电工及电子技术(毕淑娥主编)第15章

1、* *第第1515章章 数字量与模拟量的转换数字量与模拟量的转换本章主要内容本章主要内容 本章主要介绍数模转换器（本章主要介绍数模转换器（D/A转换器）和模数转换器转换器）和模数转换器（A/D转换器）的基本原理、电路的构成以及常用集成芯片。转换器）的基本原理、电路的构成以及常用集成芯片。【引例引例】 数字式万用表数字式万用表如何实现电压如何实现电压测量的？测量的？模数转模数转换器换器数字万用表内部原理电路数字万用表内部原理电路15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器转换器 数模转换器是将数字信号转换成模拟信号的电路，简写成数模转换器是将数字信号转换成模拟信号的电路，简写

2、成DAC（Digital to Analog Converter）。）。 数模转换器的组成原理框图数模转换器的组成原理框图15.1.1 15.1.1 D/A转换器的工作原理转换器的工作原理 数模转换器根据解码网络可分为权电阻型、数模转换器根据解码网络可分为权电阻型、T型和倒型和倒T型型电阻网络、权电流型、权电容型、开关树型等。电阻网络、权电流型、权电容型、开关树型等。15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 4 4位倒梯形电阻网络位倒梯形电阻网络DACDAC的原理框图的原理框图数字量输入数字量输入倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络求和放大器求和放大器电子模拟开关，电子

3、模拟开关，受数字量控制受数字量控制参考参考电压电压15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 根据理想运放的根据理想运放的“虚断虚断”，可得输出电压为：，可得输出电压为：foRiu0uu根据虚短和虚地根据虚短和虚地 即无论开关合在哪一方，电阻即无论开关合在哪一方，电阻2R都接到地电位上。不同的是，都接到地电位上。不同的是，当输入的字量为高电平时，电流流入当输入的字量为高电平时，电流流入I；当输入的数字量为低；当输入的数字量为低电平时，电流流入地中电平时，电流流入地中 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 REFVIR根据叠加原理

4、根据叠加原理 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 输入数字量为输入数字量为D3D2D1D0=1000时的电路时的电路 RUIi22REF315.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 RUIi2REF2241输入数字量为输入数字量为D3D2D1D0=0100时的电路时的电路 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 输入数字量为输入数字量为D3D2D1D0=0010时的电路时的电路 RUIi3REF128115.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 RUIi4REF0

5、2161输入数字量为输入数字量为D3D2D1D0=0001时的电路时的电路 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 ffoRIDIDIDIDRiu)(00112233REFREFREFREF3210f1234()2222UUUUDDDDRRRRR )2222(2001122334fREFDDDDRRU3REF4022iiiUD 取取Rf=R，说明输出，说明输出的模拟电压正比于的模拟电压正比于输入的数字量输入的数字量 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 一般地，对于一般地，对于n位位D/A转换器，其通用式为转换器，其通用式为

6、10REF22niiinoDUu15.1.2 15.1.2 集成集成D/A转换器简介转换器简介 集成集成D/A转换器有很多种，根据分辨率（数字量的位数）转换器有很多种，根据分辨率（数字量的位数）可分为可分为6、8、10、12、16和和18位。常用的位。常用的DAC0808（8位）、位）、DAC0830系列、系列、DAC0843（1212位）位）等。其中等。其中DAC0830系列是系列是CMOS工艺实现的工艺实现的8位乘法位乘法D/A转换器，可直接与其它微处理器接转换器，可直接与其它微处理器接口。该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个口。该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个D/

7、A转换器同时工作的场合。数据输入能以双缓冲、单缓冲或直接转换器同时工作的场合。数据输入能以双缓冲、单缓冲或直接通过三种方式工作通过三种方式工作 。DAC0830系列各电路的原理、结构及功能系列各电路的原理、结构及功能都基本相同，参数指标略有不同。现在以使用最多的都基本相同，参数指标略有不同。现在以使用最多的DAC0832为例进行说明为例进行说明 。15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 集成集成DAC0832内部组成框图内部组成框图两个两个8位数据缓冲寄存器、位数据缓冲寄存器、8位倒位倒T型型D/A转换器、逻辑控转换器、逻辑控制电路及输出电路的辅助电阻元件制电

8、路及输出电路的辅助电阻元件Rfb。 组成：组成：15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 各管脚功能：各管脚功能： 控制信号：控制信号： CS片选通信号，低电平有效；片选通信号，低电平有效； 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 ILE输入寄存允许信号，高电平有效；输入寄存允许信号，高电平有效； 1WR输入寄存器的写信号，低电平有效；输入寄存器的写信号，低电平有效； 注：注：CSILE1WR 、 、 同时有效时，才控制同时有效时，才控制8位输入寄存器的操作位输入寄存器的操作 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD

9、/A）转换器）转换器 2WR8位位DAC寄存器的写信号，低电平有效寄存器的写信号，低电平有效 ；XFER传送控制信号，低电平有效；传送控制信号，低电平有效； 注：注： 、 同时有效时，才控制同时有效时，才控制8位位DAC寄存器的操作寄存器的操作 2WRXFER15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 输入数字量：输入数字量： DI0DI7为为8位自然二进制码的数字量输入，其中位自然二进制码的数字量输入，其中DI0为最为最低位（低位（LSB），），DI7为最高位（为最高位（MSB）。）。 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 电

10、源、地：电源、地： REFU参考电压，取值范围为参考电压，取值范围为-10V+10V； CCU电源电压，取值范围为电源电压，取值范围为+5V+15V； AGND、DGND 数字地和模拟地；用时将最近的两个数字地和模拟地；用时将最近的两个“地地”点且只能在一点短接减少干扰。点且只能在一点短接减少干扰。 15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 模拟电流输出模拟电流输出 OUT1I DAC0832为电流输出型为电流输出型D/A转换器，若获得电压信号，转换器，若获得电压信号，必需外接运算放大器，它们通常接运算放大器的输入端。必需外接运算放大器，它们通常接运算放大器的输

11、入端。OUT2I15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 反馈电阻反馈电阻 bfR 在在DAC0832中，其内部倒中，其内部倒T型电阻网络的的电阻型电阻网络的的电阻R与相与相等，约为等，约为15K，故运算放大器反馈电阻一般不需外接。，故运算放大器反馈电阻一般不需外接。 DAC0832DAC0832的三种工作方式：的三种工作方式：15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 直通工作方式：直通工作方式： 指两个寄存器指两个寄存器均处于工作状态，均处于工作状态，输出电压随数字量输出电压随数字量的改变而变化，一的改变而变化，一般用于模拟量能

12、直般用于模拟量能直接迅速的反映数字接迅速的反映数字量变化的系统。量变化的系统。 直通工作方式电路直通工作方式电路单缓冲工作方式电路单缓冲工作方式电路 单缓冲工作方式：单缓冲工作方式：15.1 15.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 指指DAC0832内部的两个寄存内部的两个寄存器中的之一处于器中的之一处于受控状态受控状态 。CSILEDAC0832.+5V1WR2WRXFERREFVCCV7ID0IDouDGNDAGND的的双双缓缓冲冲工工作作方方式式图图0832DAC9.115 1选选通通2选选通通OUT1IOUT2IfbR入入输输量量字字数数15.1 15.1 数模

13、转换器（数模转换器（D/AD/A）转换器）转换器 双缓冲工作方式：双缓冲工作方式： 指指DAC0832内内部的两个寄存器均部的两个寄存器均处于受控状态处于受控状态 。双缓冲工作方式电路双缓冲工作方式电路15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 15.2.1 15.2.1 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 模数转换器（模数转换器（A/D转换器）是将模拟电压通过采样、量化、转换器）是将模拟电压通过采样、量化、编码，转换成数字量的电路，简称为编码，转换成数字量的电路，简称为ADC（ Analog to Digital Converter） 模数换器原理框图模数换

14、器原理框图注注: :模数转换过程包含了采样、保持、量化和编码四个过程。模数转换过程包含了采样、保持、量化和编码四个过程。采样采样:是按照一定的时间间隔周期性地读取输入模拟电压的数值，是按照一定的时间间隔周期性地读取输入模拟电压的数值，从而使模拟输入电压在时间上离散化。从而使模拟输入电压在时间上离散化。 保持：是在连续两次采样之间，将上一次采样的电压保持到下保持：是在连续两次采样之间，将上一次采样的电压保持到下一次采样开始，以便将保持的电压数字化处理一次采样开始，以便将保持的电压数字化处理 。15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 量化量化-编码：对时间离散的电

15、压，进行数值上（幅度）离散化编码：对时间离散的电压，进行数值上（幅度）离散化处理，并对各段数值用二进制数码表示。处理，并对各段数值用二进制数码表示。 15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 A/DA/D转换器转换器的分类的分类 间接型间接型ADC 直接型直接型ADC并行比较型并行比较型ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC 双积分型双积分型ADC 电压电压-频率转换型频率转换型ADC 常用的集成芯常用的集成芯片有片有CB7106CB7127 常用的集成常用的集成芯片有芯片有ADC0804ADC0809 15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换

16、器）转换器 n位逐次逼近模数换器的原理框图位逐次逼近模数换器的原理框图组成：组成：电压比较器；逻辑控制电路；逐次逼近电压比较器；逻辑控制电路；逐次逼近寄存器；寄存器；D/A转换器。转换器。15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 工作原理：工作原理：清零：将寄存器清零，清零：将寄存器清零，D/A转换器输入的数字量转换器输入的数字量也全为也全为“0”； 转换开始：转换开始：uL为高电平。为高电平。首先在首先在CLK作用下设定寄作用下设定寄存器输出最高位为存器输出最高位为“1”，其余位为其余位为“0”。第一次比较：寄存器输出的数字量经第一次比较：寄存器输出的数字量经

17、D/A转换器，输出模拟转换器，输出模拟量量uo，并与，并与ui比较。若比较。若uoui，则最高位的，则最高位的“1”设为设为“0”； 若若uoui，则最高位的，则最高位的“1”保留。保留。 第二次比较：设置次高位为第二次比较：设置次高位为“1”，重复的过程，以此类推，重复的过程，以此类推，直到最末位，得到的数字量即为输出的数字量。直到最末位，得到的数字量即为输出的数字量。15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 15.2.2 15.2.2 集成集成A/D转换器简介转换器简介集成集成A/D转换器转换器ADC0809的内部结构框图的内部结构框图15.2 15.2 模

18、数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 各管脚功能：各管脚功能： 模拟信号输入端模拟信号输入端 IN0IN7：8路模拟电压输入，可由路模拟电压输入，可由8通道多路模拟开关通道多路模拟开关选择其中一路送入选择其中一路送入8位位A/D转换器进行转换；转换器进行转换；15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 数字信号输出端数字信号输出端 D0D7：A/D转换器输出的转换器输出的8位二进制数，其中位二进制数，其中D7为最高为最高位（位（MSB），），D0为最低位（为最低位（LSB）；）； 地址信号输入端地址信号输入端A2、A1、A0：译码器三位地址输入端，经

19、过：译码器三位地址输入端，经过3位地址锁存位地址锁存和译码后，控制选择哪一路模拟电压进行模数转换；和译码后，控制选择哪一路模拟电压进行模数转换； 15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 控制与状态信号控制与状态信号ALE、OE、CLK、START及及EOC： a.ALE：为地址锁存允许信号，当输入脉冲上升沿时，将：为地址锁存允许信号，当输入脉冲上升沿时，将3位地址输入位地址输入A2、A1、A0存入地址锁存器中存入地址锁存器中 ;b.OE：输出允许信号，当为高电平时，允许从三态输出锁存缓冲器中取出：输出允许信号，当为高电平时，允许从三态输出锁存缓冲器中取出数字量

20、数字量 ;15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 c.CLK：时钟脉冲信号，频率范围为：时钟脉冲信号，频率范围为101280kHz; d.START：转换启动信号，在它的上升沿到来时，将逐次逼近寄存器清零，：转换启动信号，在它的上升沿到来时，将逐次逼近寄存器清零，在其下降沿到来时，开始进行转换在其下降沿到来时，开始进行转换; EOC：转换结束的状态标志，：转换结束的状态标志，EOC为低电平时，表示转换进行中，当为低电平时，表示转换进行中，当EOC状态为高电平时，表示状态为高电平时，表示A/D转换结束，故转换结束，故EOC可以作为收据接收设备开始接可以作为收据接

21、收设备开始接收数据的信号。收数据的信号。15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 电源电压电源电压VCC、基准电压、基准电压VREF（+）和和VREF（-）及地及地GND ：电源电压：电源电压VCC为为5V；VREF（+）和和VREF（-）为基准电压，用来与输入的模拟信号进行比较、作为逐次为基准电压，用来与输入的模拟信号进行比较、作为逐次逼近的基准。其典型值为逼近的基准。其典型值为VREF（+）=5V，VREF（-）=0V。15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 工作原理：工作原理：输入三位地址输入三位地址A2、A1、A0，在，在ALE上升沿到来时进行锁上升沿到来时进行锁存，从而选通存，从而选通ADC0809的某一路输入模拟信号；的某一路输入模拟信号； 15.2 15.2 模数转换器（模数转换器（A/DA/D）转换器）转换器 当发出转换启动信号当发出转换启动信号START时，上升沿将逐次逼近寄存器清时，上升沿将逐次逼近寄存器清零，下降沿时开始转换，转换结束状态标志零，下降沿时开始转换，转换结束状态标志ECO为低电平。