数字电子技术 第8章 数模和模数转换.ppt

1、数 字 电 子 技 术第8章 数/模和模/数转换,范立南 田丹 李雪飞 张明 编著 清华大学出版社,第8章 数/模和模/数转换,8.1 概述 8.2 D/A转换器 8.3 A/D转换器 8.4 实例电路分析：数字电压表电路,8.1 概述,在计算机控制系统中，为了实现生产过程的控制，要将生产现场测得的信息如温度、压力、流量等传递给计算机。计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，并转换为适合于对生产过程进行控制的量。温度、压力、流量等都是随着时间连续变化的模拟量，而计算机处理的是数字信号，这样就需要模/数转换器将模拟量转换为数字量。而计算机输出的数字信号去控制被控对象又需要将数字量转换为

2、模拟量，所以需要经数/模转换器将数字量转换器模拟量。,为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够高的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。,目前常见的DA转换器有，权电阻网络型DA转换器、倒T形电阻网络DA转换器、权电流型DA转换器和双极性DA转换器等。,AD转换器的类型也有多种，比如并行比较型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器和双积分型A/D转换器等。,8.2 D/A转换器,8.2.1 D/A转换的基本原理,D/A转换器实质上都是一种解码

3、器。,假设输入的二进制数为 ( )，参考电压为 ，则D/A转换器输出的模拟量 可表示为,式中K为解码电路的解码系数。,因为任何一个二进制数 都可以表示为,所以,由以上可知，D/A转换器的输出电压 在数值上等于二进制数为“1”的每一位所对应的模拟电压之和。,D/A转换器的方框图如下图所示。,8.2.2 权电阻网络型D/A转换器,权电阻网络型D/A转换器的原理图,S3、S2、S1和S04个电子开关的状态分别受输入代码d3、d2、d1和d0的取值控制，代码为1时开关接到参考电压上，代码为0时开关接地。,根据反相比例加法器输入与输出之间的关系式可得,对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻为R/2

4、时，输出电压的计算公式可写成,当输入的数字量 =0时， 。,当 =1111时， 。,故的最大变化范围是0 。,权电阻网络型DA转换器电路的优点是结构比较简单，所用的电阻元件数较少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，尤其是在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。,8.2.3 倒T形电阻网络D/A转换器,倒T形电阻网络D/A转换器,计算受电子开关控制的各支路电流大小的等效电路如下图所示。,从参考电源流入到T形电阻网络的总电流为 ，根据并联分流公式，可得各个电子开关所在支路的电流为I/2、I/4、I/8和I/16。,如果令 时开关 接地(运放的同相输入端 )， 时开关 接运放的反相输入端。根据反相加

5、法器的计算公式可得倒T形电阻网络D/A转换器的输出电压为,倒T形电阻网络D/A转换器的特点是电阻种类少，只有R和2R两种，因此可以提高制造精度。由于在倒T形电阻网络DA转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。这样不仅提高了转换速度，而且也减少了动态过程中输出信号可能出现的尖脉冲。它是目前集成DA转换器中转换速度较高且使用较多的一种。常用的DAC0832就是采用这种结构。,8.2.4 权电流型D/A转换器,当输入数字量的某位代码为1时，对应的开关将恒流源接到运算放大器的反相输入端；当输入代码为0时，对应的开关接地，故输出电压为,可见， 正比于输入的数字量。,

6、8.2.5 双极性D/A转换器,双极性码表示模拟信号的幅值和极性，适用于具有正负极性的模拟信号的转换。常用的双极性码有偏移码、补码和原码，如下表所示。,偏移码是自然二进制码经过偏移而得到的一种双极性码，它是补码的符号位取反而得到的。在转换器应用中，偏移码是最容易实现的一种双极性码。,双极性输出的D/A转换器,为了使输入代码为100时对应的输出电压等于零，只要使 与此时的 大小相等即可，故应取,通过上面的分析不难得出，双极性输出的D/A转换器的一般方法是只要在运算放大器的输入端接入一个偏移电流，使最高位为1而其他各位为0时输出电压为0，同时将输入的符号位取反后接到一般的D/A转换器的输入，就得到

7、了双极性输出的D/A转换器。,8.2.6 D/A转换器的技术指标,1分辨率,分辨率用于表征DA转换器对输入微小量变化的敏感程度。其定义为最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的数字输入信号所有有效位全为“1”)之比。,例如对于8位D/A转换器，其分辨率为,有时也用数字输入信号的有效位数来给出分辨率。例如，单片集成D/A转换器DAC0832的分辨率为8位，DAC1210的分辨率为12位。,2转换误差,转换误差是转换器实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差，它是一个实际的性能指标。转换误差通常用满量程(FSR)的百分数来表示。,例如一个DAC的线性误差

8、为0.05%，也就是说转换误差是满量程的万分之五。有时转换误差用最低有效位LSB的倍数来表示。例如一个DAC的转换误差为LSB/2，则表示输出电压的绝对误差是最低有效位为1时的输出电压的1/2。,3转换时间,D/A转换器的转换时间规定为转换器完成一次转换所需的时间，也即从转换命令发出开始到转换结束为止的时间。,D/A转换器的转换时间是由其建立时间 来决定的，表示从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳态值相差 范围内的这段时间，如下图所示。,除了上述指标外，在使用D/A转换器时，还必须知道工作电源电压、输出方式、输出值的范围和输入逻辑电平等，这些都可以在使用手册中查到。,8.2.7 集成

9、D/A转换器及其应用,1DAC0832的内部结构,DAC0832是美国国家半导体公司(National)生产的8位D/A转换集成芯片，能完成数字量输入、模拟量(电流)输出的转换。单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，其具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在计算机应用系统中得到了广泛的应用。,DAC0832的原理框图,可以通过对控制引脚的不同设置而决定是采用双缓冲方式（两级输入锁存），单缓冲方式（两级同时输入锁存或只用一级输入锁存，另一级始终直通）还是完全接成直通的形式。,引脚图,2DAC0832的引脚功能,DI0DI7：8位数据输入线。,：数据允许锁存信号，

10、高电平有效。,：输入寄存器选择信号，低电平有效。它与 信号结合可对 信号是否起作用进行控制。,：输入寄存器的写选通信号，低电平有效，用以把数字量输入锁存于输入寄存器重，在 有效时，必须 和 同时有效。,：数据传送信号，低电平有效。,：DAC寄存器的写选通信号，低电平有效，用以将锁存于输入寄存器的数字量传送到D/A寄存器中锁存。 有效时，必须 有效。,IOUT1：电流输出引脚1。随DAC寄存器的内容线性变化，当DAC寄存器输入全为1时，输出电流最大，DAC寄存器输入全为0时，输出电流为0。,IOUT2：电流输出引脚2，与IOUT1电流互补输出，即IOUT1+ IOUT2=常数。,：反馈电阻连接端

11、。由于片内已具有反馈电阻，故可以和外接运算放大器直接相连。该运算放大器是将D/A芯片电流输出转换为电压输出VOUT。,：基准电源输入引脚。该引脚把一个外部标准电压源与内部T型网络相接，外接电压源的稳定精度直接影响D/A转换精度，所以要求 精度应尽可能高一些，范围为-10V+10V。,VCC：电源电压输入端，范围为+5V+15V。,DGND：数字地。,AGND：模拟地。模拟量电路的接地端始终与数字电路接地端相连。,3DAC0832的输出方式,DAC0832是电流型输出器件，它不能直接带负载，所以需要在其电流输出端加上运算放大器，将电流输出线性地转换成电压输出。根据运放和DAC0832的连接方法不

12、同，可以分为单极性输出和双极性输出两种。,(1) 单极性输出。,其输出电压为,VOUT1=IOUT1Rfb,或者为,VOUT1=VREF,(2) 双极性输出。,其输出VOUT2为,VOUT2= VREF,4DAC0832的应用,DAC0832的三种工作方式适用于不同的场合。在应用系统中只有一路D/A转换器或有多路D/A转换，当并不要求同步输出时，可采用单缓冲工作方式；当系统中有多路D/A转换器并且要求同步输出时，必须采用双缓冲工作方式；当要求系统的输出电压值跟随输入的数字量变化时，就需要采用直通工作方式。,DAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路,8.3 A/D转换器,8.3.1

13、A/D转换的基本原理,AD转换过程包括采样、保持、量化和编码4个步骤。,1采样和保持,(1) 采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即把时间上连续的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。,(a)连续信号,(b) 采样器S,(c)离散的脉冲序列,连续信号的采样过程如下图所示。,为了不失真地恢复原来的输入信号，根据采样定理，一个频率有限的模拟信号，其采样频率 必须大于等于输入模拟信号所包含的最高频率 的两倍，即采样频率必须满足,(2) 保持就是将采样最终时刻的信号电压保持下来，直到下一个采样信号出现。,采样保持电路及工作波形如下图所示。,(a) 采样保持电路 (

14、b)工作波形,2量化和编码,用数字量来表示模拟量时，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在进行A/D转换时，必须把采样电压表示为这个最小单位的整数倍，这个转化过程叫做量化。所取的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小就等于。,把量化的结果用代码(可以是二进制，也可以是其他进制)表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出结果。,在进行量化的过程中，不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。,当采用的量化方法不同时，所引入的误差也不同。,(1) 只舍不入法。,这种方法是将小于量化单位的值舍掉，取下限值数字量。例如将01

15、V的模拟信号转化成3位二进制数，因3位二进制数可以表示8种状态，所以量化的最小单位=，采用只舍不入法进行量化的电平如右图所示。由图可以看出，最大的量化误差为1/8V。,(2) 四舍五入法。,这种方法是将小于/2 的值舍掉，取下限值数字量，将大于/2而小于的值看做一个量化单位，取其上限值的数字量。例如，同样将01V的模拟信号转化成3位二进制数，现在取量化单位为=2/15，采用四舍五入法进行量化的电平如右图所示。由图可以看出，最大的量化误差仅为1/15V。,8.3.2 并行比较型A/D转换器,输入的模拟电压 已经是采样保持电路的输出电压了，取值范围为0 ，输出为3位二进制代码 。,3位并行比较型A

16、D转换器的代码转换表,并行比较型AD转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细(取得越小)，精度越高。此外，转换精度还受参考电压的稳定度、分压电阻相对精度及电压比较器灵敏度的影响。,并行比较型AD转换器的最大优点是转换速度快，故又称高速AD转换器。,并行比较型AD转换器的缺点是，需要使用较多的电压比较器和触发器。,8.3.3 逐次逼近型A/D转换器,由上述转换过程可知，逐次逼近型A/D转换器的转换时间取决于转换中的数字位数的多少，完成每位数字的转换需要一个时钟周期，第n+1个时钟周期作用后，第n位数据才存入寄存器，最后一个时钟周期数据送到输出寄存器，所以完成一次转换所需要的时间为n+2

17、个时钟周期。因此，它的转换速度比并联比较型A/D转换器低，而且输出位数较多时，电路比并行的简单。正因为如此，逐次逼近型A/D转换器是目前应用十分广泛的集成A/D转换器。,8.3.4 双积分型A/D转换器,双积分型AD转换器的转换原理是，首先将输入的模拟电压信号转换成与其大小成正比的时间脉宽信号，然后在这个时间内对固定频率的时钟进行计数，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字信号。,双积分型AD转换器的原理框图,转换开始前，转换控制信号 =0，将计数器置零，控制逻辑使开关S0闭合，S1断开，电容C完全放电。,当 变为1时开始转换。由控制逻辑使S0断开，S1接通输入模拟电压信号 ，积分器对 进行

18、固定时间T1的积分。积分结束时积分器的输出电压为,当时间T1到了以后，产生溢出信号，通过控制逻辑电路，使开关S1转接到参考电压(或称为基准电压) 一侧，积分器向相反方向积分。如果积分器的输出电压上升到零时所经过的积分时间为T2，则可得,该式说明，在T1固定的条件下，积分器的输出电压 与输入电压 成正比。,则,所以,可见，反向积分到 =0的这段时间T2与输入信号 成正比。,令计数器在T2这段时间里对固定频率为 ( )的时钟脉冲进行计数，则计数结果也一定与 成正比，即,式中的D为表示模拟输入电压信号 对应的数字量。,双积分型A/D转换器的电压波形图如下图所示。,双积分型AD转换器的优点是：第一，工

19、作性能比较稳定，转换精度高。第二，抗干扰能力强。,双积分型AD转换器的缺点是工作速度低。,8.3.5 A/D转换器的主要技术指标,1分辨率,分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。有n位输出的A/D转换器能区分输入模拟信号的 个不同等级，因此，其分辨率为,分辨率=,式中， 是输入模拟信号的最大值。,2转换误差,A/D转换器的转换误差通常以输出误差的最大值形式给出，它表示实际输出的数字量与理论上应该输出的数字量之间的差别，一般以输出最低有效位的倍数给出。,3转换时间,转换时间是指AD转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。,并行比较型AD转换器的转换速度最快

20、。,逐次逼近型AD转换器的转换速度次之。,双积分型AD转换器的转换速度要低得多了。,8.3.6 集成A/D转换器简介,1ADC0809的内部结构,引脚图,2ADC0809的引脚功能,IN7 IN0：8路模拟量输入端口，电压范围为05V。,D7D0：8位数字量输出端口。,ADDA、B、C：8路模拟开关的三位地址输入端，以选择对应的输入通道。ADD C为高位，ADD A为低位。,ALE：地址锁存允许信号输入端。高电平时，转换通道地址送入锁存器中，下降沿时将三位地址线A、B、C锁存到地址锁存器中。,START：启动控制输入端口，它与ALE可以连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模/数转换

21、。,EOC：转换结束信号输出端。EOC=0，说明A/D正在转换中；EOC=1，说明A/D转换结束，同时把转换结果锁在输出锁存器中。,OE：输出允许控制端，高电平有效。在此端提供给一个有效信号则打开三态输出锁存缓冲器，把转换后的结果送至外部数据线。,VREF（+）、VREF（-）、Vcc、GND：VREF（+）和VREF（-）为参考电压输入端，Vcc为主电源输入端，单一的+5V供电，GND为接地端。一般VREF（+）与Vcc连接在一起，VREF（-）与GND连接在一起。,CLK：时钟输入端。由于ADC0808/0809芯片内无时钟，所以必须靠外部提供时钟，外部时钟的频率范围为10K1280KHz。,ADC0809的工作时序分为锁存通道地址、启动A/D转换、检测转换结束和读出转换数据4个步骤。,3ADC0809的工作时序,（1）锁存通道地址。根据所选通道编号，输入ADDC、ADDB、ADDA的值，并使ALE=1（正脉冲），锁存通道地址。,（2）启动A/D转换。使START=1(正脉冲)启动A/D转换。使用时需要注意，当输入时钟周期为1s时，启动ADC0809约10s后，EOC才变为低电平“0”，表示正在转换。,（3）检测转