第12章模拟量和数字量的转换

第十二章

模拟量和数字量的转换电子技术基础概述第十二章模拟量和数字量的转换

数/模与模/数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。D/A（数/模）转换器：能将数字量转换为模拟量的装置。A/D（模/数）转换器：能将模拟量转换为数字量的装置。典型的微机测控系统框图目录第十二章模拟量和数字量的转换12.1D/A转换器12.2A/D转换器D/A（数/模）转换器：(DAC)输入：n位二进制数N输出：与输入二进制数N成正比的模拟信号（电压或电流）A（N）2=dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+···+d1·21+d0·20

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。12.1.1D/A转换器原理及分类12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换

一个n位D/A转换器的结构框图如图所示。输入数字量经寄存器存储后再驱动对应位的电子开关，将参考电压按位权关系分配到电阻网络，再由求和放大器将各数位的权值相加，使输出得到与输入数字量大小成正比的相应模拟量。D/A转换器的核心电路是电阻网络。n位D/A转换器的结构框图模拟电子开关倒T形电阻网络运放12.1.2倒T形电阻网络D-A转换器d0d1d2d3++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IR电路：基准电压源待转换数字量1、D/A转换器组成12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di为1→

Si与运放的反相输入端连接→

uo=-IO1

RFdi为0

→

Si与地连接IO1=？与哪些量有关？2.D/A转换器的原理12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换倒梯形电阻网络RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00´11´22´33´RRRRIR=

UR/RI3=

IR21=21URRI2=

IR41=22URRI1=

IR81=23URRI0=

IR161=24URRIO1IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I012.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I0I1I2I3I0=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRUO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换UO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR若为n位二进制数，则UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nURRFR若RF=R，则UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nUR即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换指最小输出电压和最大输出电压之比。

有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率2、转换精度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。如十位DAC分辨率：210-11=102313、输出电压(电流)的建立时间

从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。12.1.3D/A转换器的主要技术指标4、电源抑制比指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换12.1D-A转换器【例12-2】已知某D/A转换电路，试回答：（1）当输入数字量为10000000时，输出电压为5V，该电路的最小输出电压是多少？（2）若某一系统中要求D/A转换器的转换准确度小于0.25%，这一D/A转换器能否应用？

12.1D-A转换器

12.1.4集成DAC集成DAC的种类：按电路结构分：权电阻DAC、梯形DAC、倒T形DAC等按输入二进制数位数分：八位、十位、十二位、十六位等例：AD7520：十位倒T形电阻网络DAC12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换特点：管脚排列及外接电路：运算放大器外接AD752012345678910111213141516d0d1d2d3d4d9d8d7d6d5GND+UDD321511614正电源端接地端413~十位数字量输入端模拟电流IO1输出端模拟电流IO2输出端，一般接地参考电压接线端，UR可正可负内部电阻RF的引出端，另一端在芯片内部接IO1端

uo－＋＋

UR12.1D-A转换器第十二章模拟量和数字量的转换12.1D-A转换器DAC0832芯片DAC0832是一种常见的8位电流型D/A转换器，它采用了CMOS工艺，电流建立时间为1μs，其内部由两级缓冲器和T型电阻网络构成。DAC0832的内部结构图12.1D-A转换器

DAC0832引脚功能：12.2A/D转换器

模拟量转换成数字量的电路。A/D转换器输入：连续变化的模拟量输出：大小与输入模拟量成正比的数字量12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换

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12.2.1逐次逼近型A/D转换器基本组成和工作原理12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输出数字量输入电压量顺序脉冲发生器产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲逐次逼近寄存器由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置“1”，再根据比较器的输出决定该“1”的取舍。数摸转换器将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量电压比较器将DAC输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍1.基本组成12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换置数控制逻辑电路

逐次逼近寄存器D/A转换器++-AUx数字量输出Uod0d1dn-1原理图设欲转换量UX1）给逐次逼近寄存器清零；2）将逐次逼近寄存器最高位置“1”；即dn-1=1；3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量UO；4）当UO<

UX，置数控制逻辑电路使该位“1”保留；

当UO>UX，置数控制逻辑电路使该位“1”去掉；5）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即dn-2=1；直至确定d02.工作原理12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换置数控制逻辑电路

逐次逼近寄存器D/A转换器++-AUx数字量输出Uod0d1dn-1例：四位逐次逼近DAC已知：UX=5.52VDAC的UR=8V试分析转换过程。1）清零：d3d2d1d0=00002）将最高位置“1”；即d3d2d1d0=1000；3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1000转换为模拟量UO；4）UO<

UX

，置数控制逻辑电路使d3=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+0·21

+0·20）=4Vd3d2d1d0=100012.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换5）将d2置“1”；即d3d2d1d0=1100；6）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1100转换为模拟量UO；7）UO>

UX

，置数控制逻辑电路使d2=1去掉，使d2=0

；

UO=8/16（1·23+1·22

+0·21

+0·20）=6Vd3d2

d1d0=10008）将d1置“1”；即d3d2d1d0=1010；10）UO<

UX

，置数控制逻辑电路使d1=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+1·21

+0·20）=5Vd3d2d1

d0=10109）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1010转换为模拟量UO；12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换11）将d0置“1”；即d3d2d1d0=1011；10）UO<

UX

，置数控制逻辑电路使d0=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+1·21

+1·20）=5.5Vd3d2d1

d0=101112）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1011转换为模拟量UO；ADCUX=5.52Vd3d2d1

d0=1011转换误差=0.02V，输出位数越多，误差越小12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换2、相对精度：

以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高完成一次A/D转换所需要的时间。即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间实际转换值和理想特性之间的最大偏差1、分辨率：3、转换速度：4、其它：电源抑制、功率、电压范围等。12.2.2A/D转换器的主要技术指标12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换ADC0809

是八通道八位逐次逼近型模数转换器。A/D变换组件也有多种型号可供选择，使用者可根据任务要求进行选择。下面以ADC0809为例，介绍集成电路A/D变换器。集成ADCADC0809是28脚双列直插式模数转换器12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换八通道模拟量输入结构框图8选1模拟量选择器8位逐次逼近ADC三态输出锁存器地址锁存器IN0IN7D0D7ABCALESTARTUR（-）UR（+）OECLOCKEOC8选1模拟选择器的地址选择输入端八位数字量输出地址锁存信号输入端高电平有效输出允许端高电平有效启动信号输入端启动脉冲下降沿开始转换外部时钟脉冲输入端转换结束信号端高电平有效正负参考电压输入端该电压确定模拟量的输入电压范围12.2A-D转换器第十二章模拟量和数字量的转换管脚功能D5D4D6UCCUR（+）OE1234567891014131211191817161520CLKSTARTUR(-)2122232425262728D1D2D7D3