专业必修课机械类专业必修课20112011年年1212月月主讲人：张登攀主讲人：张登攀 专专 业业: 机械制造及其自动化机械制造及其自动化10 0、课程准备、课程准备1 1、微型计算机基础、微型计算机基础3 3、中断、定时与串行通信、中断、定时与串行通信2 2、微机系统结构及编程、微机系统结构及编程4 4、人机交互接口、人机交互接口5 5、信号转换接口、信号转换接口2 单片机应用的重要领域是测控。在其应单片机应用的重要领域是测控。在其应用过程中，除数字量外还会遇到另一类物理用过程中，除数字量外还会遇到另一类物理量，量，即模拟量即模拟量。例如：温度、速度、

2、电压、。例如：温度、速度、电压、电流、压力等，它们都是连续变化的物理量。电流、压力等，它们都是连续变化的物理量。由于由于计算机（单片机）只能处理数字量计算机（单片机）只能处理数字量，因，因此计算机（单片机）控制系统中凡遇到有模此计算机（单片机）控制系统中凡遇到有模拟量的地方，就要进行模拟量向数字量、数拟量的地方，就要进行模拟量向数字量、数字量向模拟量的转换，也就出现了单片机数字量向模拟量的转换，也就出现了单片机数/模和模模和模/数转换的接口问题。数转换的接口问题。35.1 A/D转换接口转换接口 1 1、A/DA/D转换原理转换原理 在单片机控制系统中，被控制的对象在单片机控制系统中，被控制的

3、对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等）信号，而单片机处理系统能移、图像等）信号，而单片机处理系统能够处理的是数字信号。因此，必须先将模够处理的是数字信号。因此，必须先将模拟信号转换成数字信号，再输入到单片机拟信号转换成数字信号，再输入到单片机处理系统处理系统.4 将模拟信号转换成数字信号的电路，将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称称为模数转换器（简称A/D转换器）。转换器）。其工作原理框图如图所示：其工作原理框图如图所示：A/DA/D转换器转换器输入模拟量数字量输出52 2、A/DA/D转换过程转换过程 A/D转换过程一般是由采

4、样、保持、转换过程一般是由采样、保持、量化和编码四个步骤完成的量化和编码四个步骤完成的。即首先对。即首先对输入的模拟电压信号进行采样，采样结输入的模拟电压信号进行采样，采样结束后进入保持时间，在这段时间内将取束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，然后按一定的样的电压量化为数字量，然后按一定的编码形式输出，这样重复即可将一段模编码形式输出，这样重复即可将一段模拟信号转换为数字信号输出。拟信号转换为数字信号输出。采样保持电路编码电路量化电路6（1 1）采样和保持电路）采样和保持电路采样：把时间上连续变化的信号变换为采样：把时间上连续变化的信号变换为时间离散的信号。时间离散的信号。

5、采样是通过采样器完成的，采样器（电采样是通过采样器完成的，采样器（电子模拟开关）在采样脉冲子模拟开关）在采样脉冲S(t)的作用下，的作用下，将随时间连续变化的模拟信号将随时间连续变化的模拟信号F(t)转变为转变为时间上离散的模拟信号。时间上离散的模拟信号。78采样定理：采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号，即：复为原模拟信号，即：max2iSff 式中式中f fS S采样频率，采样频率，f f为输入信号为输入信号vIvI的最高频的最高频率分量的频率。率分量的频

6、率。避免混叠失真应满足：避免混叠失真应满足：1、信号要限带，即对于、信号要限带，即对于|f|fimax，有，有X(f)=0，然后抽样；，然后抽样；2、满足抽样、满足抽样条件。条件。9 因为每次把取样电压转换为相应的数因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。以后，必须把取样电压保持一段时间。完完成这个转换过程的电路就是保持电路。成这个转换过程的电路就是保持电路。10（2 2）量化和编码）量化和编码量化：量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值上的数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值上的变化也不

7、是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。量化单位量化单位：所规定的最小数量单位叫做量化单位，用：所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位中的表示。显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大表示的数量大小，就等于小，就等于。编码：编码：把量化的数值用二

8、进制代码表示，称为编码。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。转换的输出信号。 11量化误差量化误差: 既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被被整除，因而不可避免的会引入误差，把这种误差称整除，因而不可避免的会引入误差，把这种误差称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时，为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。 假定需要把假定需要把0+1V的模拟电压信号转换成的模拟电压信号转换成3位二进位二进制代码，

9、这时便可以取制代码，这时便可以取=（1/8）V，并规定凡数值在，并规定凡数值在0（1/8）V之间的模拟电压都当作之间的模拟电压都当作0看待，用二进看待，用二进制的制的000表示；凡数值在（表示；凡数值在（1/8）V（2/8）V之间的模之间的模拟电压都当作拟电压都当作1看待，用二进制的看待，用二进制的001表示，表示，等等等，如表所示。不难看出，最大的量化误差可达等，如表所示。不难看出，最大的量化误差可达，即，即（1/8）V。 1200000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81V01234567 =(

10、7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151=(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150模拟电平二进制代码 代表的模拟电平模拟电平二进制代码 代表的模拟电平（ a）（ b）为了减少量化误差为了减少量化误差，取量化单位，取量化单位=（2/152/15）V V，并将，并将000000代码所对代码所对应的模拟电压规定为应的模拟电压规定为0 0（1/151/15）V V，即，即0 0/2/2。这时，最大量化。这时，最大量化误差将减少为为误差将减少为为/2=/2=（1/151/15）V V

11、。这个道理不难理解，因为现在把。这个道理不难理解，因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的中点，所以最大的量化误差自然就缩小为围的中点，所以最大的量化误差自然就缩小为/2/2了。了。 。133 3、A/DA/D常用的芯片常用的芯片 (1) ADC0801ADC0805、ADC0808/0809、ADC0816/0817型型8位位MOS型型A/D转换器；转换器；(2) TLC1549单通道串行输出单通道串行输出A/D。TI公司生产的一种开公司生产的一种开关电容结构的逐次比较型关电容结构的逐次比较型10位位A

12、/D转换器。有转换器。有DIP和和FK 2种封装形式。种封装形式。(3)TLC2543多通道串行输出多通道串行输出A/D。也是。也是TI公司生产的众公司生产的众多串行多串行A/D转换器中的一种，转换器中的一种，CMOS12位开关电容逐次位开关电容逐次逼近逼近A/D转换器，具有输入通道多、精度高、速度高等转换器，具有输入通道多、精度高、速度高等特点。特点。(4) ADC570、ADC1210。除以上芯片还有许多不同精度的除以上芯片还有许多不同精度的A/D转换芯片。在使用转换芯片。在使用过程中，要按要求选择适当精度的芯片，芯片的精度与过程中，要按要求选择适当精度的芯片，芯片的精度与在转换时所使用的

13、时间是成正比的。在转换时所使用的时间是成正比的。145.2 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 1 1、转换精度、转换精度 A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。 （1）绝对精度：指在转换器中，任一数码与所）绝对精度：指在转换器中，任一数码与所对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差，这对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差，这个差值不是一个常数，我们把这个差值的最大值个差值不是一个常数，我们把这个差值的最大值定义为绝对误差。定义为绝对误差。 （2）相对精度：它与绝对精度相似，所不同的）相对精度：它与绝对精度相似，所不同的是把这个最大精度表示为

14、满刻度模拟电压的百分是把这个最大精度表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。A/D转换器的主要技术指标有：转换精度，分辨率，转换时间和转换速率，量化误差。15 2 2、分辨率、分辨率 说明说明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。 A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示，即满刻度电压与数的位数表示，即满刻度电压与2n 之比值，其之比值，其中中n为为ADC的位数。从理论上讲，的位数。从理论上讲，n位输出的位输出的A/D转换器能区分转换器能区分2n个

15、不同等级的输入模拟电压，能个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如愈小，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为转换器输出为8位位二进制数，输入信号最大值为二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转，那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为换器应能区分输入信号的最小电压为19.53mV。 16 3 3、转换时间和转换速度、转换时间和转换速度 完成一次完成一次A/D转换所需要的时间。转换时转换所需要的时间。转换时间与转换速度

16、互为倒数，即每秒转换的次间与转换速度互为倒数，即每秒转换的次数。数。 不同类型的不同类型的A/D转换器转换速度相差比较大：转换器转换速度相差比较大：1、并行比较、并行比较A/D转换器转换速度最高，转换器转换速度最高，8位二进位二进制输出的单片集成制输出的单片集成A/D转换器转换时间为转换器转换时间为50ns；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器在转换器在1050us之间，也有之间，也有几百几百ns的。的。3、间接、间接A/D转换器速度最慢，如双积分型在几转换器速度最慢，如双积分型在几十毫秒到几百毫秒之间。十毫秒到几百毫秒之间。17 4 4、转换误差、转换误差 表示表示A/D转换器实际输出的数

17、字量和理论转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数来表示。例如给出相对误差效位的倍数来表示。例如给出相对误差LSB/2，这就表明实际输出的数字量和，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小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。于最低位的半个字。18 5 5、量化误差、量化误差 由于由于AD的有限分辨率而引起的误差，即的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率限分辨率AD（理想（理想AD）的转移特性曲线）的转移特性曲线（直线

18、）之间的最大偏差。通常是（直线）之间的最大偏差。通常是1个或个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 195.3 A/D转换器的分类转换器的分类A/DA/D转换器转换器是能够将模拟量转换为数字量的器件。它有是能够将模拟量转换为数字量的器件。它有许多种分类方式：总的可分为直接型和间接型。直接型许多种分类方式：总的可分为直接型和间接型。直接型A/DA/D转换器为在转换过程中模拟电压不经过任何中间变转换器为在转换过程中模拟电压不经过任何中间变量直接转换为数字代码，而间接型量直接转换为数字代码，而间接型A/DA/D转换器为在转换转换器为在转换过程

19、中要把模拟电压先转换成某种中间变量（时间、频过程中要把模拟电压先转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再转换成数字代码输出。率、脉冲宽度等），然后再转换成数字代码输出。A/DA/D转换器按工作原理可分为：转换器按工作原理可分为：计数式计数式ADCADC、双积分式、双积分式ADCADC、逐次逼、逐次逼近式近式ADCADC、并行式、并行式ADCADC；按模拟量输入方式分按模拟量输入方式分：单极性：单极性ADCADC、双极性、双极性ADCADC；按数字量输出方式分按数字量输出方式分并行并行ADCADC、串行、串行ADCADC；按性能特点可分为按性能特点可分为：按转换精度分低精度、中精度、

20、高精度、超高精度；按转换精度分低精度、中精度、高精度、超高精度；按输出是否带按输出是否带三态缓冲分三态缓冲分：带可控三态缓冲：带可控三态缓冲ADCADC、不带可控三态缓冲、不带可控三态缓冲ADCADC；按分辨按分辨率分率分4 4位、位、6 6位、位、8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1414位、位、1616位等；位等；按转换速度分按转换速度分低速、中速、高速、超高速。低速、中速、高速、超高速。 205.4 A/D转换器的选择原则转换器的选择原则 在设计单片机控制系统，数据的采集以及单片机在设计单片机控制系统，数据的采集以及单片机输出去控制被控对象时会用到输出去控制被控对象时会用到A

21、DCADC电路，可从以下几方电路，可从以下几方面考虑：面考虑： (1)A/D (1)A/D转换器位数的确定转换器位数的确定 A/DA/D转换器位数的确定转换器位数的确定是关系着整个测量控制系统所要是关系着整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度，但又不能对系统的精度唯一确测量控制的范围和精度，但又不能对系统的精度唯一确定。由于系统的精度与很多因素有关，包括传感器变换定。由于系统的精度与很多因素有关，包括传感器变换精度、信号处理的精度和精度、信号处理的精度和A/DA/D转换器本身等，甚至还包转换器本身等，甚至还包括软件控制的算法。括软件控制的算法。在使用时在使用时A/DA/D转换器的位数至少要转

22、换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。比总精度要求的最低分辨率高一位。常见的常见的A/DA/D、D/AD/A器器件有件有8 8位，位，1010位，位，1212位，位，1414位，位，1616位等。实际位等。实际选用的选用的A/DA/D转换器的位数应与系统处理的能力以及所需达到的精度转换器的位数应与系统处理的能力以及所需达到的精度相适应相适应。 21 (2)A/D (2)A/D转换器转换速度的确定转换器转换速度的确定 A/DA/D转换器的转换器的转换速度指完成一次转换速度指完成一次A/DA/D转换所需转换所需要的时间要的时间，其，其倒数即每秒钟能完成的转换次数，倒数即每秒钟能完成的转换

23、次数，称转换速度称转换速度。 在使用时不同的在使用时不同的A/DA/D转换器，其转换时间并不一转换器，其转换时间并不一定相同。要根据所设计系统对采集数据要求的时定相同。要根据所设计系统对采集数据要求的时间而定，一般选择所需转换时间短的，这样可以间而定，一般选择所需转换时间短的，这样可以提高整个系统的实时控制能力。保证转换器的转提高整个系统的实时控制能力。保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。换速率要高于系统要求的采样频率。22 (3)A/D (3)A/D转换器的工作电压和基准电压的选择转换器的工作电压和基准电压的选择 选择合适的工作电压可以有效简化整个系选择合适的工作电压可以有效简化整

24、个系统的电压供给，基准电压是指提供给统的电压供给，基准电压是指提供给A/DA/D转换器在转换时所需要的参考电压，这是转换器在转换时所需要的参考电压，这是保证转换精度的基本条件，它也影响保证转换精度的基本条件，它也影响A/DA/D转换器所测量的范围。在精度要求较高时，转换器所测量的范围。在精度要求较高时，基准电压的供给可以采用独立的稳压电源。基准电压的供给可以采用独立的稳压电源。 23 设计举例设计举例 某信号采集系统要求用一片某信号采集系统要求用一片A/D转换集成转换集成芯片在芯片在1s（秒）内对（秒）内对16个热电偶的输出电个热电偶的输出电压分时进行压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电转换

25、。已知热电偶输出电压范围为压范围为00.025V（对应于（对应于0450温度温度范围），需要分辨的温度为范围），需要分辨的温度为0.1，试问应，试问应选择多少位的选择多少位的A/D转换器，其转换时间是转换器，其转换时间是多少？多少？ 24 解：解：对于对于0450温度范围，信号电压范温度范围，信号电压范围为围为00.025V，分辨的温度为，分辨的温度为0.1，这，这相当于相当于 的分辨率。的分辨率。12位位A/D转换器转换器的分辨率为的分辨率为 ，所以必须选用，所以必须选用14 位的位的A/D转换器。转换器。 450014501 . 0409612112 系统的取样速率为每秒系统的取样速率为每

26、秒1616次，取样时间为次，取样时间为62.5ms62.5ms。对于这样慢的取样，任何一个对于这样慢的取样，任何一个A/DA/D转换器都可以满转换器都可以满足要求。可选用带有取样保持（足要求。可选用带有取样保持（S/HS/H）的逐次比）的逐次比较型较型A/DA/D转换器或不带转换器或不带S/HS/H的双积分式的双积分式A/DA/D转换器。转换器。 255.5 D/A转换接口转换接口 1 1、D/AD/A转换原理转换原理 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须为了将

27、数字量转换成模拟量，必须将每将每1 1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字从而实现了数字模拟转换。模拟转换。D/AD/A转换器由数码寄存器、转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模器中，数字寄存器输出

28、的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为的位在位权网络上产生与其权值拟电子开关，使数码为的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。数字量对应的模拟量。2601234567001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出vo/VD000输入为输入为3 3位二进制数时位二进制数时D/AD/A转换器的转换特性曲线。转换器的转换特性曲线。 27 2 2、D/AD/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（Resolution）：

29、指：指D/A转换器能转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应的输出电压之差称为制码对应的输出电压之差称为D/A转换器的分转换器的分辨率。可用最低位（辨率。可用最低位（LSB）表示。如，）表示。如，n位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为1/2n。（2）精度（）精度（Accuracy）：精度是指：精度是指D/A转换转换器的实际输出与理论值之间的误差，它是以器的实际输出与理论值之间的误差，它是以满量程满量程VFS的百分数或最低有效位（的百分数或最低有效位（LSB）的）的分数形式表示。与分数形式表示。与A/D相似也分为绝对精度与相似也分为绝对精

30、度与相对精度。相对精度。28（3）线性误差：）线性误差：D/A的实际转换特性（各数的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始、终点连线）之间是与理想的转换特性（始、终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。即的线性误差。即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个差）与一个LSB所对应的模拟值之差。常以所对应的模拟值之差。常以LSB的分数形式表示。的分数形式表示。（4）转换时间）转换时间TS（建立时间）（建立时间）：从：从D/A转换转换器

31、输入的数字量发生变化开始，到其输出模器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间称为转拟量达到相应的稳定值所需要的时间称为转换时间。换时间。29（5）偏移量误差：）偏移量误差：偏移量误差是指输偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。移值。 （6）转换误差：）转换误差：转换误差通常用输出转换误差通常用输出电压满刻度电压满刻度FSR（Full Scale Range）的）的百分数表示，也可以用最低有效位的倍百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。数表示。30(7) 接口形式：接口形式：D/A转换器与单片机接口方便转换器与

32、单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。存器。总的来说有两类总的来说有两类D/A转换器转换器，一类是不一类是不带锁存器的带锁存器的，另一类是带锁存器的另一类是带锁存器的。对于不。对于不带锁存器的带锁存器的D/A转换器，为了保存来自单片机转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在接口线上；而带锁存器的类转换器必须在接口线上；而带锁存器的D/A转换器，可以把它看作是一个输出口，因此转换器，可以把它看作是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而不需另加锁存器。可直接在数据总

33、线上，而不需另加锁存器。31 3 3、D/AD/A转换器的分类转换器的分类数模转换器的类型很多，目前在集成化的数模数模转换器的类型很多，目前在集成化的数模转换器中经常使用的一种是转换器中经常使用的一种是T型网络型网络D/A转换器转换器。按输出形式分类按输出形式分类：电压输出型和电流输出型。：电压输出型和电流输出型。按是否含有锁存器分类按是否含有锁存器分类：内部无锁存器和内部有：内部无锁存器和内部有锁存器。锁存器。按能否作乘法运算分类按能否作乘法运算分类：乘算型和非乘：乘算型和非乘算型。算型。按输入数字量方式分类按输入数字量方式分类：并行总线：并行总线D/A转转换器和串行总线换器和串行总线D/A

34、转换器。按转换时间分类：转换器。按转换时间分类：超高速超高速D/A（TS100ns）、高速）、高速D/A（TS为为100ns 10s）、中速）、中速D/A（TS为为10s100s）、）、低速低速D/A（TS100s）等。）等。32常用常用D/A转换技术：转换技术： 二进制权电阻网络二进制权电阻网络 D/A 转换器，由四部分组转换器，由四部分组成：（成：（1）权电阻网络；（）权电阻网络；（2）模拟开关；（）模拟开关；（3）参考电压；（参考电压；（4）权电阻网络输出端的电流）权电阻网络输出端的电流-电电压变换器。压变换器。二进制二进制T型权电阻网络型权电阻网络 D/A 转换器，采用最常转换器，采用

35、最常见的见的R-2R T型电阻网络。分为电流相加型（如型电阻网络。分为电流相加型（如图图7-6所示）和电压相加型（如图所示）和电压相加型（如图7-7所示）。它所示）。它与权电阻网络的与权电阻网络的显著区别在于：无论显著区别在于：无论DACDAC有多少有多少位，整个网络只需要位，整个网络只需要R R和和2R2R两种阻值。两种阻值。33电压激励型电压激励型DAC DAC 电流相加型电流相加型4 4位位R-2R R-2R T T形电阻网络形电阻网络DAC DAC 电压相加型电压相加型4 4位位R-2R R-2R T T形电阻网络形电阻网络DAC DAC 34型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换

36、计算转换器转换计算 3536倒倒T T型网络型网络DAC DAC 37 S0-S3为模拟开关，为模拟开关，R-2R电阻解码网电阻解码网络呈倒络呈倒T形，运算放大器形，运算放大器A构成求和电路。构成求和电路。Si由输入数码由输入数码di控制，当控制，当di=1时，时，Si接运接运放反相输入端（放反相输入端（“虚地虚地”），），Ii流入求流入求和电路；当和电路；当di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。 无论模拟开关无论模拟开关Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均等效接电阻均等效接“地地”（地或虚（地或虚地）。这样流经地）。这样流经2R电阻的电流与开关位电阻的电流

37、与开关位置无关为确定值。置无关为确定值。38倒倒T T型网络型网络DACDAC等效电路等效电路总电流为：总电流为：341322314022222DRVddddRViREFREF39输出电压为：输出电压为： 342DVRRRivREFffo 将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n n位，可得到位，可得到n n位数字位数字量量Dn倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器输出模拟量与转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式如下：输入数字量之间的一般关系式如下： nnREFfoDVRRv240 要使要使D/AD/A转换器具有较高的精度，对电路转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：中的参数有

38、以下要求： 1 1、基准电压稳定性好；、基准电压稳定性好；2 2、倒、倒T T型电阻网络中型电阻网络中R R和和2R2R电阻的精度要高；电阻的精度要高；3 3、每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现、每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按电流从高位到低位按2 2的整倍数递减，模拟开关的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2 2的正倍数递减。的正倍数递减。 常用的常用的CMOSCMOS开关倒开关倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器的集成电路有的集成电路有AD7520(10AD7520(10位）、位）、DAC1210(12DAC1210(1

39、2位）位）和和AK7546AK7546（1616位高精度）。位高精度）。 412R2R2R2R2RRRR2RP0P1P2P3KRKRKRKRS0S1S2S3IrefIrefIrefIrefD3(MSB)D0(LSB)D1D2vccVoRf电流激励型电流激励型DAC DAC 42 3 3、D/AD/A转换器的选择转换器的选择在选用在选用D/A转换器时主要考虑芯片的性能、转换器时主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换器的技术要求；在结构和应用特性上转换器的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低应满足接口方便、外围电路

40、简单、价格低廉等要求。廉等要求。43D/A转换器的种类繁多，在目前常用的转换器的种类繁多，在目前常用的D/A芯片中，从数码位数上看，有芯片中，从数码位数上看，有8位、位、10 位、位、12 位、位、16 位等；从数字的输入特性看，一位等；从数字的输入特性看，一般的般的D/A转换器只能接收自然二进制数字代转换器只能接收自然二进制数字代码，也需要注意输入数据的格式，一般有码，也需要注意输入数据的格式，一般有并行码和串行码两种；从输出特性上，并行码和串行码两种；从输出特性上，D/A转换器有电流输出型器件和电压输出型器转换器有电流输出型器件和电压输出型器件，要根据控制系统是接收电压信号还是件，要根据控

41、制系统是接收电压信号还是检测电流信号来选择检测电流信号来选择D/A转换器；转换器； 44从内部结构上从内部结构上，又可分为含数据输入寄存，又可分为含数据输入寄存器和不含数据输入寄存器两类。对内部不器和不含数据输入寄存器两类。对内部不含数据输入寄存器的芯片，亦即不具备数含数据输入寄存器的芯片，亦即不具备数据的锁存能力，是不能直接与系统总线连据的锁存能力，是不能直接与系统总线连接的。因为对接的。因为对D/A 转换器来讲，当有数字转换器来讲，当有数字量输入时，其输出端随之有模拟电流或电量输入时，其输出端随之有模拟电流或电压信号建立；而当输入端数字量消失时，压信号建立；而当输入端数字量消失时，输出模拟

42、量也随之消失。输出模拟量也随之消失。 455.6 微机信号转换设计实例微机信号转换设计实例 常用的逐次比较式常用的逐次比较式A/D转换器比较多，转换器比较多，有有8位、位、10位、位、12位、位、16位等，由于常用的位等，由于常用的为为8位单片机，所以在系统对精度要求不高位单片机，所以在系统对精度要求不高时，通常选用时，通常选用8位位A/D转换器。转换器。 最常用最常用8位位A/D转换器是由美国芯片制转换器是由美国芯片制造商造商National Semiconductor（国家半导体公（国家半导体公司）生产的司）生产的ADC系列芯片，其中系列芯片，其中ADC0804为为单路单路8位逐次比较式位

43、逐次比较式A/D转换器，转换器，ADC0809为为8路路8位逐次比较式位逐次比较式A/D转换器。转换器。 46 1 1、A/DA/D转换设计实例转换设计实例 （1 1）ADC08ADC080909的的内部内部逻辑逻辑结构结构47 ADC0809 ADC0809引脚功能引脚功能 ADC0809芯片为芯片为28引脚双列直插式封引脚双列直插式封装，引脚排列如下：装，引脚排列如下： 4849IN7IN0:模拟量输入通道。模拟量输入通道。ADDA、ADDB、ADDC：A为低为低位地址，位地址，C为高为高位地址，用于对位地址，用于对模拟通道进行选模拟通道进行选择。择。ADC0809对输入模拟量的要求主要有

44、：信号单极性，电对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围压范围05 V，若信号过小还需进行放大。另外，在，若信号过小还需进行放大。另外，在A/D转换过程中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对转换过程中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。 ADDCADDCADDBADDBADDAADDA选择的通道选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN750ALE：地址锁存信号。：地址锁存信号。在对应在对应ALE上跳沿，上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部上跳沿时，所有内部寄存器清寄存器清0；START下跳沿时，开始进行下跳沿时，开