第八章模数数模转换-2

1、第第8 8章章 模数模数与与数模转换数模转换 8.1 概述概述 8.2模数转换器（模数转换器（ADC）8.3数模转换器（数模转换器（DAC） 四、四、8 8位集成位集成ADC0809 ADC0809 1.ADC08091.ADC0809特性参数特性参数 分辨率：分辨率： 8 8位位转换时间：转换时间： 100100 s s增益温度系数：增益温度系数： 20ppm/20ppm/输入电平：输入电平： TTLTTL功耗：功耗： 15mW15mW ADC0809 ADC0809是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的8 8位位八通道八通道逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器。转换器。8.2

2、8.2 模数转换器（模数转换器（ADCADC）发出发出A/DA/D转换转换启动信号启动信号STARTSTART，在，在STARTSTART的的上升沿上升沿将将SARSAR清清0 0，转换结束标志，转换结束标志EOCEOC变为低电平，在变为低电平，在STARTSTART的的下降沿开下降沿开始转换始转换；2.ADC08092.ADC0809工作原理工作原理转换结束后，转换结束后，EOCEOC跳为高电平跳为高电平，在，在OEOE端输入高电平，从端输入高电平，从而得到转换结果输出。而得到转换结果输出。输入输入3 3位地址信号，在位地址信号，在ALEALE脉冲的脉冲的上升沿上升沿将将地址锁存地址锁存，经

3、，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；转换过程在时钟脉冲转换过程在时钟脉冲CLKCLK的控制下进行；的控制下进行；ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟电压输入。路模拟电压输入。 ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A：3 3位地址信号。位地址信号。 ALEALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D D7 7D D0 0（2 2-1-12 2-8-8）：）：8 8位二进制数码输出。位二进制数码输出。 OEOE：输出允许信号，高电平有效。即当：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1OE=1时

4、，打开输出时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。锁存器的三态门，将数据送出。 U UR(+)R(+)和和U UR(-)R(-)：基准电压的正端和负端。：基准电压的正端和负端。3.ADC08093.ADC0809引脚功能引脚功能CLKCLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz500kHz的时钟信号。的时钟信号。 STARTSTART：A/DA/D转换启动信号转换启动信号，为一，为一正脉冲正脉冲。在在STARTSTART的上升的上升沿将逐次比较寄存器沿将逐次比较寄存器SARSAR清清0 0，在其下降沿开始，在其下降沿开始A/DA/D转换过转换过程。程。 EOC

5、EOC：转换结束标志输出信号。在：转换结束标志输出信号。在STARTSTART信号上升沿之后信号上升沿之后 EOCEOC信号变为低电平；当转换结束后，信号变为低电平；当转换结束后，EOCEOC变为高电平。变为高电平。此此信号可作为向信号可作为向CPUCPU发出的中断请求信号。发出的中断请求信号。 D/A D/A转换器实质上是一个转换器实质上是一个译码器译码器（解码器）。一般常（解码器）。一般常用的线性用的线性D/AD/A转换器，其输出模拟电压转换器，其输出模拟电压uO O和输入数字量和输入数字量D Dn n之间成之间成正比关系正比关系。U UREFREF为参考电压为参考电压. .一、一、D/A

6、D/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理8.3 8.3 数模转换器（数模转换器（DACDAC） D/A D/A转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。 uo或或 io 输出输出 D/A d0 d1 dn1 输入输入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF 将输入的每一位二进制代码将输入的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应成相应的模拟量，然后将代表各位的的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟

7、量拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。的转换。 1-n0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各位所对应的各分模拟电压之和。的各分模拟电压之和。 D/A D/A转换器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电压参考电压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。 数码缓冲数码缓冲寄存器

8、寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出求和电路求和电路参考电压参考电压n n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。 Sn-1 Sn-2 S

9、2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 二、二、D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器运算放大器 集成运算放大器，作为集成运算放大器，作为求和求和权电阻网络的缓

10、冲，并将电流权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。转换为电压输出。 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii时，时，时，时，权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：控制：当当d di i=1=1时，时，S Si i将对将对应的权电阻

11、接到参考电压应的权电阻接到参考电压U UREFREF上；当上；当d di i=0=0时，时，S Si i将对应的权电阻接地将对应的权电阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虚短虚短 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虚断虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2 =R/2 ，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u

12、 uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现，从而实现了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。因而因而u uO O的变化范围是的变化范围是 REFnnU2120 当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时， 。REFnnOU212u 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大缺点：阻值相差较大, ,分散性很大分散性很大，制造工艺复杂，制造工艺复杂，实，实际精度较低。际精度较低。 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2

13、d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R + 2. 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 电阻解码网络中，电阻只有电阻解码网络中，电阻只有R R和和2R2R两种，并构成倒两种，并构成倒T T型电阻网型电阻网络。当络。当d di i=1=1时，相应的开关时，相应的开关S Si i接到求和点；当接到求和点；当d di i=0=0时，相应的开时，相应的开关关S Si i接地。但由于接地。但由于虚短虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转，求和点和地相连，

14、所以不论开关如何转向，电阻向，电阻2R2R总是与地相连总是与地相连。这样，倒。这样，倒T T型网络的各节点型网络的各节点向上看向上看和和向右看向右看的等效电阻都是的等效电阻都是2R2R，整个网络的等效输入电阻为整个网络的等效输入电阻为R R。求和点求和点倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n212I 2I 2I 2I 2I I

15、+ I 参考电压参考电压UREF供出的总电流为：供出的总电流为：RUIREF 0I0d2R2U2II1diiinREFinii时，时，时，时，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的各支路电流为： 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：虚断虚断，运算放大器的输出电压为：，运算放大器的输出电压为： 1n0iiinREFFFO2dR2URIRu倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A

16、转换器的特点：转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；而，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 开关切换是在地和虚地进行，所以进入开关切换是在地和虚地进行，所以进入T型电阻网络的型电阻网络的电流恒定，不随数码的变化而变化。电流恒定，不随数码的变化而变化。 应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型电型电阻网络阻网络。令令

17、R RF F=R =R ，则，则n10O22d2uDUUnREFniiinREF即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现了从，从而实现了从数字量到模拟量的转换。数字量到模拟量的转换。分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。 121UUnm 分辨率分辨率 1. 分辨率分辨率 三、三、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的入数字量的位数位数n表示表示D/

18、A转换器的分辨率；转换器的分辨率；分辨率越高，分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分辨率与而分辨率与输入数字量的位数有关，输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高越大，分辨率越高。 可用可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压转换器的最小输出电压与最大输出电压之比之比来表来表示分辨率。示分辨率。 可用可用DAC最低位产生一次变化时，所对应的输出模拟量最低位产生一次变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流（电压或电流）的变化量来表示分辨率。的变化量来表示分辨率。n2模拟输出的满量程值2. 转换精度转换精度 D/A D/A转换器的转换精度是

19、指输出模拟电压的转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想实际值与理想值之差值之差，即最大静态转换误差。，即最大静态转换误差。 如果不考虑如果不考虑D/AC的误差，的误差，D/AC的转换精度即为其分辨率的转换精度即为其分辨率的大小。因此，要获得一定精度的的大小。因此，要获得一定精度的D/A转换结果，首要条件是转换结果，首要条件是选择有足够分辨率的选择有足够分辨率的D/AC。当然，。当然，D/AC的精度不仅与的精度不仅与D/AC本本身有关，也与外围电路以及电源有关。影响转换精度的主要误身有关，也与外围电路以及电源有关。影响转换精度的主要误差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差

20、差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差等等。等等。 3. 标称满量程与实际满量程标称满量程与实际满量程 标称满量程是指对应数字量标称值的模拟输出量。标称满量程是指对应数字量标称值的模拟输出量。 而对于二进制的而对于二进制的DAC，其实际数字量最大值为，其实际数字量最大值为2n1，要比，要比标称值小标称值小1个个LSB，因此，实际满量程要比标称满量程小一个相，因此，实际满量程要比标称满量程小一个相当于当于1个个LSB的模拟量。的模拟量。4. 转换速度转换速度 从输入的数字量发生突变开始，从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0

21、.5LSB范围内所需要的时间，称范围内所需要的时间，称为为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换器（不包括运算放大器）的建转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到立时间最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。 5. 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生的变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化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变，输出电压变化的化的百分数百分数作为温度系数，单位为作为温度系数，单位为ppm/6. 电源变化抑制比（电源变化抑制比（PSRR）

22、描述电源变化对描述电源变化对D/ACD/AC的影响的参数，它用电源变化的影响的参数，它用电源变化1V1V时所产时所产生的输出误差相对满量程的比值来表示，其单位为生的输出误差相对满量程的比值来表示，其单位为1010-6-6/V/V，ppm/V 。7. 其他结构和应用特性其他结构和应用特性数字输入特性数字输入特性包括接收数码制式、数据格式和逻辑电平等。模拟输出特性模拟输出特性是电流输出还是电压输出，满量程电压或电流，最大输出短路电流（或是否允许输出短路），以及输出电压允许的范围。锁存特性及转换特性锁存特性及转换特性是否具有锁存缓冲器，是单缓冲还是双缓冲，如何启动转换等等。基准电源基准电源是否具有内

23、部基准电压，或需要外部基准电源，基准电源的大小、极性，等等。电源电源功耗的大小，是否具有降低功耗的模式，正常工作需要几组电源及其电压的高低等。1.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC08328位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一个它由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DACDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换器转换器三大三大部分组

24、成，部分组成，D/AD/A转换器采用转换器采用了倒了倒T T型型R R-2-2R R电阻网络电阻网络。LELE1 1，跟随，跟随 0 0，锁存，锁存2.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大（满最大（满量程输出）；为全量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分输入信

25、。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。外加反馈电阻。ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。：输入锁存

26、允许信号，高电平有效。 CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。 WRWR1 1：输入数据选通信号，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低电平有效。 WRWR2 2：数据传送选通信号，低电平有效。（：数据传送选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存） 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通

27、常是不需要考虑由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的于模拟电路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成对测量的精度是构成影响的，因此，影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线开布线，只在板中的一点把它们连接起来。，只在板中的一点把它们连接起来。 DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。路的零电位。 AGNDAGND：模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换转换器中模拟电路的零电位。器中模

28、拟电路的零电位。 U UREFREF：参考电压输入。一般此端外接一个：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。精确、稳定的电压基准源。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。U UCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。 3.DAC08323.DAC0832特性参数特性参数 分辨率：分辨率： 8 8位位建立时间：建立时间： 1 1 s s增益温度系数：增益温度系数： 20ppm/20ppm/（ppmppm-百万分之一，百万分之一，1010-6-6）输入电平：输入电平： TTLTTL功耗：功耗： 20m