第九章 数-模和模-数转换

1、第9章上页下页返回第九章 数-模和模-数转换 第9章上页下页返回9.1 概述数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其结果为数字量。然而，自然界中绝大多数的物理结果为数字量。然而，自然界中绝大多数的物理量都是连续变化的模拟量。例如温度、速度、压量都是连续变化的模拟量。例如温度、速度、压力等。这些模拟量经传感器转换后所产生的电信力等。这些模拟量经传感器转换后所产生的电信号也是模拟信号。若要数字装置或计算机对这些号也是模拟信号。若要数字装置或计算机对这些信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。第9章上页下页返回9.1

2、 概述将模拟量转换为数字量的过程称为模将模拟量转换为数字量的过程称为模/数转换简称数转换简称A/D转换。实现转换。实现A/D转换的电路被称之为模转换的电路被称之为模/数转换器，数转换器，简称简称ADC（Analog to Digital Converter）。）。ADC转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出仍为数字信号。而过程控制装置往往需要模拟信号去仍为数字信号。而过程控制装置往往需要模拟信号去控制，所以经计算机处理后得到的数字信号必须转换控制，所以经计算机处理后得到的数字信号必须转换为模拟信号。把数字量转换为模拟量的过程称作数为模拟信号。把数字量转

3、换为模拟量的过程称作数/模模转换器，简称转换器，简称DAC（Digital to Analog Converter）。）。第9章上页下页返回9.2 D/A转换器DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数，常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制数。由于输入数字量的位数是通常是无符号的二进制数。由于输入数字量的位数是有限的，所以输出的模拟量也是有限的。例如三位有限的，所以输出的模拟量也是有限的。例如三位DAC只能有八个，相应模拟量输出的大小也只有八个只能有八个，相应模拟量输出的大

4、小也只有八个不同值。不同值。第9章上页下页返回一、一、D/A转换基本原理转换基本原理 数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。 数字量：(D3D2D1D0)2(D323D222D121D020)10 (1101) 2 (123122021120)10 模拟量：uoK(D323D222D121D020)10uoK(123122021120)10 (K为比例系数)9.2 D/A转换器第9章上页下页返回9.2 D/A转换器n位D/A转换器方框图 第9章上页下页返回二、二、 二进制权电阻二进制权电阻DAC 9.2 D/A转换器第9章上页下页返回RVaRVaRVaRVaiREFREFREFREF

5、I302112032222)2222(2001122333aaaaRVREF30322iiiREFaRV9.2 D/A转换器第9章上页下页返回权电阻权电阻DAC的优点是简单直接，但当位数较多时，的优点是简单直接，但当位数较多时，电阻的值域范围太宽。这就使得阻值种类太多，制电阻的值域范围太宽。这就使得阻值种类太多，制成集成电路困难；对高位权电阻的精度和稳定性要成集成电路困难；对高位权电阻的精度和稳定性要求很苛刻，这是因为各位电阻值与二进制数位成反求很苛刻，这是因为各位电阻值与二进制数位成反比，高位权电阻的误差对输出电流的影响比低位权比，高位权电阻的误差对输出电流的影响比低位权电阻大得多。电阻大得

6、多。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回9.2 D/A转换器二、二、倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 1. 电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。基准参考电压 双向模拟开关D1时接运放D0时接地R2R倒T形电阻解码网络 求和集成运算放大器 第9章上页下页返回2. 工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回 因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si

7、来决定。故流入运算放大器的总电流为：0123D16ID8ID4ID2II9.2 D/A转换器第9章上页下页返回由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因此从UREF流出的电流为： RIREFU9.2 D/A转换器第9章上页下页返回故 ：)2D2D2D2(DR2UI001122334REF9.2 D/A转换器第9章上页下页返回因此输出电压可表示为 ：9.2 D/A转换器第9章上页下页返回由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。 对于n位的倒T形电阻网络DAC，有 ：9.2 D/A转换器第9章上页下页返回3、电路特点： （1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成

8、工艺是相当有利的； （2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。 因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回三、三、 DAC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。 输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。 满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。 对于n位D/A转换器，分辨率可表示为： 121n分辨率 位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数

9、n来表示分辨率。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回2. 转换速度 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。 不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。 9.2 D/A转换器第9章上页下页返回3. 转换精度 转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。 例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为0.1V。百分数越小，精度越高。 转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增

10、益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回4. 非线性误差 通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。 D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大器的非线性引起。 5. 温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。 一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。 9.2 D/A转换器第9章上页下页返回例例: 若若DAC的最大输出电压为的最大输出电压为10V，要想使转换误，要想使转换误差在差

11、在10mV以内，应选多少位以内，应选多少位DAC？解：要想转换误差在解：要想转换误差在10mV以内，就必须能分辨出以内，就必须能分辨出10mV电压。就是说分辨率必须小于电压。就是说分辨率必须小于10/（10103）=1/1000。根据分辨率可以表示。根据分辨率可以表示DAC的精度这一结的精度这一结论，至少需要论，至少需要10位位DAC，若考虑其它因素，需选，若考虑其它因素，需选12位位DAC。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回四、四、 集成集成DACDAC电路都做成集成电路供使用者选择。按电路都做成集成电路供使用者选择。按DAC输出方式分为电流输出输出方式分为电流输出DAC和电压输出和电压

12、输出DAC。DAC的芯片型号繁多，常用的有并行输入的的芯片型号繁多，常用的有并行输入的DAC0832、串行输入的、串行输入的AD7543等，下面介绍等，下面介绍DAC0832，AD7520。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回电路结构：电路结构：DAC0832是美国国家半导体公司生是美国国家半导体公司生产的电流输出型八位数产的电流输出型八位数/模转换电路，它也可以连成模转换电路，它也可以连成电压输出型。可以直接与微处理器相连而不需要加电压输出型。可以直接与微处理器相连而不需要加I/O接口。采用接口。采用CMOS工艺制成的工艺制成的20脚双列直插式八脚双列直插式八位位D/A转换器。其结构框图如

13、图（转换器。其结构框图如图（a）所示。）所示。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回9.2 D/A转换器第9章上页下页返回 DAC内包含两个数字寄存器：输入寄存器和内包含两个数字寄存器：输入寄存器和DAC寄存器，寄存器，故称为双缓冲方式。两个寄存器可以同时保存两组数据，故称为双缓冲方式。两个寄存器可以同时保存两组数据，可以先将八位输入数据保存到输入寄存器中，当需要转换可以先将八位输入数据保存到输入寄存器中，当需要转换时，再将此数据由输入寄存器送到时，再将此数据由输入寄存器送到DAC寄存器中锁存并进寄存器中锁存并进行行D/A转换输出。转换输出。 采用双缓冲方式的优点：采用双缓冲方式的优点：可以防

14、止输入数据更新期间模可以防止输入数据更新期间模拟量输出出现不稳定的情况；拟量输出出现不稳定的情况；可以在模拟量输出的同时可以在模拟量输出的同时将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中，从而提高将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中，从而提高了转换精度；了转换精度；可以同时更新多个可以同时更新多个D/A转换的输出，为有多转换的输出，为有多个个D/A转换器件的系统、多处理系统中的转换器件的系统、多处理系统中的D/A器件协调一致器件协调一致地工作带来了方便。地工作带来了方便。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回l）D7D0：数字信号输入端，D7为最高位，D0为最低位。2）ILE：允许输入锁存，高

15、电平有效。3） ：片选输入，低电平有效。 4） ：写信号（1）输入，低电平有效。5） ：写信号（2）输入，低电平有效。6） ：传送控制信号输入端，低电平有效。7）IOUT1：电流输出1。8） IOUT2：电流输出2。 9）UREF：参考电压输入端，可在+10V-10V范围内选择。10）Rf：反馈电阻引线端。11）VCC：电源电压，可在+5V+15V范围内选择。最佳工作状态电压为+15V。12）AGND：模拟信号接地端。13）DGND：数字信号接地端。CS1WR2WRXFER9.2 D/A转换器第9章上页下页返回 D/A转换器AD7520 AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全

16、兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。 9.2 D/A转换器分辨率：10位线性误差：(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则的百分数表示则为为0.05%FSR。转换速度：500ns温度系数：0.001%/第9章上页下页返回 AD7520内部逻辑结构图该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回D0D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1I

17、OUT2：电流输出端2Rf：10K反馈电阻引出端Vcc：电源输入端UREF：基准电压输入端GND：地。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回五、五、 D/A转换器应用举例转换器应用举例9.2 D/A转换器10位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。 AD7520组成的锯齿波发生器 第9章上页下页返回频率的数字控制频率的数字控制图图(a)所示为三角波所示为三角波-方波发生器电路，其频率由方波发生器电路，其频率由D/A转换器输入的数字量进行控制。电路由转换器输入的数字量进行控制。电路由D/A转换器、

18、转换器、T1、T2构成的镜象电流源，积分器构成的镜象电流源，积分器A1和比较器和比较器A2等等组成。组成。9.2 D/A转换器第9章上页下页返回9.2 D/A转换器第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 把模拟电压或电流转换成与之成正比的数字量。一般AD转换需经采样、保持、量化、编码四个步骤。一、A/D转换的基本原理 A/D转换器可以看成是一种编码电路。 AD转换器的转换关系可以表示为： RiAAD D为数字输出信号；Ai为模拟输入信号；AR为参考模拟量。 第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 二、采样和保持 采样就是按一定时间间隔采集模拟信号。由于模拟信号是连续的，而采样的信号是离散的。所

19、以采样得到的样值在一定时间间隔内就不能改变。这就是保持。采样定理为了使所采集的信号样值不失真地反映原来模拟信号的变化规律。则要求采样信号VS的频率s（采样频率）越大越好。 VS必须满足 s2 imax 第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 采样保持原理电路图如图（采样保持原理电路图如图（a）所示。所示。S受采样信号受采样信号vS控制。控制。vS为高电平时，为高电平时，S闭合；闭合；vS为低电为低电平时，平时，S断开。断开。S闭合时为采样闭合时为采样阶段，阶段，vO=vI。S断开时为保持断开时为保持阶段，此时由于电容无放电回阶段，此时由于电容无放电回路，所以路，所以vO保持在上一次采样保持在上

20、一次采样结束时输入电压的瞬时值上。结束时输入电压的瞬时值上。图图(b)是采样保持电路输入和输是采样保持电路输入和输出及采样信号波形图。出及采样信号波形图。 通常取fs （2.53）fmax 。 vo第9章上页下页返回常用的几种采样保持电路常用的几种采样保持电路采样保持电路种类很多。一般由采样开关采样保持电路种类很多。一般由采样开关T、存储信、存储信息的电容息的电容C和缓冲放大器和缓冲放大器A等几个部分组成。等几个部分组成。9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进

21、制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。 第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小 第9章上页下页返回 四、四、A/D转换器工作原理转换器工作原理 直接A/D转换器：直接A/D转换器是指在其转换过程中，量化和编码是同时实现的A/D转换器。 并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：间接A/D转换器是指在其转换过程中，量化和编码是分开实现的A/D转换器。 双积分型A/D转换器 电压转换型

22、A/D转换器 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回1、并联比较型 ADC由电阻分压器、电压比较器、编码器等组成 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 工作原理：电阻分压器将输入参考电压（8V）量化为1V，2V，7V共7个比较电平，量化单位为18Vref。之后将这7个电平分别接到7个电压比较器C1C7的反相输入端上。7个比较器的另一个输入端连在一起，做为采样保持模拟电压的输入端。输入电压U；与参考电压的比较结果由比较器输出，编码器把比较器送出的信号进行二进制编码，以输出3位二进制数字信号。第9章上页下页返回转换原理是：将输入模拟量同反馈电压做比较，使量化的数字量逐次逼

23、近输入模拟量。 9.3 A/D转换器 2、逐次比较型A/D转换器基准电压UREFn位A/D转换器 第9章上页下页返回CPD n-1D n-2 D n-3D1D0u0 (V)uIuO？01 0 0 000.5UREF1（D n-1为1）/0（D n-1为0）1D n-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2为1）/0（D n-2为0）2D n-1 D n-2 1 001（D n-3为1）/0（D n-3为0）n-1D n-1D n-2 D n-3D111（D 0为1）/0（D 0为0）9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回实例 8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/

24、A转换器基准电压 UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0 (V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006. 562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO为1否则为0 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计

25、数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。9.3 A/D转换器 双积分双积分ADC是一种间接是一种间接A/D转换器转换器模拟电压模拟电压时间间隔时间间隔数字量数字量第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 （1）电路组成 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分； Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 检零比较器C：当uO0时，uC0； 当uO0时，uC1。第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T12nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn1，

26、使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。第9章上页下页返回9.3 A/D转换器 时钟脉冲控制门G：当uC =1时，门G打开，CP脉冲通过门G加到计数器输入端。第9章上页下页返回 （2）工作原理 双积分型ADC的工作波形 先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，UpuI； 再对UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2UpuI； 在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，NT2UpuI 。 由于这种转换需要两次积分才能实现，因此称该电路为双积分型ADC。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 准备阶段：转换控制信号CR0

27、，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn0使S1接通A点。9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 采样阶段：当t0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即tIOdtuRCu019.3 A/D转换器 第9章上页下页返回与此同时，由于uO0，故uC1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当tt1时，FF0FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T12nTc。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回设UI为输入电压在T1

28、时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为 ICnIIPURCTURCTdtuRCUT211019.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有tREFICnREFPOtRCUURCTdtURCUu02)(19.3 A/D转换器 第9章上页下页返回当tt2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2NTC。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 若以t1算作0时刻，当t

29、T2时，积分器的输出uO0，此时则有9.3 A/D转换器 ICnREFURCTTRCU22IREFCnUUTT22可见，T2UI。 由于T T1 12 2n nTcTc，所以有IREFUUTT12第9章上页下页返回 结论：可见，NUIuI，实现了A/D转换，N为转换结果。 IREFnCUUTTN22 第一，如果减小uI（即图中的uI），则当tT1时，uOUp，显然UpUp，从而有T2T2； 第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc； 第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。 由于T2NTc，所以 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流

30、噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。 缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。 优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 ADC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指A/DA/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 通常以ADCADC输出数字量的位数

31、表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。 例如，输入模拟电压满量程为10V10V，若用8 8位ADCADC转换时，其分辨率为10V/210V/28 839mV39mV，1010位的ADCADC是9.76mV9.76mV，而1212位的ADCADC为2.44mV2.44mV。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回2. 转换误差转换误差 转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。 转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。 例如某ADC的相对精度为(1/2)LSB，这说明

32、理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为的一半。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回3. 转换速度转换速度 完成一次A/DA/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。 双积分ADCADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间； 逐次比较型ADCADC的转换时间大都在10105050s s之间； 并行比较型ADCADC的转换时间可达10ns10ns。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 集成集成A/D转换器及其应用举例转换器及其应用举例 集成A/DA/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。 1. ADC0804 A/D转换器 ADC0804是一种逐次比较型A/D转换器。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回（1）ADC0804的主要功能及参数如下： 分辨率为8位。 线性误差为1/2LSB。 三态锁存输出，输出电平与TTL兼容。 +5V单电源供电，模拟电压输入范围05V。 功耗小于20mW。 不必进行零点和满度调整。 转换速度较高，可达100S。 9.3 A/D转换器 第9章上页下页返回 ADC0804引脚图UIN+、UIN-：模拟信号输入端，可接收单极性、双极性和差模输入信号。 U