第七章数模和模数转换器

1、江西省井冈山应用科技学校江西省井冈山应用科技学校数字电路Ta b l e o f C o n t e n t s7 7.1 .1 模数转换器模数转换器DACDAC7 7.2 .2 数模转换器数模转换器ADCADC江西省井冈山应用科技学校数字电路掌握数模转换的基本概念、组成框图熟悉倒T型电阻网络数模转换器的组成和工作原理熟悉逐次逼近型ADC0809的引脚功能和应用能查阅手册，识读数模转换集成电路的引脚江西省井冈山应用科技学校数字电路数模转换器（数模转换器（DACDAC）第 一 节江西省井冈山应用科技学校数字电路7 7.1.1.1.1T T 型电阻型电阻 DACDAC7 7.1.2.1.2倒倒 T

2、 T 型电阻型电阻 DAC DAC 江西省井冈山应用科技学校数字电路7 7.1.1.1.1T T 型电阻型电阻 DACDAC1 1电路组成电路组成S0 S3：4 4个电子模拟开关，分别受输入的数字信号个电子模拟开关，分别受输入的数字信号D0 D3 控制。控制。 当当 Di = 0 时时，开关，开关 S Si i 切换到接地端；切换到接地端；当当 Di = 1 时时，开关接向基准，开关接向基准电压电压 V VREFREF。图7.1.1江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理 从任一模拟开关从任一模拟开关 S Si i 到接地端或虚地到接地端或虚地 端的等效电阻为端的等效电阻为 3

3、3R R 。如图如图15.1.115.1.1（b b）所示。）所示。 从任一节点向左或向右到接地或虚地从任一节点向左或向右到接地或虚地 端的等效电阻相等，其端的等效电阻相等，其大小为大小为 2 2R R。图7.1.1特点特点江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理 每每 1 1 位按权的大小转换成相应的模拟量。为了将数字量转换成位按权的大小转换成相应的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，必须将二进制的每模拟量，必须将二进制的每 1 1 位按权的大小转换成相应的模拟量。位按权的大小转换成相应的模拟量。 n n 位二进制数每位二进制数每 1 1 位的权。一个位的权。一个 n n 位二进

4、制数可表示为，位二进制数可表示为，D = D = dn-1dn-2d1d0 ,dn-1dn-2d1d0 ,其最高有效位其最高有效位 MSB MSB 到最低位有效位到最低位有效位 LSB LSB 的权位依次的权位依次为为 2n-12n-1，2n-22n-2，2121，2020。基本原理基本原理 将代表各位的模拟量再相加，这样就可以得到与该数字量成正比将代表各位的模拟量再相加，这样就可以得到与该数字量成正比的模拟量。的模拟量。江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理计算计算 模拟开关模拟开关 S Si i 是接向基准电压是接向基准电压 V VREFREF，还是接向地端，受到输，还是接

5、向地端，受到输D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 入的二进制数码控制。入的二进制数码控制。 i 的一般表达式为：的一般表达式为： )2222(321 )21212121(300112233FRE40413223FREDDDDRVDDDDRVi江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理计算计算)2222(23001122334REFfODDDDVRiRiv 模拟开关模拟开关 S Si i 是接向基准电压是接向基准电压 V VREFREF，还是接向地端，受到输，还是接向地端，受到输D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 入的二进制数码控制。入的二进制数码控制。

6、输出电压输出电压 vo 为：为：江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理计算计算 模拟开关模拟开关 S Si i 是接向基准电压是接向基准电压 V VREFREF，还是接向地端，受到输，还是接向地端，受到输D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 入的二进制数码控制。入的二进制数码控制。 对于对于 n 位位 T 型网络型网络 DAC，可推广为，可推广为)DDDD(Vvnnnnn00112211REFO22222 输出模拟电压输出模拟电压 v vo o 与输入数字量成正比，比例系数为与输入数字量成正比，比例系数为- - V VREFREF/2/2n n。江西省井冈山应用科技

7、学校数字电路 例例 7 7-1-1 有一个有一个 5 5 位位 T T 型电阻型电阻 DACDAC， V VREFREF = 10 V = 10 V，R Rf f = 3R = 3R，D D4 4D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 = 11010 = 11010，试求出输出电压，试求出输出电压 vO = = ？解解由上述公式可得由上述公式可得V1258 )020816(32V10 )22222(200112233445REFO.DDDDDVvn 江西省井冈山应用科技学校数字电路7 7.1.2.1.2倒倒 T T 型电阻型电阻 DAC DAC 1 1电路组成电路组成图7.1.2江西

8、省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理RVI/REF 基准电压基准电压 V VREFREF 流出的电流流出的电流 I I 为为)2222(21 16/8/4/2/00112233FRE40123DDDDRVDIDIDIDIi 输出电压为输出电压为v vO O： 输入数码为任意值时，输入数码为任意值时，i i 的一般表达式为：的一般表达式为： )2222(2001122334REFfODDDDVRiv 江西省井冈山应用科技学校数字电路模数转化器（模数转化器（ADCADC）第 二 节江西省井冈山应用科技学校数字电路7 7.2.1.2.1模数转换的基本原理模数转换的基本原理7 7.2.2

9、.2.2并行比较型并行比较型ADCADC7 7.2.3.2.3逐位比较型逐位比较型 ADCADC江西省井冈山应用科技学校数字电路采样采样：就是对连续变化的模拟信号定时进行测量，抽取样值。通过采样，：就是对连续变化的模拟信号定时进行测量，抽取样值。通过采样，一个在时间上连续变化的模拟信号就转换为随时间断续变化的脉冲信号。一个在时间上连续变化的模拟信号就转换为随时间断续变化的脉冲信号。 7 7.2.1.2.1模数转换的基本原理模数转换的基本原理1 1采样和保持采样和保持图7.2.1江西省井冈山应用科技学校数字电路(1)(1) 采样过程采样过程 图图15.2.115.2.1（a a）为一个受控的模拟

10、开关，）为一个受控的模拟开关，构成采样器。构成采样器。v vS S 到来时，到来时，V V 导通，导通， v vO O = = v vI I 采样器在采样脉冲的控制下采样器在采样脉冲的控制下, ,把输入的模拟把输入的模拟信号变换为脉冲信号，如图信号变换为脉冲信号，如图15.2.115.2.1（b b）所示。）所示。 1 1采样和保持采样和保持图7.2.1江西省井冈山应用科技学校数字电路(2)(2)采样采样保持电路保持电路 为了便于量化和编码，需要将每次采样取得的样值暂存，保持不变，为了便于量化和编码，需要将每次采样取得的样值暂存，保持不变，直到下一个采样脉冲的到来。这就要接一个保持电路。直到下

11、一个采样脉冲的到来。这就要接一个保持电路。1 1采样和保持采样和保持图7.2.2江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2量化和编码量化和编码图7.2.3江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2量化和编码量化和编码量化误差量化误差：采样后得到的样值不可能刚好是某个量化基准值，总：采样后得到的样值不可能刚好是某个量化基准值，总会有一定的误差，这个误差称为量化误差。会有一定的误差，这个误差称为量化误差。量化量化：就是把采样电压转换为以某个最小单位电压：就是把采样电压转换为以某个最小单位电压 的整数倍的的整数倍的过程。分成的等级称为量化级，过程。分成的等级称为量化级， 称为量化单位。称为量化单位。编码：就

12、是用二进制代码来表示量化后的量化电平。编码：就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。江西省井冈山应用科技学校数字电路7 7.2.2.2.2并行比较型并行比较型ADCADC1 1电路组成电路组成由由电阻分压器、电压比较器电阻分压器、电压比较器及及编码电路编码电路组成。组成。电阻分压器电阻分压器：确定量化电压。：确定量化电压。 编码器编码器：对比较器的输出进行编码，：对比较器的输出进行编码，然后输出二进制代码然后输出二进制代码 电压比较器电压比较器：用来确定采样电压的量：用来确定采样电压的量化。化。图7.2.4江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2工作原理工作原理 提供参考电压提供参考电压由由 8

13、 8 个大小相等的电阻串联构成电阻分压器，个大小相等的电阻串联构成电阻分压器，产生不同数值的参考电压，形成产生不同数值的参考电压，形成 共共 7 7 种量化电平。种量化电平。REFREF8781VV 进行电压比较，输出数字量。进行电压比较，输出数字量。7 7 个量化电平分别加在个量化电平分别加在 7 7 个电压比个电压比较器的反相输入端，模拟输入电压较器的反相输入端，模拟输入电压 v vI I 加在比较器的同相输入端。当加在比较器的同相输入端。当 v vI I 大于或等于量化电平时，比较器输出为大于或等于量化电平时，比较器输出为 1 1，否则输出为，否则输出为 0 0，电压比较器，电压比较器用

14、来完成对采样电压的量化。用来完成对采样电压的量化。 编码编码比较器的输出送到优先编码器进行编码，得到比较器的输出送到优先编码器进行编码，得到3 3 位二进制位二进制代码代码 D D2 2D D1 1D D0 0。江西省井冈山应用科技学校数字电路1 1转换原理转换原理 逐位比较型逐位比较型 A/D A/D 转换器的转换原理与天平称物的过程十分相似。转换器的转换原理与天平称物的过程十分相似。假设天平有假设天平有 10 g10 g、5 g5 g、2.5 g2.5 g、1.25 g 1.25 g 和和 0.625 g 0.625 g 五种砝码，欲五种砝码，欲称一质量为称一质量为 15.76 g 15.

15、76 g 的物体，用天平称的过程是将砝码从大到小依次加的物体，用天平称的过程是将砝码从大到小依次加入并与物重逐次比较：入并与物重逐次比较： 比较结果为物重比较结果为物重 砝码重的和，保留加入的这个砝码，记作砝码重的和，保留加入的这个砝码，记作 1 1。这样，将所有的砝码比较一遍后，得到了用二进制代码表示的物体质这样，将所有的砝码比较一遍后，得到了用二进制代码表示的物体质量量 11001 11001 。7 7.2.3.2.3逐位比较型逐位比较型 ADCADC江西省井冈山应用科技学校数字电路1 1转换原理转换原理所称的物体的质量为（所称的物体的质量为（10+5+0.62510+5+0.625）g

16、= 15.625 gg = 15.625 g，与物体实际质，与物体实际质量量 15.76 g 15.76 g 相差相差 0.135 g0.135 g。 砝码越多，用二进制表示物体质量的位数越多，误差就越小。砝码越多，用二进制表示物体质量的位数越多，误差就越小。 逐位比较法逐位比较法: :这种用已知砝码质量逐次与未知物体质量进行比较，使这种用已知砝码质量逐次与未知物体质量进行比较，使天平上砝码的总质量逐次逼近被称物体质量的方法。天平上砝码的总质量逐次逼近被称物体质量的方法。 这种用已知砝码质量逐次与未知物体质量进行比较，使天平上这种用已知砝码质量逐次与未知物体质量进行比较，使天平上砝码的总质量逐

17、次逼近被称物体质量的方法。砝码的总质量逐次逼近被称物体质量的方法。逐位比逐位比较法较法7 7.2.3.2.3逐位比较型逐位比较型 ADCADC江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2电路框图与工作原理电路框图与工作原理图7.2.5江西省井冈山应用科技学校数字电路2 2电路框图与工作原理电路框图与工作原理 （1 1）控制电路使数码寄存器的输出为）控制电路使数码寄存器的输出为 100100，经，经 D/A D/A 转换器变为相应的电转换器变为相应的电压，送入比较器压，送入比较器 C C 与采样电压比较。若与采样电压比较。若 v vI I v vF F ，则将最高位的，则将最高位的 1 1 保留，反之保留，反之就清除，使最高位为就清除，使最高位为 0 0。 （3 3）一直比较到最低位为止。这样，数码寄存器中的数码就是）一直比较到最低位为止。这样，数码寄存器中的数码就是 A/D A/D 转换转换后的数码。后的数码。 （2 2）接着控制器将次高位置）接着控制器将次高位置 1 1，再经，再经 D/A D/A 转换器变为相应的电压，送到转换器变为相