电子技术基础数字电子技术-项目七 数模与模数转换电路

技能目标掌握常用集成转换器的使用方法会使用DAC0832和ADC0809项目实训任务一集成DAC转换器功能的仿真分析任务二集成ADC转换器功能的仿真分析一、D/A转换器电路及原理D/A转换指数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器。目前使用的D/A转换器中有T型电阻、权电阻等等几种类型。图7-2是T型网络D/A转换器，它由4位R—2RT型电阻网络、4个电子模拟开关和1个运算放大器组成。链接一D/A转换器可见，输出的模拟电压大小与输入的数字信号成正比。上图所示的电路可以把四位二进制数转换成模拟信号。同样，这种结构的T型网络可以类推到n级，构成n位D/A转换器。T型电阻网络的特点是，电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来了很大的方便，无论模拟开关状态如何变化，各支路电流都直接流入地或者运放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间；同时，各支路电流直接接至运放的输入，它们之间不存在传输时间差。所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度，T型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。二、D/A转换器的主要性能指标目前DAC的种类是比较多的，制作工艺也不相同。按输入数据字长也分为8位、10位、12位及16位等；按输出形式可分为电压型和电流型等；按结构可分为有数据锁存器和无数据锁存器2类。不同类型的DAC在性能上的差异较大，适用的场合也不尽相同。1．D/A转换器的转换精度在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。（1）分辨率分辨率是指数字信号中最低位发生变化时对应输出电压变化量与满刻度输出电压之比。分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。在分辨率为的D/A转换器中，从输出模拟电压的大小应能区分出输入代码从00…00到11…11全部个不同的状态，给出个不同等级的输出电压。分辨率可表示为从理论上讲，二进制位数越多，分辨率越高，相应的转换精度也越高。分辨率（2）转换误差由于D/A转换器的各个环节的参数在性能上和理论值之间不可避免地存在着差异，所以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。转换误差是指转换器的实际误差，造成的原因包括参考电位的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏移以及三极管特性的不一致等。转换误差可以用输出满刻度电压FSR（FullScaleRange）的百分数表示。2．D/A转换器的转换速度转换速度是指从送入数字信号起，到输出电流或电压达到最终误差并稳定为止所需要的时间。通常用建立时间来定量描述D/A转换器的转换速度。不同类型的D/A转换器转换速度差别较大，通常为几十纳秒到几微秒，一般电流型D/A转换器较之电压型D/A转换器速度快一些，但总的来说，D/A转换速度远高于A/D转换速度。D/A转换器的技术指标还包括线性度、输入编码形式、输入高、低逻辑电平值、温度系数、输出电压范围、功率消耗以及工作环境条件等。三、集成D/A转换器集成D/A芯片通常只将T型（倒T型）电阻网络、模拟开关等集成在一块芯片上，多数芯片中并不包含运算放大器。构成D/A转换器时要外接运算放大器，有时还要外接电阻。有的芯片中包含数据锁存器（寄存器）及一些逻辑功能电路，可以和微处理器相连接，应用较为广泛；有的则不包含这些电路。常用的D/A转换芯片有八位、十位、十二位、十六位等品种。DAC0832D/A转换器芯片。1．原理框图DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式8位D/A转换器，其引脚排列图如图所示。DAC0832内部有两个8位数据锁存器（或称作寄存器）、一个T型电阻网络和3个控制逻辑门。2．引脚使用说明（1）：数字信号输入端，为最高位，为最低位。（2）：数据锁存允许信号（输入），高电平有效。（3）：片选信号（输入），低电平有效。（4）：第1写信号（输入），低电平有效。上述三个输入信号可控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式，当、和时，为输入寄存器直通方式；当、和时，为输入寄存器锁存方式。（5）：第2写信号（输入），低电平有效。（6）：数据传送控制信号（输入），低电平有效。上述两个输入信号可控制DAC寄存器是数据直通还是数据锁存方式，当和时，为DAC寄存器直通方式；当和时，为DAC寄存器锁存方式。（7）：参考电压输入端，其电压可正可负，范围是－10～＋10V。（8）：电流输出1。（9）：电流输出2。（10）：反馈电阻引线端。DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图7-5所示。（11）：模拟信号接地端。（12）：数字信号接地端3．DAC0832的工作方式DAC0832在不同信号组合的控制下可实现直通、单缓冲和双缓冲3种工作方式。DAC0832是电流输出型D/A转换器，需要用运算放大器将输出电流转换为输出电压。电压的输出可分单极性输出和双极性输出两种。图7-5链接二A/D转换器一、A/D转换的基本原理A/D转换指指模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器。在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成数字量输出。整个A/D转换过程通常包括采样、保持、量化和编码4个步骤。二、逐次渐进型ADC逐次渐进型A/D转换器是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种电路。逐次渐进型ADC的结构：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压，将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量即是要求的转换结果。逐次渐进型A/D转换器的工作原理可以用图7-8的框图来说明。图7-8逐次渐进型A/D转换器的电路结构框图转换器的电路包含比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等5个组成部分。转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转换器的数字量也全是0。转换控制信号变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为100…00。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压，并送到比较器与输入信号进行比较。如果，说明数字量过大，则这个1应去掉；如果，说明数字量还不够大，这个1应予保留。然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较与的大小以确定这一位的1是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄存器里所存的数码即是要求的输出数字量。三、A/D转换器的重要技术参数1．转换精度A/D转换器也采用分辨率（又称分解度）和转换误差来描述转换精度。分辨率分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的输入模拟量需要变化的量。分辨率以输出二进制或十进制数的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器位数越多，分辨率越高。（2）转换误差转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，它表示实际的转换点偏离理想特性的误差。一般以最低有效位（LSB）的倍数给出。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。（3）转换速度转换速度是指A/D转换器从接到转换控制信号起到输出稳定的数字量为止所用的时间。主要取决于转换电路的类型，不同类型的A/D转换器的转换速度相差甚大。通常高速的可达数百毫微秒，中速为数十微妙，低速为数十毫秒。四、集成A/D转换器集成A/D转换器种类繁多，包括八位、十位、十二位、十六位等种类，本书只简单介绍比较常用的八位A/D转换器ADC0809和十二位A/D转换器ADC574。1．ADC0809A/D转换芯片ADC0809是典型的8位逐次逼近式A/D转换器。ADC0809采用双列直插式封装，共有28根管脚。ADC0809可以和微机直接连接，又由于性能一般能满足用户、价格低廉，因此应用十分广泛。如图7-9所示，ADC0809内部由八路模拟开关、地址锁存器和译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与定时电路、三态输出锁存器等所组成。图7-9ADC0809的逻辑框图

：八路模拟电压输入端，在多路开关控制下，任一瞬间只能有一路模拟量经相应通道输入到A/D转换器中的比较放大器。：模拟输入通道的抵制选择线。它的状态译码与选中模拟电压输入通道的关系见表7-1。ALE：地址锁存允许信号，高电平有效，只有当该信号有效时，才能将地址信号有效锁存，并经译码选中一个通道。START：脉冲输入信号启动端，其上升沿用以清除ADC内部寄存器，其下降沿用以启动内部控制逻辑，开始进行模数转换。CLOCK：转换定时时钟脉冲输入端。它的频率决定了A/D转换器的转换速度。只有时钟输入时，控制与时序电路才能工作。

：八位数据输出端，可直接接入微型机的数据总线。OE：允许输出控制端，高电平有效。有效时能打开三态门，将八位转换后的数据送到数据输出线上。EOC：A/D转换结束信号，高电平有效。其上跳沿表示A/D转换器内部已转换完毕，作为通知数据接收设备取走已转换完的数据的信号。和：参考电压正端和负端。VCC为+5V，GND为地。A/D转换器芯片内部各部分功能和工作过程简介如下：8个模拟输入端可对八路模拟信号进行转换，但某一时刻只能选择一路进行转换，通道选择由地址锁存器将通道地址锁存经译码器来控制八路模拟开关实现。在