数模转换和模数转换

1、 第第8 8章章 数数/ /模转换和模模转换和模/ /数转换数转换 授课计划 教学内容 教学小结 一、授课计划 1、教学目标1、了解DAC、ADC的分类及主要参数；2、掌握集成D/A转换器芯片DAC0832的应用。3、掌握集成A/D转换器芯片ADC0809的应用 2、重点与难点1、重点： 掌握A/D、D/A转换的典型应用电路2、难点： D/A、A/D转换器集成芯片的选用 3、学时分配：共4学时第1、2学时：A/D转换集成芯片及其应用 第3、4学时：D/A转换集成芯片及其应用 8.1 D/A转换器转换器（第1、2学时） 随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及

2、许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。 称重传感器小信号放大器A/D微处理器CPUD/A 放大 驱动料门开关驱动显示mgU模拟量数字量数字量模拟量图8.1 电脑包装秤的框图一一 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，对于有权码，先将每位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，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，从而实现了数字从而实现了数字/ /模拟转换。模拟转换。01234567001010011100 101110111D/A转换器DDD

3、01n-1.vo输入输出vo/VD0008.1.1权电阻网络D/A转换器 一个多位二进制数中每一位上的1所代表的数值的大小称为这一位的权。n位二进制数dn=dn-1dn-2 d1d0，从高位到最低位的权依次为2n-1、2n-2 21、20。 电阻网络D/A转换的原理图中S3S2S1S0是四个电子开关，它们是接通地还是接通参考电压UREF ，分别接收输入代码d3d2d1d0的控制。di=0时，Si接通地；di=1时，S2接通参考电压，支路上有电流Ii流向求和放大器A。求和放大器A的反向输入端U-和输出端U之间接有负反馈电阻RF（R/2），则A工作在线性区有U-=U+=0（虚接地），在认为A输入电

4、流Ib近似为零的条件下可以得到。 )(01230IIIIRiRUFF代入上式得因03012122332,2,2,dRUIdRUIdRUIdRUIREFREFREFREF)2222(20011223330ddddRRUUFREF取 代入上式得 （8.2.2）对于n位数权电阻D/A转换器，运算放大器的反馈电阻取为R/2，时有 U0= -(dn-12n-1+dn-22n-2+d121+d020)当Dn= dn-1 dn-2d1d0 =00.0 时 , 有U0=0当Dn= dn-1 dn-2d1d0=11111时,有V0= - （8.2.3） 从式（8.2.3）中可以看到：UREF为正电压时，输出电压

5、u0始终为负值。要想得到正的输出电压u0，可以将UREF取为负值。权电阻网络的D/A转换器的优点是结构比较简单，所用的电阻元件数很少。它的缺点是各个电阻的阻值相差很大。按等比数列取值，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。如当输入信号达到8位时，取权电阻网络最小的电阻R=5K，则最大电阻为27R=0.64M，两者相差128倍。要想在极为宽的范围内，每个阻值都有很高的精度是十分困难的，尤其制作集成电路十分不利。因此在集成DAC中很少单独使用此电路。 001132334022222dddddUUREFREFnnU212 2/RRF8.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器

6、（4位）位）所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622可算出，基准电流可算出，基准电流 I=UREF/R，输出电压：输

7、出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：于是得总电流：将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：UO=KNB , 其中 NB= ，30413223140)2(2)2222(iilREFREFDRUDDDDRUi3040)2(2iiiREFffDURRRiU)2(210iniinREFfODURRU)2(10iniiD nREFfURRK2 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电

8、流型D/A转换器。转换器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFDiiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiU22)2222(2)16842(3040011223340123基准电流：基准电流：3E1REFREF2IRUI由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为)2222(20011223314REFODDDDRURRiUffiniinfDRRUU22101REFO可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：8.1.3 8

9、位位DAC集成芯片及其作用集成芯片及其作用 DAC0832是是8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量是数字量输入端。输入端。用用这类器件构成的这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻产生基准电流用的电阻R1。当当UREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：7087018221022iiiiiiREFfODDRURU 数 字 输 出 模 拟 输 出 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

10、0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0V 0.039V 4.96V 5V 5.039V 9.96VDAC0832D/A转换器输出与输入的关系（转换器输出与输入的关系（ 设设VREF=10V）7D6D5D4D3D2D1D0D0V)2560(REFV)2561(REFV)256127(REFV)256128(REFV)256129(REFV)256255(REFV1.转换精度转换精度 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标此外，也可用此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，分辨率，N位位D/A

11、转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/2.转换速度转换速度3. 温度系数温度系数在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压，输出电压变化的百分数作为温度系数。变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中

12、，常用字量输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。 （1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出电压变当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。) 12 (n8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器（第（第3 3、4 4学时）学时）8.2.1 ADC8.2.1 ADC的基本原理的基本原理 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转转换过程为：换过程为：取样、保持

13、、量化和编码。取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位） 取样定理：取样定理： 因为每次把取样电压转换为相应的数字量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，所以在每次取样以后，必都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的束时的vI值。值。式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高的

14、最高频率。频率。max2iSff 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）: 当控制信号当控制信号vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经电阻经电阻Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。则充电结束后则充电结束后 vO=vI=vC。N沟道沟道MOS管管T作为开关用。作为开关用。 当控制信号返回低电平后，当控制信号返回低电平后，T截止。截止。Ch无放电回路，所以无放电回路，所以vO的数值的数值.可被保存下来。可被保存下来。RRifIvLvTAChvoCCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF1515

15、1515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII76543218.2.2直接直接A/D转换器转换器 1. 并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）输入模拟电压寄存器状态数字量输出（代码转换器输入）（代码转换器输出）QQQQQQQ7654321DDD210vI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(11033557799111113131VR EFVR EF

16、VR EFVR EFVR EFVR EFVR EFVR EF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表 转换原理：转换原理：2 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器vIREFV169VREF1016设：输出数字信号vIREFV169VREF1016设：逻辑电路逻辑电路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVF

17、FFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG8.2.38.2.3间接间接A/DA/D转换器转换器 1双积分型双积分型A/D转换器转换器它由积分器、过零比较器（它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（）、时钟脉冲控制门（G）和定）和定时器

18、、计数器（时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电， vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)tIOdtvv01 由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被被闭，计数停止。闭，计数停止。cn

19、TTt21ICnIPVTVTV21dtVVtvttREFPO)(1)(212在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式的表达式可写为：可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。 上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取），与在取样时间样时间T1内输入电压的平均值内输入电压的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就，转换器就能将输入电压转

20、换为数字量。能将输入电压转换为数字量。T2=TC 0)(1)(212dtVVtvttREFPOICnREFVTTV22IREFCnVVTT22IREFnCVVTT222、V-F变换型的A/D转换器V-F变换型A/D转换器的电路结构框图，它由压控振荡器（VCO），寄存器、计数器及其时钟信号CP的控制闸门G组成。VC0输出脉冲的频率fOVT随输入模拟电压Vi的变化而改变，且在一定的变化范围内fOUT与Vi之间保持较好的线性关系。VC0的输出信号是一种调频信号，而这种调频信号不仅易于传输和检出，还有很强的抗干扰能力，所以V-F变换型A/D转换器非常适合应用在遥测、遥控系统中。闸门G由信号VG控制。当

21、UG为高电平时，VC0 的输出脉冲通过闸门G给计数器计数。由于VG是固定宽度的脉冲信号，所以在TG时间里通过闸门的脉冲N与fOVT成正比，因此也就与Vi成正比。因此，每个UG周期结束时计数器里数字就是所需要的转换结果。输出端的寄存器是为了避免输出端的数字跳动。每当转换结束时用UG的下降沿将计数器的状态置于寄存器中。V-F变换精度取决于线性度和稳定度。8.2.48.2.4集成芯片集成芯片ADC0809ADC0809及其应用及其应用在单片集成A/D转换器中，逐次比较型使用较多，下面以ADC0808/0809为例介绍A/D集成芯片及其应用。1、ADC0808/0809引脚及使用说明ADC0808/0

22、809是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换芯片。分辨率10位，转换时间100S，输入模拟电压范围0至6.5V，片内含8通道多路开关，锁存逻辑控制调制器，具有三态输出锁存缓冲器，能与微机兼容，输出电平与TTL、CMOS兼容。单电源+5V6.5V工作。引脚排列见图8.20所示，各引脚功能为：1）IN0 IN7（第15 脚，第26 28脚）：8路模拟量输入脚，可以从8个脚输入OV至+5V待转换模拟电。2）CLOCK（第10脚）：时钟CP输入端，ADC0808/0809只有在CP信号同步下, 才能进行A/D转换。时钟频率的上限是640KHZ。3）ALE（第22脚）：地址锁存允许端。ALE=1时

23、地址锁存和译码部分把上面所述的CBA的值输入和译码并接通IN0 IN7之一。当 ALE=0时，把CBA的值锁存起来。4）START（第6脚）：启动脉冲输入端，启动脉冲的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下跳沿启动ADC开始转换。5）VDD(第11脚)：电源输入端：+5V +6.5V。6）GND（第13脚）：地7）VREF（+）（第12脚）VREF-（第16脚）：分别为基准电压的高电平和低电平端。8）EOC（第7脚）：转换结束信号端。EOC=0，表示转换正在进行，输出数据不可信。EOC=1表示转换已完成，输出数据可信。9）BOB7（第8、14、15、1721脚）：转换所得八位输出数据，B7是最高位

24、，BO是最低位。10）OE（第9脚）：允许输出端。OE端控制输出锁存器的三态门。当OE=1时，转换所得的数据送到B0B7端，当OE=0时，B0B7脚对外呈高阻状态。11）ADDA、ADDB、ADDC（第2523脚）：通道地址输入端。例如当CBA=001时，模拟量IN1输至ADC0808/0809，CBA=010时,IN2输入ADC0809依次类推。图8.20ADC0808/0809引脚端排列图 图8.21ADC0808/0809的功能框图 表8.4 ADC0808/0809真值表2、ADC0808/0809真值表和功能框图（表8.4和图8.21）ALEC B A接通信号10 0 0IN010

25、0 1IN110 1 0IN210 1 1IN311 0 0IN411 0 1IN511 1 0IN611 1 1IN70X X X均不通3、典型应用线路图（见图8.22） 图8.22 ADC 0808/0809典型应用接线图 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。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在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。输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1. 转换精度

26、转换精度例如，相对误差例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出，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于最低位的半个字。数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转换误差）转换误差它表示它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字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。常用最低有效位的倍数表示。量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2. 转换时间转换时间指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。所经过的时间。并行比较并行比较A/D转换器转换速度最

27、高；逐次比较型转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接转换器次之；间接A/D转转换器的速度最慢。换器的速度最慢。 本章小结本章小结 1 1、DACDAC和和ADCADC模拟信号与数字设备、数字系统之间不可缺少的接口部件模拟信号与数字设备、数字系统之间不可缺少的接口部件DACDAC的原理是利用线性电阻网络来分配数字量各位的权，使输出电流的原理是利用线性电阻网络来分配数字量各位的权，使输出电流与数字量成正比，然后利用运算放大器转换成模拟的电压输出。在与数字量成正比，然后利用运算放大器转换成模拟的电压输出。在DACDAC中，本章介绍了运用很广泛的倒中，本章介绍了运用很广泛的倒T T型电阻网络的型电阻网络的DACDAC的工作原理。的工作原理。 2 2、A/DA/D转换的过程是采样转换的过程是采样/ /保持保持/ /量化量化/ /编码的过程；构成编码的过程；构成ADCADC的基本思