第十章 数模和模数转换器

第十章数模与模数转换器10.1D/A转换器

10.2A/D

转换器

A/D、D/A转换器在数字系统中的应用10.1概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称:A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称:D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。10.2.1D/A转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，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量的转换。1基本原理和转换特性10.2DAC

D/AC电路输入的是n位二进制数字信息B(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为

由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。

D/A变换器的电路形式很多：权电阻型、权电流型、T型电阻型和倒T型电阻型。A=KD（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度

D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。10.2.2D/A转换器的构成不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。设RF=R/2①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。3.权电阻D/A转换器++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

US5kR=80k

D/A转换器由“模拟开关”、“译码网络”、“求和运算放大器”和“基准电源”四部分组成。++-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

US2RRRRI3I2I1I0IABCDUD=USUc

=US/2UB=US/4UA=US/8即：

因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。I0I1I2I3I3=IS/2

=

US/2R

I2=IS/4=

US/4RI1=IS/8=

US/8RI0=IS/16=

US/16RIS++-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

US2RRRRI3I2I1I0IABCDI=I3+I2+I1+I0US2R=D3US16RD0US8RD1US4RD2+++=US16R(8D3+4D2+2D1+1D0)=USRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-10.2.3集成D/A转换器及其应用

D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：10.3.1A/D转换器的基本原理模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量,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转换器的一般步骤是：1、采样、保持2、量化、编码连续信号——离散信号分类：直接间接并联比较型（并行）反馈型计数型逐次逼近型电压--时间（V--T）变换型电压--频率（V--F）变换型0≤ui＜VREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。10.3.2A/D转换器的构成3VREF/14≤ui＜5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。

并联比较型A/D-++-++-++-++-++-++-++uxUsRRRRRRRRD2D1D0数字输出AGFECDB编码器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8

电路如图所示。它由三部分组成:分压器、比较器和编码器。

这种A/D变换器的优点是转换速度快，缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。比较器输入E>ux

>7E/87E/8>ux

>6E/86E/8>ux

>5E/85E/8>ux

>4E/84E/8>ux

>3E/83E/8>ux

>2E/82E/8>ux

>1E/81E/8>ux

>0ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表转换开始前先将所有寄存器清零。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。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。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。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。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理3位逐次逼近型A/D转换器转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若ui＜uo时，比较器输出uc=1；当ui≥uo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理逐次逼近型

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：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx

，故保留砝码总重仍<待测重量Wx

，故保留砝码总重>待测重量Wx

，故撤除砝码总重＝待测重量Wx

，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论－＋＋10001000A/Dux(待转换的模拟电压)uouc控制逻辑数码寄存器移位寄存器时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。原理电路10.3.3集成A/D转换器及应用图8-18ADC0801电路典型应用

并联比较型A/D转换器:转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器:性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中.逐次逼近型A/D转换器:分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。实训9加法计数器D/A转换显示实验

1.实训目的

(1)复习掌握74LS161的功能。

(2)掌握数模转换的基本原理和工作过程。

(3)掌握DAC0832的各引脚功能和使用方法。

2.实训设备和器件实训设备：万用表、示波器、信号源、直流电源。实训器件：面包板一块、DAC0832一片、运算放大器741一片、计数器74LS161两片、导线若干。图9.1实训9电路图

3.实训电路图

实训电路如图9.1所示。

4.实训步骤与要求

1)预习查集成电路手册，了解74LS161、DA0832和741的功能，确定74LS161、DAC0832的管脚排列，了解各管脚的功能。

2)连接电路按图9.1在实验板上安装好实训电路，检查电路连接，确认无误后再接电源。注意不要将引脚接错。

3）74LS161功能测试

74LS161是一个4位二进制计数器，。在本实训中由两片74LS161构成一个8位二进制计数器。首先测试该计数器是否正常工作。在脉冲输入CP端接信号源，将信号源的频率调为10kHz左右，幅度大于2V。用示波器的一个探头测量CP信号，另一个探头依次测量DAC0832的DI0～DI7的波形（即计数器的8位二进制输出信号），观察示波器上显示的两个波形的频率关系。DI0信号波形的频率应为CP的二分频，DI1的频率为CP的四分频，DI2为CP的八分频，依次类推。如果测试正确，说明由两片74LS161构成的八位二进制计数器工作正常。

4）DAC0832功能测试

DAC0832是实现D/A转换的器件。用示波器测量运放741的输出信号，记录输出波形的形状、频率和幅度。如果电路工作正常，其输出应为一个锯齿波。改变输入脉冲CP的频率，观察输出波形的频率变化；改变数模转换器DAC0832第8脚Vref的大小，观察输出波形的幅值变化情况。

5．实训总结与分析以上实训，可作以下分析：

1）两片74LS161构成了一个8位二进制计数器，随着计数脉冲的增加，计数器的输出状态在00000000～11111111之间变化。计满（11111111）时，又从00000000开始。通过前面章节的学习，可以知道，计数输出的每一位应为计数脉冲CP的