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1、第8章 数模和模数转换,8.1 概述 8.2 数模转换器 8.3 模数转换器,传感器 (温度、压力、流量等模拟量）,A/D,计算机（数字量）,显示器,D/A,执行部件（模拟量控制）,打印机,8.1 概述,能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。,能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。,ADC和DAC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.,ADC和DAC的应用：,D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。,一、D/
2、A转换器的基本工作原理,8.2 数模转换器,D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。,uODnUREF,将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,8.2 数模转换器,即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。,D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。,8.2 数模转换器,数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在
3、解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。,1. 权电阻网络D/A转换器,权电阻网络DAC原理图,8.2 数模转换器,二、D/A转换器的主要电路形式,权电阻,双向模拟开关,数字量输入,模拟量输出,权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。,运算放大器,集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。,8.2 数模转换器,权电阻网络DAC的原理分析,开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。,虚短,8.2 数模转换器,虚断,运算放大器
4、总的输入电流为,运算放大器输出电压为,令 RF=R/2 ，则,即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,因而uO的变化范围是,8.2 数模转换器,权电阻网络D/A转换器的特点,优点：结构简单，电阻元件数较少； 缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。,8.2 数模转换器,2. 倒T型电阻网络D/A转换器,数字量输入,模拟量输出,电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看
5、和向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。,求和点,倒T型电阻网络D/A转换器原理图,8.2 数模转换器,参考电压UREF供出的总电流为：,分流：流入求和点的各支路电流为：,8.2 数模转换器,流入求和点的电流为：,虚断，运算放大器的输出电压为：,倒T型电阻网络D/A转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。,8.2 数模转换器,令 RF=R ，则,即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字
6、量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。,分辨率,分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。,8.2 数模转换器,1. 分辨率,三、D/A转换器的主要技术指标,D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率； 可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。,8.2 数模转换器,2. 转换精度,D/A转换器的转换精度是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。,3. 转换速度,从输入的数字量发生突变开始，到
7、输出电压进入与稳定值相差0.5LSB范围内所需要的时间，称为建立时间tset。目前单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到0.1微秒以内。,4. 温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。,8.2 数模转换器,1.DAC0832结构框图,四、8位集成DAC0832,它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。,8.2 数模转换器,2.DAC0832引脚功能,DI7DI0：8位输入数据信号。,Rfb：反馈电阻
8、（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。,8.2 数模转换器,任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线，只在板中的一点把它们连接起来。,3.DAC0832特性参数,8.2 数模转换器,分辨率： 8位 建立时间： 1s 增益温度系数：
9、20ppm/（ppm-百万分之一，10-6） 输入电平： TTL 功耗： 20mW,4.DAC0832工作方式,当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7DI0进入输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。 DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种工作方式。,DAC0832的三种工作方式,8.2 数模转换器,（b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转
10、换，提高了D/A的数据吞吐量。,（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。,（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。,A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。,8.3 模数转换器,一、A/D转换器的基本工作原理,模拟量输入,数字量输出,取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化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。,1.取样和保持,8.3 模数转换器,取样过程,采样脉冲,输入模拟信
11、号,采样输出信号,模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。,8.3 模数转换器,在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样,采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持,场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。,取样保持电路及输出波形,输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波
12、仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。,8.3 模数转换器,2.量化和编码,将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差，即=Uo-Uq。,量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。,8.3 模数转换器,1)只舍不入法 当Uo的尾数时，舍尾取整。这种方法总为
13、正值，max 。,2)有舍有入法 当Uo的尾数/2时，舍尾取整；当Uo的尾数/2时，舍尾入整。这种方法可正可负，但是| max|= /2。可见，它的误差要小。, A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。,8.3 模数转
14、换器,二、A/D转换器的主要电路形式,8.3 模数转换器,1. 并行比较型A/D转换器,量化电平依据有舍有入划分为7个电平。 量化单位为 =(2/15)UREF 量化误差为 |max|= (1/15)UREF,8.3 模数转换器,并行比较型A/D转换器真值表,例如：uI4.2V，UREF6V。,3.6V4.4V,则数字量输出d2d1d0101。,优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。 缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需n -1个电压比较器和2n -1个触发器，编码电路也随n的增大变得
15、相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。 因此，这种转换器适用于高速， 精度较低的场合。,8.3 模数转换器,并行比较型A/D转换器的特点：,2. 逐次逼近型A/D转换器,8.3 模数转换器,逐次逼近型A/D转换器原理图,8.3 模数转换器,转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清“0”； 开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，经偏移/2后得到uOuO/2，并送到比较器中与uI进行比较。若uIuo，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uIuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。 然后，按同样
16、的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。,逐次逼近型A/D转换器的工作原理：,8.3 模数转换器,例：若UREF-4V，n4。当采样保持电路输出电压uI=2.49V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。,解：量化单位为,偏移电压为/20.125V,转换的结果为：d3d2d1d01010。,双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。,8.3 模数转换器,3.双积分型A/D转换器,这种A/D转换器
17、具有很多优点。首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。,分辨率=,1. 分辨率 分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不
18、同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的1/2n）。,8.3 模数转换器,三、A/D转换器的主要技术指标,例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为,2. 转换时间 转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。 双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右； 逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒； 并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。,8.3 模数转换器,8.3 模数转换器
19、,3. 转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。,例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。,例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为025mV（对应于0450温度范围），需分辨的温度为0.1，试问应选择几位的A/D转换器？其转换时间为多少？,解：,分辨率=,12位ADC的分辨率=,故需选用13位A/D转换器。,转换时间=,8.3 模数转换器,四、8位集成ADC0809,1.ADC0809特性参数,
20、分辨率： 8位 精度： 8位 转换时间： 100s 增益温度系数： 20ppm/ 输入电平： TTL 功耗： 15mW,ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。,发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；,8.3 模数转换器,2.ADC0809工作原理,转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。,输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；,转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；,IN0IN7：8路模拟
21、电压输入。 ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。 ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D7D0（2-12-8）：8位二进制数码输出。 OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。 UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。,8.3 模数转换器,3.ADC0809引脚功能,CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。 START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。 EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后 EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。,8.3 模数转换器,第8章 小结,1.熟练掌握典型A/D、D/A转换器的主要特性参数及使用方法； 2.正确理解A/D、D/A转换器的工作原理。,