数电数模与模数转换器

数电数模与模数转换器1第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期三

模数(A/D)与数模(D/A)转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。

将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；传感器模拟控制模拟信号在计算机中进行数字显示数字控制数字信号ADCDAC

将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)2第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期三§9.1D/A转换器一．D/A转换器的基本原理

D/A转换器的输入信号为数字信号，输出信号为模拟量(电压或电流)。其基本工作原理是：先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量。当Dn-1…D1D0=输入大小不同数字量时:vo=输出大小不同的电压值n位二进制数D/A转换器的分类：倒T形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器等。3第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期三S0～S3：开关，由输入数码Di控制其动作。当Di=1时，Si接运算反相输入端(右边)；当Di=0时，Si将电阻2R接地(左边)。二．倒T形电阻网络D/A转换器1、电路(4位)uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRR参考电压4第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期三2、工作原理目的：求出uo~D3D2D1D0的关系。uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2∵u-＝u+＝0,i-＝i+＝0∴从VREF看进去总电阻为：u-u+i-i+I3＝I/2,I2＝I/4,I1＝I/8,I0＝I/16R总电流:I＝VREF/R,各分支电流:5第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期三uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+可见:I3＝I/2，I2＝I/4，I1＝I/8，I0＝I/16IR＝I3D3＋I2D2＋I1D1＋I0D06第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期三若输入n位数字量:Dn-1、Dn-2…

D1、D0,则输出电压为:uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+7第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期三uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+当输入0011时：0011当输入0111时：可见:输出的模拟量与输入数字量成正比8第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期三3、倒T型集成D/A转换器——AD7533(1)电路——P434图9.1.5，为倒T形电阻网络D/A转换器。输入为10位二进制数。(2)图形符号与接线方法(3)输出电压uo∞-++VDDRfVREFAD7533IOUT1IOUT2D0D1D2D3D4D5D6D7D8D99第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期三4、倒T型集成D/A转换器——DAC0832(1)电路——P434图9.1.5，为倒T形电阻网络D/A转换器。输入为8位二进制数。(2)芯片管脚分布CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片选信号:低电平有效写入控制:低电平有效模拟地端D0~D7:数字量输入参考电压输入端数字地端反馈电阻外接端10第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期三CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120输入锁存允许信号,高电平有效芯片工作电压输入端写入控制端:低电平有效,与17脚配合使用(3)接线方法——与AD7533相同uo∞-++传送控制端:低电平有效,与18脚配合使用(4)输出电压11第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期三三．权电流型D/A转换器1、电路(4位)uo-VREFS2S3S1S0++-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16S0～S3：开关，由输入数码Di控制其动作。当Di=1时，Si接运算反相输入端(右边)；当Di=0时，Si接地(左边)。实际电路中,一般:I＝VREF/R112第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期三uo-VREFS2S3S1S0++-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16IRu-u+i-i+2、工作原理目的：求出uo~D3D2D1D0的关系。∵u-＝u+＝0,i-＝i+＝013第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期三uo-VREFS2S3S1S0++-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16IRu-u+i-i+若输入n位数字量:Dn-1、Dn-2…

D1、D0,则输出电压为:输出模拟量与输入数字量成正比实际中:I＝VREF/R1，则：14第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期三D0～D7是数字量输入端。

使用时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1、

Rf

。(3)输出电压3、权电流型集成D/A转换器——DAC0808(1)电路——与P437图9.1.8相同。输入为8位二进制数。(2)图形符号与管脚分布第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期三四．D/A转换器的主要技术指标1.分辨率——对微小变化量的识别程度定义：指最小输出电压(数字量：00000001)与最大输出电压(数字量：全1)之比。即：分辨率＝1/(2n–1)例:十位D/A转换器的分辨率为：1/(210–1)＝1/1023≈0.001有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。2.转换精度定义:比例系数误差、失调误差、非线性误差的最大值。第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期三3.转换速度(1)建立时间(tset)——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0.1s。(2)转换速率(SR)——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。4.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化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。17第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期三§9.2A/D转换器一．A/D转换器的基本原理

模–数(A/D)转换器的作用：将时间上连续变化的模拟量转换成数字量。它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。

其原理框图如下：18第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期三1、取样—保持电路(1)电路组成(2)工作原理由图看出：vO=vC当vL=1时:开关接通。vO=vC=vI当vL=0时:开关断开。C无放电回路,vC保持不变。vL=1开关通vL=0开关断采样保持vo++-RFvIvLRC+vC-19第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期三(3)实际电路0VvIvLRvo++-RFC工作原理与前页相同。vo++-RFvIvLRCvo++-RFvIvLRC20第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期三2、量化和编码例如：将vI＝0~VREF模拟电压→用三位8421码表示(1)舍尾取整法——最大误差|max|＝1LSB将VREF均匀划分为八块,量化单位＝VREF/8：量化划分区域输入模拟信号8421码1VREF7VREF/86VREF/85VREF/84VREF/83VREF/82VREF/81VREF/80(0≤vI＜1/8)VREF000(1/8≤vI＜2/8)VREF001(2/8≤vI＜3/8)VREF010(3/8≤vI＜4/8)VREF011(4/8≤vI＜5/8)VREF100(5/8≤vI＜6/8)VREF101(6/8≤vI＜7/8)VREF110(7/8≤vI＜1)VREF11121第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期三(2)四舍五入法——最大误差|max|＝1LSB/2——当vI的尾数不足/2时,取低位输出;vI的尾数大于或等于/2时,取高位输出。例如：将vI＝0~VREF模拟电压→用三位8421码表示将VREF划分为8块,量化单位为＝2VREF/15:量化划分区域输入模拟信号8421码1VREF13VREF/1511VREF/159VREF/157VREF/155VREF/153VREF/151VREF/150(0≤vI＜1/15)VREF000(1/15≤vI＜3/15)VREF001(3/15≤vI＜5/15)VREF010(5/15≤vI＜7/15)VREF011(7/15≤vI＜9/15)VREF100(9/15≤vI＜11/15)VREF101(11/15≤vI＜13/15)VREF110(13/15≤vI＜1)VREF11122第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期三二．并行比较型A/D转换器(三位)1.电路VREF/7.5R例VREF=10VvI=5.2V时:CP=01,输出为：10023第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期三2、工作原理(真值表)——采用四舍五入法输入模拟电压寄存器状态数字输出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1(0~1/15)VREF(1/15~3/15)VREF(3/15~5/15)VREF(5/15~7/15)VREF(7/15~9/15)VREF(9/15~11/15)VREF(11/15~13/15)VREF(13/15~1)VREF0000000000000100000110000111000111100111110111111111111100000101001110010111011124第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期三三．逐次比较型A/D转换器1．转换原理其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暂时结果砝码重比较判断顺序保留保留撤去保留25第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期三2.电路(4位)101111110100001111001010011111101101101004V5.52V6V15V5.5V26第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期三3.工作原理——采用舍尾取整法从大到小，来一个脉冲，比较一次。比如参考电压VREF＝8V,输入电压VI＝5.52V,输出4位二进制数，量化单位＝VREF/16：时钟产生顺序D3D2D1D0D/A转换器输出电压VO'比较输出VC数码去留QA10008VREF/16＝4VVI＞VO'

:1留QB110012VREF/16＝6VVI＜VO'

:0去QC101010VREF/16＝5VVI＞VO'

:1留QD101111VREF/16＝5.5VVI＞VO'

:1留QE输出数据101127第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期三四．双积分型A/D转换器1．电路它由积分器、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和定时器、计数器(FF0～FFn)等几部分组成。28第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期三(2)第一次积分阶段2、工作原理(1)准备阶段计数器清零，积分电容放电，

vO=0V。t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：29第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期三由于vO<0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。t=T1=2nTC经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：(3)第二次积分阶段当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－VREF加到积分器的输入端；积分器开始反向积分。同时，N级计数器又从0开始计数。当t=t2时，积分器输出电压vO>0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期三在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2－t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ，则：可见,T2与VI成正比,T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。上式表明,计数器中所计得的数λ(λ=Qn-1…Q1Q0),与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VI<VREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。T2=λTC

第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期三五、A/D转换器计算公式——已知输入电压vI、参考电压VREF,求输出二进制数?计算公式:求出Dx,再将Dx四舍五入取整后变成二进制数即可。Ux=1.3V,UREF=2V,三位模数转换器，求输出二进制数为何？Dx＝(5.2)10≈(5)10＝(101)2D2D1D0＝101例132第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期三六．集成A/D转换器ADC0809——为8位逐次逼近型A/D转换器,能输出8位二进制数。1、电路框图——P457图9.2.102、ADC0809管脚分布图UR(-)

BD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0

GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTACUR(+)UDD33第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期三七．A/D转换器的主要技术指标1.转换精度(1)分辨率——对输入信号的分辨能力。以输出二进制(或十进制)数的位数表示。在最