《电子技术基础》-第15章

在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量，通信过程中的语言、图像、文字等物理量需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器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，是数字电子技术的重要组成部分。能将数字量转换为模拟联系数字系统和外围设备的接口电路就是数/模转换和模/数转换电路。数字控制系统结构框图如图15-1所示。能将数字量转换为模拟量（电流或电压），使输出的模拟量与输入的数字量成正比的电路称为数模转换器，简称D/A或DAC（DigitaltoAnalogConverter）。能将模拟量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟量成正比的电路称为模数转换器，简称A/D或ADC（AnalogtoDigitalConverter）。D/A、A/D转换技术的发展非常迅速，目前已有各种中、大规模的集成电路可供选用。15.1D/A转换器返回下一页上一页本章主要介绍数模转换器和模数转换器的基本工作原理及主要性能指标，并在此基础上给出常用集成器件的主要参数和使用方法。在数模转换器中，主要介绍常用的倒梯形电阻网络数模转换器；在模数转换器中，主要介绍逐次逼近型模数转换器和间接转换型的双积分型模数转换器。15.1D/A转换器数模转换的基本原理就是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，这样所得的总模拟量与数字量成正比，于是便实现了从数字量到模拟量的转换。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将在电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路。15.1D/A转换器返回下一页上一页求和电路将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量。D/A转换器的主要技术参数如下。1.分辨率分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率定义为最小分辨电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位（LSB）为1，其余位均为0时的输出电压，记为ULSB。最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记为UREF。2.转换精度D/A转换器的转换精度分绝对精度和相对精度。绝对精度是指实际输出模拟电压值与理论计算值之差，通常用最小分辨电压的倍数表示。相对精度是绝对精度与满刻度输出电压（或电流）之比，通常用百分数表示。15.1D/A转换器返回下一页上一页3.转换时间D/A转换器从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值时所需要的时间，称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。4.温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随着温度变化而产生的变化量。一般用满刻度输出条件下，当温度每升高1℃时，输出电压变化的百分数作为温度系数。15.1.1权电阻网络DAC电路1.电路结构权电阻网络D/A转换电路如图15-2所示。它主要由权电阻网络D/A转换电路、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中权电阻网络D/A转换电路是核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，将流过各权电阻的电流相加，并转换成与输入数字量成正比的模拟电压输出。15.1D/A转换器返回下一页上一页2.工作原理二进制权电阻网络的电阻值是按4位二进制数的位权大小取值的，最低位电阻值最大，为23R，然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。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，各支路的电流是不变的。模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同相输入端（地）；若d=1，相应的S合向反相输入端。i正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的转换。3.运算放大器的输出电压采用运算放大器进行电压转换有两个优点：一是起隔离作用，把负载电阻与电阻网络相隔离，以减小负载电阻对电阻网络的影响；二是可以调节RF控制满刻度值（即输入数字信号为全1）时输出电压的大小，使D/A转换器的输出达到设计要求。15.1D/A转换器返回下一页上一页15.1.2R-2RT型网络D/A转换器1.电路结构4位R-2RT型网络D/A转换器的电路如图15-3（a）所示，它主要由R-2RT型电阻网络、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中R-2R电阻网络是D/A转换电路的核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，它将与输入数字量成正比的输入电流转换成模拟电压输出。2.工作原理当只有一个电子模拟开关S合向1，而其余电子模拟开关S均合向0时，从该支路的2R电阻向左、右看去的等效电阻均为2R，该电流流向A点时，每经过一节R-2R电路，电流就减少一半。如只有开关S0合向1，即对应输入的二进制数为d3d2d1d0=0001时，T形电阻网络的等效电路如图15-3（b）所示。

(15-1)iΣ正比于输入的二进制数，实现了数字量到模拟量的转换。15.1D/A转换器返回下一页上一页3.求和运算放大器的输出电压输出电压也与输入数字量成正比。15.1.3集成DAC转换器应用集成D/A转换器品种繁多。从内部结构上看，有只含有电阻网络和电子模拟开关的基本D/A转换器；也有在内部增加了数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端的D/A转换器；还有将基准电压源、求和运放等均集成在芯片上的完整的D/A转换器。根据DAC的转换位数和转换速度不同，集成D/A转换芯片有多种型号，如DAC0832、DAC0830、DAC0831、AD7524等。1.DAC0832介绍DAC0832是美国国家半导体公司（NSC）生产的8位D/A转换器，芯片采用CMOS工艺。该器件可以直接与Z80、8051、8085等微处理器接口相连，是目前单片机控制系统中常用的D/A转换器。15.1D/A转换器返回下一页上一页D/A集成芯片DAC0832（DAC0830、DAC0831）的内部结构如图15-4所示。从图15-4中可以看出，DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器三大部分组成。2.DAC0832的应用DAC0832在应用中有三种方式：双缓冲型、单缓冲型和直通型，如图15-5所示。15.1D/A转换器返回上一页ADC的任务就是将时间和幅度都连续变化的模拟信号转换成与之成比例的时间和幅度都离散的数字信号输出。15.2.1A/D转换器的原理1.基本概念模数转换ADC是数模转换DAC的逆过程。在A/D转换中，因为输入的模拟信号是在时间和幅度上都连续的信号，而输出的数字信号是在时间和幅度上都离散的信号，所以在进行转换时必须按照一定的时间间隔读取模拟信号的取值（称为采样），将这些采样值转换成数字量输出来表示对应的输入模拟量。因此，A/D转换通常要经过采样、保持、量化和编码4个过程，如图15-6所示。2.取样与保持取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样频率由取样定理确定。15.2A/D转换器返回下一页取样定理：设取样信号S（t）的频率为fs，输入模拟信号ui（t）的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系：fs≥2fimax取样与保持过程往往是通过取样—保持电路同时完成的。3.量化与编码将取样——保持电路的输出电压按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。15.2A/D转换器返回下一页上一页4.模数转换技术实现模数转换的方法很多，通常可以分为直接A/D转换和间接A/D转换两个大类。（1）逐次逼近比较型ADC。逐次逼近比较型ADC是直接A/D转换中最常见的一种，其电路结构框图如图15-7所示，它由电压比较器、D/A转换器、n位逐次逼近寄存器（SAR）、基准电压源、时钟脉冲源和控制逻辑电路等几部分组成。一个n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行n次比较，需要n+2个时钟脉冲。其转换速度较慢，属于中速A/D转换器。但由于电路简单，成本低，因此也被广泛使用。15.2.2双积分型ADC1.双积分型ADC是间接A/D转换中的一种图15-8是双积分型ADC的原理框图，它由积分器、过零比较器、时钟控制门G和计数器（计数定时电路）等部分组成。15.2A/D转换器返回下一页上一页双积分型A/D转换器的基本原理是对输入模拟电压ui和参考电压VREF分别进行积分，将两次电压平均值分别变换成与之成正比的时间间隔，然后，利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，通过运算得到相应的数字量输出。双积分型A/D转换器由于转换一次要进行两次积分，所以转换时间长，工作速度慢，但它的电路结构简单，转换精度高，抗干扰能力强，因此，常用于低速场合。2.A/D转换器的主要技术指标衡量A/D转换器性能的技术指标很多，其中最主要的是转换精度和转换速度，其次还有转换电压范围等。（1）转换精度。①分辨率。分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力，通常用输出数字量的位数n来表示。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。15.2A/D转换器返回下一页上一页②转换误差。转换误差是指ADC实际输出的数字量和理论上应该输出的数字量之间的差值，通常以输出误差的最大值形式给出，表示为最低有效位的倍数。（2）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ADC从接收到转换信号开始，到输出端得到稳定有效的数字信号为止所经历的时间。转换时间越短，说明ADC的转换速度越快。有时也采用每秒钟能完成转换的最大次数——转换速率来描述ADC的转换速度。ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型转换电路的转换速度相差很大。（3）输入电压范围。输入电压范围是指集成A/D转换器能够转换的模拟电压范围。15.2.3ADC芯片与应用集成A/D转换器种类很多，如从使用角度上可分为两大类：一类在电子电路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能端，可与计算机相连。15.2A/D转换器返回下一页上一页1.ADC0804A/D转换器ADC0804是逐次逼近型单通道CMOS8位A/D转换器，其转换时间小于100μs，电源电压+5V，输入/输出都和TTL兼容，输入电压范围0V～+5V模拟信号，内部含有时钟电路，图15-9为ADC0804的管脚排列图。图15-10为ADC0804的典型应用电路。3.ADC0809A/D转换器ADC0809是由美国半导体公司（NSC）生产的8位逐次逼近型A/D转换器，芯片内采用CMOS工艺。该器件具有与微处理器兼容的控制