《电路和电子技术：电子技术基础》-第8章

8.1数模转换器（DAC）8.1.1数模转换器的转换原理数模转换器的基本原理是利用电阻网络，将数字量按每位数码的权值，转换成相应的模拟信号，然后用运算放大器求和电路，将这些模拟量相加，从而完成数模转换。1.数模转换器的原理电路数模转换器有多种电路类型，其中T形电阻数模转换是较常用的一种。图8.2是4位T形电阻转换器原理图，R和2R电阻构成T形电阻网络。S3、S2、S1、S0为模拟开关，其开关状态分别受输入的二进制数字信号D3、D2、D1、D0控制。如D0=1时，模拟开关S0合向左边，支路电流I0流向Ioutl；当D0=0时，S0合向右边，支路电流I0流向Iout2。下一页返回8.1数模转换器（DAC）运算放大器A0为电流求和放大器，它对各位数字所对应的电流求和，并转换成相应的模拟电压。UREF为高精度基准电源。2.数模转换器的工作原理在图8.2电路中，由于运算放大器的反相输入端为“虚地”，所以无论模拟开关接向左边还是右边，电阻2R接模拟开关一侧的电位都为零，因此从UREF端看进去的等效电阻为R。由此求得总电流I=UREF/R，各支路电流分别为上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）即每位的支路电流与二进制权值（23、22、21、20）成正比。当每位开关合向左边时，支路电流由Ioutl流出，开关合向右边时，支路电流由Iout2流出。因此输入不同的二进制数时，流过RF的电流Iout1的大小就不同，从而可以得到大小不同的输出电压。对于输入的任意4位二进制数D3、D2、D1、D0，流过RF的电流为上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）运算放大器的输出电压为由上式可见，输出的模拟电压与二进制数字信号成正比。同理，对于n位数模转换器，若取RF=R，则有上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）8.1.2数模转换器的主要参数1.分辨率数模转换器的分辨率定义为最小输出电压（对应的输入二进制数为“1”）与最大输出电压（对应的输入二进制数全为“1”）之比，即显然位数越多，能分辨出的最小电压越小。有时也直接用数模转换器的位数表示分辨率，位数越多，分辨率越高。如对于8位数模转换器，分辨率为上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）若满量程电压是5V，则能分辨的最小电压为0.0392×5=0.0196V。而对于10位的数模转换器，满量程电压也是5V，则其能分辨的最小电压为0.00489V。位数越多，能够分辨的电压越小。2.线性度通常用非线性误差的大小表示数模转换器的线性度。产生非线性误差的原因是电阻网络各阻值不尽相等、模拟开关导通所产生的压降等。3.精度数模转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，其产生的原因是各模拟开关的压降不一定相等，各电阻阻值的偏差不可能做到完全一致。上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）4.输出电压（或电流）的建立时间从输入数字信号时刻起，到输出电压或电流达到稳定值所需时间称为建立时间。其建立时间主要取决于运算放大器到达稳定状态所需的时间。对于10位的单片集成数模转换器的转换时间一般不超过1μs。除以上参数外，数模转换器还有功率消耗、温度系数等技术指标，读者可查阅相关手册。上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）8.1.3集成数模转换器随着集成技术的发展，数模转换器集成电路芯片种类越来越多。DAC0832是分辨率为8位的数模转换器，它采用20脚双列直插式封装结构，外部引脚排列如图8.3所示。DAC0832是电流输出型芯片，其输出端要外接运算放大器，以便将输出模拟电流转换为模拟电压。它的电路原理框图如图8.4所示。DAC0832是由8位输入寄存器（1）、8位输入寄存器（2）及一个8位数模转换器三部分组成，采用两个8位寄存器的目的是使数模转换器在对其寄存器的数字信号进行转换的同时，输入寄存器又可以接收新的输入数字信号，从而提高了转换速度。上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）各引脚功能如下：DI0～DI7：8位数字量的输入端。Iout1、Iou2：模拟电流输出端。外接运算放大器的反相输入端与Iout1相连，外接运算放大器的同相输入端与Iout2相连。Iout1输出电流为各权电流之和，与输入的数字量成线性对应关系。RFB：芯片内部电阻R的引出端，外接运算放大器的输出端，作为运算放大器的反馈电阻，也可根据需要外接电阻后再接运算放大器的输出端，R的另一端在芯片内部接Iout1端。上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）UREF：权电阻网络基准电源输入端，取值范围为−10～+10V，如为单极性输出，则输出电压在范围内变化。UCC：电源输入端，电源电压可在5～15V范围内选择，当UCC=+15V时，DAC0832的工作状态最佳。DGND：数字部分接地端。AGND：模拟部分接地端。在芯片内数字地与模拟地是分开的，以避免两者之间相互干扰，根据需要在芯片外部的适当部分将两者地线相连。上一页下一页返回8.1数模转换器（DAC）上一页返回5个输入信号控制端：ILE：数据允许锁存信号，高电平有效。8.2模数转换器（ADC）8.2.1模数转换器的转换原理与数模转换相反，模数转换是将连续变化的模拟信号转换为与之对应的数字信号。模数转换器的种类繁多，按工作原理可分为：并联比较型、双积分型及逐次逼近型。并联比较型转换速度快，但精度不高；双积分型转换精度较高，抗干扰能力较强，但转换速度慢；逐次逼近型的转换速度较快，转换精度高，故应用较多。下面仅介绍逐次逼近型模数转换器。1.模数转换器的基本结构逐次逼近型模数转换器的基本结构如图8.7所示。设模数转换器为8位，它是由数模转换器、电压比较器，逐次比较寄存器、输出寄存器、时钟发生器和控制逻辑电路等组成。下一页返回8.2模数转换器（ADC）

（1）逐次比较寄存器它由8个触发器组成，用于存放逐次比较的8位数据。（2）时钟发生器它由触发器构成，为控制逻辑提供时钟信号。（3）数模转换器数模转换器DAC的输入是逐次比较寄存器的输出，输出电压Uo送到电压比较器的同相输入端。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

（4）电压比较器由运算放大器A构成电压比较器，由它来比较输入电压Ui（加在反相输入端）与Uo的大小，若Uo＞Ui则输出端为“1”；若Uo≤Ui，则输出端为“0”。输出端接至控制逻辑。（5）控制逻辑根据比较器的输出信号，来控制逐次比较寄存器的输出。（6）输出寄存器存放转换后的输出数字量。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

2.数模转换原理转换开始前，将逐次比较寄存器清零，转换控制信号UL变为高电平时开始转换。时钟信号通过控制逻辑首先将逐次比较寄存器的最高位置为“1”，其他位置为“0”，使逐次比较寄存器的输出为10000000。这个数字量被DAC转换成相应的模拟电压量Uo，并送至运算放大器A的同相输入端。它与反相输入端的输入电压Ui进行比较，如果Uo＞Ui，说明置入的数字量过大，则将比较寄存器的最高位置“0”，而将比较寄存器的次高位置“1”，再进行上述过程的比较。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

如果Uo＜Ui，说明置入比较寄存器的数字量偏小，将置入比较寄存器的“1”保留，并将比较寄存器的下一位置“1”。这样逐位比较下去，直至最低位比较完为止。并将比较寄存器的最后结果，即转换后的数字量，在逐次比较寄存器发出的信号E作用下，送入输出寄存器，并发出转换结束信号EOC。8.2.2模数转换器的主要参数1.分辨率分辨率通常以输出的二进制位数来表示，位数越多误差越小，转换精度越高，它说明了模数转换器对输入信号的分辨能力。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

2.转换速度用完成一次模数转换所需的时间来表示，转换时间是从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出为止所需时间。转换时间越短，转换速度越高，通常在几十微秒左右。3.相对精度相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位LSB表示。例如相对精度≤±1LSB，表明相对精度不大于最低有效位1。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

8.2.3集成模数转换器ADC0804是逐次逼近型8位集成模数转换器，完成一次转换时间为100μs，转换精度为1LSB，输入电压为0～5V。该芯片内有输出数据锁存器，使输出数据可以直接连接在CPU数据总线上。该芯片是20脚双列直插式封装，其引脚排列如图8.8所示，各引脚功能如下所述。DB0～DB7：8位二进制数字输出端，可直接接在系统的数据总线上。UIN（＋）和UIN（－）：模拟信号输入端，如果输入电压的变化范围从0～5V，则输入电压加在UIN（+）端，而UIN（−）端接地。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

UREF/2：参考电压端，是芯片内所需的基准电压。输入电压的范围可以通过调整UREF/2引脚处的电压加以改变，UREF/2端电压值应是输入电压范围的二分之一。如输入电压范围是0.5～4.5V，则在UREF/2端应加2V的电压，当输入电压是0～5V时，将UREF/2端悬空，基准电压可由UCC经内部分压得到。UCC：电源电压端，该芯片由+5V电源提供。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

DGND、AGND：分别为数字地与模拟地端。CLK、CLKR：时钟脉冲端，时钟脉冲的频率决定了芯片逐位比较的节拍。由于芯片内部有时钟发生器，只需在CLKR和CLK端外接电阻、电容，如图8.9所示，即可产生所需频率为的内部时钟脉冲。若采用外部时钟，则可直接加在CLK端，不必外接R、C元件。图8.8ADC0804引脚排列图图8.9ADC0804时钟接线CS：：片选信号，低电平有效。：写入信号端，低电平有效。当=0时读入模拟量，当上升沿到来时启动转换。上一页下一页返回8.2模数转换器（ADC）

ADC0804的工作时序图如图8.10所示。图8.11是模数转换器特性测试电路接线图，其中输出端DB0～DB7分别接发光二极管LED0～LED7，CLK端直接接连续脉冲，其频率大于1kHz。调节电位器RP可获得0～5V的输入电压，转换的数字量可由发光二极管观测到。上一页返回8.3采样保持电路在数据采集系统中通常要对多路模拟量进行信号采集，而且将模拟量转换为数字量时也要经过采样、保持（即在模拟量转换成数字量期间，输入模拟量应保持不变）和转换三个步骤。8.3.1采样保持原理在进行模数转换时，不可能将连续变化的模拟信号的每一数值都转换成数字量，而只能按一定时间间隔来采集数据，并将采集的数值保持一定时间，在这段时间内将模拟量转换成数字量输出。时的模拟量的大小。由于采样有一定的时间间隔，在采样时间间隔内，采样值应该保持不变，这样采样值才能真实反映采样时刻模拟量的大小。因此在采样时间间隔内，应使采样值保持不变，直至下一次采样的到来。下一页返回8.3采样保持电路

所谓采样，就是将一个在时间上连续变化的模拟信号按一定时间间隔和顺序进行采集，采集后的模拟信号是离散的模拟信号，即把时间连续变化的模拟量变换为一串脉冲信号，这种脉冲信号是等距离的，而幅值不等，幅值的大小决定于采集采样保持原理图如图8.12所示。图中S为采样开关，是由电子元件制成的模拟开关，受采样信号uS控制，C是保持电容。当uS为高电平时，S闭合；当uS为低电平时，S断开。S闭合时间为采样时间TW1，S断开时间为保持时间TW2，采样周期为TS=TW1+TW2。显然采集时间越短越好。上一页下一页返回8.3采样保持电路

采样后波形如图8.13所示。在S闭合时间内，ui给电容C充电，在采样时间结束时，ui=uo。在S断开时间内，电容C上的电压基本保持不变，直至下一次采样时刻的到来。这样采样信号的波形是阶梯形脉冲波，而它的包络线是输入信号的波形，实现了采样和保持的功能。8.3.2采样保持电路采样保持基本电路如图8.14所示。采样保持电路在输入级用运算放大器A1组成电压跟随器，提高其输入阻抗，减少采样电路对输入信号的影响。同时由于跟随器的输出阻抗低，减少了电容的充电时间，缩短了对输入信号的采集时间。上一页下一页返回8.3采样保持电路

在输出级也用运算放大器A2组成电压跟随器，既能增加输入阻抗，使其输入电流几乎为0，可以保持电容电压基