第11单元集成数模转换器与集成模数转换器

第11单元集成数/模转换器与集成模/数转换器项目一集成数/模转换器的识别及测试项目二集成模/数转换器的识别及测试一、项目导入项目一集成数/模转换器的识别及测试由于数字电路仅能够对数字信号进行处理，因此需要在模拟信号与数字信号之间进行相应的转换。将数字信号转换为模拟信号的过程称为数/模转换，或称D/A转换。能够完成这种转换的电路称为数/模转换器，简称DAC。D/A转换的基本思想是，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，从而实现了数字/模拟转换。如图11-1所示。图11-1D/A转换

二、相关知识（一）T形电阻网络数/模转换器T形电阻网络数/模转换器的电路结构如图11-2所示，该电路具有如下特点。图11-2T形电阻网络数/模转换器①从任一节点向左或向右看，其等效电阻均为2R；从任一开关到地的等效电阻均为3R。②电子开关S3～S0受输入二进制代码d3、d2、d1、d0的控制。例如，当d3d2d1d0＝0001时，S0接Uref，其余开关均接地。流经开关S0支路的电流为Uref/3R，该电流在流向运放输入端的过程中，需经过A、B、C、D4个节点。最终流向运放的电流为

当d3d2d1d0＝0010，0100，1000时，参考上面的分析可知，最终流向运放的电流分别为

根据叠加原理，流入运放输入端的电流为

设电路中反馈电阻Rf＝3R，输出电压uo为

（二）倒T形电阻网络数/模转换器图11-3所示为4位R-2R倒T形D/A转换器。此D/A由R、2R两种阻值的电阻构成的倒T形电阻网络、模拟开关和运算放大器组成。输入数字量D3、D2、D1和D0分别控制模拟电子开关S3、S2、S1和S0的工作状态。当Di为“1”时，开关Si接通右边，相应的支路电流流入运算放大器；当为“0”时，开关Si接通左边，相应的支路电流流入地。

图11-3倒T形电阻网络数/模转换器根据运算放大器虚短的概念不难看出，分别从虚线A、B、C、D向右看的二端网络等效电阻都是2R，其中Iref为基准电压Uref输出的总电流，即Iref=Uref/R。假设所有开关都接右边，则有

由于输入二进制数控制模拟开关，Di

=

1表示开关接通右边，并推广到n位，则有

若Rf

=

R，则运算放大器的输出为

倒T形D/A的特点是：模拟开关不管处于什么位置，流过各支路2R的电流总是接近于恒定值；该D/A转换器只采用R和2R两种电阻，故在集成芯片中应用非常泛，是目前D/A转换器中速度最快的一种。（三）数/模转换器的主要技术指标

1．满量程满量程是输入数字量全为1时再在最低位加1时的模拟量输出。满量程电压用uFs表示；满量程电流用IFs表示。2．分辨率分辨率=

式中，Δu表示输入数字量最低有效位变化1时，对应输出可分辨的电压；n表示输入数字量的位数。3．转换精度转换精度是实际输出值与理论计算值之差。这种差值越小，转换精度越高。转换过程中存在各种误差，包括静态误差和温度误差。静态误差主要由以下几种误差构成。（1）非线性误差。D/A转换器每相邻数码对应的模拟量之差应该都是相同的，即理想转换特性应为直线，如图11-4（a）～（c）中实线所示，实际转换时特性可能如图11-4（a）中虚线所示，我们把在满量程范围内偏离转换特性的最大误差叫非线性误差，它与最大量程的比值称为非线性度。图11-4D/A转换器的各种静态误差（2）漂移误差，又叫零位误差。它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入数字量为0时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并不为0。这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移，如图11-4（b）中的虚线所示。零位误差将以相同的偏移量影响所有的码。（3）比例系数误差，又叫增益误差。它是转换特性的斜率误差。一般地，由于Uref是D/A转换器的比例系数，所以比例系数误差一般是由参考电压Uref的偏离而引起的。比例系数误差如图11-4（c）中的虚线所示，它将以相同的百分数影响所有的码。温度误差通常是指上述各静态误差随温度的变化。4．建立时间从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度。除上述各参数外，在使用D/A转换器时还应注意它的输出电压特性。由于输出电压事实上是一串离散的瞬时信号，要恢复信号原来的时域连续波形，还必须采用保持电路对离散输出进行波形复原。此外还应注意D/A的工作电压、输出方式、输出范围和逻辑电平等。三、项目实施—DAC0832的应用

1．实训目的（1）熟悉数/模转换芯片DAC0832的特性和使用方法。（2）通过锯齿波发生器的实训进一步了解D/A转换器的应用。2．实训仪器和设备S303-4型（或其他型号）数字电路实训箱一只、SR8（或其他型号）双踪示波器一只、直流稳压电源一台、数/模转换芯片DAC08321片、集成运算放大器LM3241片、四位计数器74932片。（1）认识DAC0832的结构。DAC0832是8位D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通3种输入方式，所以这个芯片的应用很广泛。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。DAC0832的引脚排列如图11-5所示图11-5DAC0832引脚图（2）按图11-6所示进行接线，由于数/模转换芯片DAC0832中具有模拟地和数字地两种地线，故接线过程中要注意区分。(3)在7493的CP端输入10kHz的时钟脉冲信号，观察示波器上的波形。（4）改变输入脉冲的频率，记录下不同频率下的波形。项目二集成模/数转换器的识别及测试一、项目导入许多的模拟量，如温度、速度、压力等都是非电量。对这类信号进行处理时，需要首先利用传感器将其变为模拟信号，然后再实现与数字信号之间的转换。将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换，或称A/D转换。能够完成这种转换的电路称为模/数转换器，简称ADC。二、相关知识（一）模/数转换器的工作原理1．采样与保持若采样脉冲频率fs与输入信号中的最高频率分量fi（max）满足如下关系式：采样后的信号能复现输入信号，这是采样定理。2．量化和编码量化是将采样电压表示为最小数量单位（Δ）的整数倍。编码是将量化的结果用代码表示出来（二进制，二—十进制）。采样与复现原理如图11-7所示。

图11-7采样与复现原理图（二）逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近型A/D转换器的原理如图11-8所示，内部采用一个寄存器和一个DAC，其转换过程如下。（1）转换开始前先将所有寄存器清零。（2）开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。（3）这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。①若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除。②若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。（4）然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。（5）比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。只不过使用的砝码一个比一个小一半。图11-8逐次逼近型A/D转换器原理图（三）模/数转换器的主要技术指标

（1）分辨率（Resolution）。分辨率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。（2）转换速率（ConversionRate）。转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需时间的倒数。积分型ADC的转换时间是毫秒级，属低速ADC；逐次比较型ADC是微秒级，属中速ADC；全并行/串并行型ADC可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率（SampleRate）必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。（3）量化误差（QuantizingError）。量化误差是指由于ADC的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率ADC的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率ADC（理想ADC）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。（4）偏移误差（OffsetError）。偏移误差是指输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。（5）满刻度误差（FullScaleError）。满刻度误差是指满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。（6）线性度（Linearity）。线性度是指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上3种误差。三、项目实施—ADC0809的应用图11-9ADC0809引脚图1．实训目的（1）了解模/数转换芯片ADC0809的特性和使用方法。（2）通过实训学习ADC0809的典型应用。2．实训仪器和设备S303-4型（或其他型号）数字电路实训箱一只、SR8（或其他型号）双踪示波器一只、直流稳压电源一台、模/数转换芯片ADC08091片、555时基电路1片。3．实训内容和步骤（1）认识ADC0809的结构。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近型A/D转换器。ADC0809引脚如图11-9所示图11-9ADC0809引脚图ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换器转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809的内部逻辑结构如图11-10所示。图11-10ADC0809的内部逻辑结构（2）图11-11为ADC0809模/数转换实验电路原理图，按图在实验板上安装好实验电路，检查电路连接，确认无误后再接电源。调节IN0端的电位器，观察发光二极管的发光情况。图11-11模/数转换实验原理图单元小结

倒T形电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种，各2R支路电流Ii与Di数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。在权电流型（T形电阻网络、倒T形电阻网络）D/A转换器中，由于恒流源电路和高