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1、第16章模拟量和数字量的转换第1页，本讲稿共32页第第23章章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换23.1 D/A转换器转换器23.2 A A/D转换器转换器第2页，本讲稿共32页第第23章章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换本章要求本章要求本章要求本章要求1.1.了解了解了解了解D/AD/A、A/DA/D转换的基本概念和转换原理转换的基本概念和转换原理转换的基本概念和转换原理转换的基本概念和转换原理;2.2.了解了解了解了解D/AD/A、A/DA/D转换常用芯片的使用方法。转换常用芯片的使用方法。转换常用芯片的使用方法。转换常用芯片的使用方法。第3页，本讲稿共32页 模模模模
2、数与数数与数数与数数与数 模转换器是计算机与外部设备的重要接口模转换器是计算机与外部设备的重要接口模转换器是计算机与外部设备的重要接口模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。也是数字测量和数字控制系统的重要部件。也是数字测量和数字控制系统的重要部件。也是数字测量和数字控制系统的重要部件。将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模 数转换器数转换器数转换器数转换器(简简简简称称称称A/DA/D转换器或转换器或转换器或转换器或ADCADC)；传感器传感器传感器传感器模拟控制模拟
3、控制模拟控制模拟控制模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号数字计算机数字计算机数字计算机数字计算机 数字控制数字控制数字控制数字控制 数数数数字字字字信信信信号号号号ADCADCDACDAC 将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数 模转换器模转换器模转换器模转换器(简称简称简称简称D/AD/A转换器或转换器或转换器或转换器或DACDAC)第4页，本讲稿共32页23.1 D/A转换器转换器数数数数 模模模模转换（转换（转换（转换（D/AD/A转换器转换器转换器转换器）的基本思想：）的基本思想：）的基本思想：）的基
4、本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权权权权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代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码按其码按其码按其“权权权权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各转换成相应的模拟量，然后再将代表各转换成相应的模拟量，然后再将代表各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，位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比
5、的模拟量，位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成这就是构成这就是构成这就是构成D/AD/A转换器的基本思想。转换器的基本思想。转换器的基本思想。转换器的基本思想。第5页，本讲稿共32页1.1.电路电路电路电路23.1.1 T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。电阻和一个模拟开关。电阻和一个模拟开关。电阻和一个模拟开关。参考电压参考
6、电压参考电压参考电压存放四位存放四位存放四位存放四位二进制数二进制数二进制数二进制数最低位最低位最低位最低位(LSB)(LSB)最高位最高位最高位最高位(MSB)(MSB)模拟模拟模拟模拟开关开关开关开关U UOO+2 2R RA A+U URS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 0+-A AR RF F2 2R R0 00 01 11 1 数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器Q Q0 0Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3第6页，本讲稿共32页
7、1.1.电路电路电路电路23.1.1 T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器参考电压参考电压参考电压参考电压最低位最低位最低位最低位(LSB)(LSB)最高位最高位最高位最高位(MSB)(MSB)各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“1”“1”时，时，时，时，开关接电源开关接电源开关接电源开关接电源U UR R；为；为；为；为0 0时接时接时接时接“地地地地”。模拟模拟模拟模拟开关开关开关开关U UOO+2 2R RA A+U URS S2 2S S0 0S S1 1S S3
8、32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 0+-A AR RF F2 2R R0 00 01 11 1 数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器Q Q0 0Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3存放四位存放四位存放四位存放四位二进制数二进制数二进制数二进制数第7页，本讲稿共32页2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压U Uo o o o之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 T T型网络
9、开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压U UA A即是反相比例运算电路的即是反相比例运算电路的即是反相比例运算电路的即是反相比例运算电路的输入电压。输入电压。输入电压。输入电压。反相比例反相比例反相比例反相比例运算电路运算电路运算电路运算电路T T型电型电型电型电子网络子网络子网络子网络2 2R RA A+U UR RS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 0U UOO+-A AR RF F2 2R R0 0
10、0 01 11 1+第8页，本讲稿共32页2 2.转换原理转换原理转换原理转换原理用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算U UA AA A+U UR RS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 02 2R R0 00 01 11 1最低位最低位最低位最低位(LSB)(LSB)最高位最高位最高位最高位(MSB)(MSB)1 0 0 0对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0
11、001000100010001第9页，本讲稿共32页2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001时，时，时，时，A A2 2R R2 2R R2 2R RR RR RR RR R等效电路如右下图等效电路如右下图等效电路如右下图等效电路如右下图1 11 1 2 22 2 3 33 3 2 2R R2 2R R2 2R R2 2R RR RR RR R2 2R RU UR RA AR RA A0 00 0 第10页，本讲稿共32页2.转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为00010
12、00100010001时，时，时，时，等效电路如下等效电路如下等效电路如下等效电路如下R RA A同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为0010001000100010时，有时，有时，有时，有同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为1000100010001000时，有时，有时，有时，有同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为0100010001000100时，有时，有时，有时，有A AR R第11页，本讲稿共32页2.转换原理转换原理 T T型网络开路时的输出电压型网络开
13、路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压U UA A，即等效电源电压，即等效电源电压，即等效电源电压，即等效电源电压U UE E。等效电阻为等效电阻为等效电阻为等效电阻为 R R 等效电路如右图等效电路如右图等效电路如右图等效电路如右图R RA AU UE E第12页，本讲稿共32页2.转换原理转换原理 若输入的是若输入的是若输入的是若输入的是 n n位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则2 2R RU UOO+-A AR RF F+R RU UE E+A A第13页，本讲稿共32页2.转换原理转换原理 若取若取若取若取 R RF F=3R=3R，则，则，则
14、，则 若输入的是若输入的是若输入的是若输入的是 n n位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则2 2R RU UOO+-A AR RF F+R RU UE E+A A第14页，本讲稿共32页倒倒T型电阻网络型电阻网络D A转换器转换器分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压u u u uo o o o之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系转换原理转换原理转换原理转换原理倒倒倒倒T T型解码网络型解码网络型解码网络型解码网络U UOO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARF
15、d3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR第15页，本讲稿共32页.UC =UR/2UB =UR/4UA =UR/8UD =UR 即：即：由于解码网络的电路结构和由于解码网络的电路结构和由于解码网络的电路结构和由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点参数匹配，则图中各点参数匹配，则图中各点参数匹配，则图中各点(D D、C C、B B、A)A)电位逐位减半。电位逐位减半。电位逐位减半。电位逐位减半。U UOO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR第16页，本讲稿共32页 因此，每个因
16、此，每个因此，每个因此，每个2 2R R支路中支路中支路中支路中的电流也逐位减半。的电流也逐位减半。的电流也逐位减半。的电流也逐位减半。即：即：即：即：U UOO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR第17页，本讲稿共32页U UOO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR第18页，本讲稿共32页23.2 A/D转换器转换器 模模数数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字转换器的任务是将模拟量转换成数字量量
17、,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。类型也比较多。下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式A/D转换电路的原理和一种常用转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。的集成电路组件。最后举例说明其应用。顺序脉冲顺序脉冲发生器发生器逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器DAC电压电压比较器比较器输出数字量输出数字量输入电压输入电压 UiUA逐次逼近型模逐次逼近型模数转换器原理框图数转换器原理框图第19页，本讲稿共32页23.2.1 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有其工作原
18、理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重四个砝码共重四个砝码共重四个砝码共重1515克克克克,每个重量分别为每个重量分别为每个重量分别为每个重量分别为8 8、4 4、2 2、1 1克。设克。设克。设克。设待秤重量待秤重量待秤重量待秤重量Wx=13Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：2 28 g+4 g3 38 g+4 g+2 g4 48 g+4 g+1 g 1 18 g8g 13g，12g 13g，13g 13g，8 g8
19、 g12 g12 g12 g12 g13g暂时结果暂时结果砝砝 码码 重重比比 较较 判判 断断顺顺 序序保留保留保留保留保留保留保留保留撤去撤去撤去撤去保留保留保留保留第20页，本讲稿共32页QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0读出读出“与门与门”&111d3d0E读出控制端读出控制端UiUA电压电压比较器比较器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器控制逻辑门控制逻辑门时钟脉冲时钟脉冲五位顺序脉冲发生器五位顺序脉冲发生器四位逐次逼近型模四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路数转换器的原理电路四位四位D/A转换器转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1第21页，本讲稿共32页1.1
20、.转换原理转换原理转换原理转换原理放哪一放哪一放哪一放哪一个砝码个砝码个砝码个砝码砝码是砝码是砝码是砝码是否保存否保存否保存否保存(待转换的模拟电压待转换的模拟电压待转换的模拟电压待转换的模拟电压)顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器U UI I 数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器D/AD/A转换器转换器转换器转换器uO控控控控制制制制逻逻逻逻辑辑辑辑时钟时钟清清清清0 0 0 0、置数、置数、置数、置数清清清清0 0、置数、置数、置数、置数CPCP(移位命令移位命令移位命令移位命令)“1”“1”状态是否保状态是否保状态是否保状态是否保留留留留控制端控制端控制端控制端
21、U UA A试探电压试探电压试探电压试探电压第22页，本讲稿共32页2.2.转换过程转换过程转换过程转换过程2 23 34 4 1 11 0 0 0U UA A U UI I6V U UA A U UI I5VU UA A U UI I“1”“1”留否留否留否留否d d3 3 d d2 2 d d1 1 d d0 0U UA A(V)(V)顺顺顺顺 序序序序比比比比 较较较较 判判判判 断断断断1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 例：例：例：例：U UR R=8V=8V，U UI I=5.52V=5.52VD/A转换器输出转换器输出UA为正值为正值第23页，本讲稿共32页转换数字量转换
22、数字量转换数字量转换数字量1011 4+1+0.5=5.5V1011 4+1+0.5=5.5V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为 0.02V 0.02V例：例：例：例：U UR R=8V=8V，U UI I=5.52V=5.52V若输出为若输出为若输出为若输出为 8 8位数字量位数字量位数字量位数字量转换数字量转换数字量转换数字量转换数字量1011000110110001 4+1+0.5+0.03125=5.53125V4+1+0.5+0.03125=5.53125V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为+0.01125V+0.01125V位数越多误差越小位数越多误差越小位数越多误差越
23、小位数越多误差越小第24页，本讲稿共32页逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图t0t1t310001100101010001011t2U UA A U UI IU UA A U UI I(转换误差转换误差转换误差转换误差:0.02V):0.02V)第25页，本讲稿共32页23.2.2 双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器属于电压时间变换的间接转换器属于电压时间变换的间接A/D转换器。转换器。基本原理是将一段时间内的输入模拟电压基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 Ui 和参考电和参考电压压UR 通过两次积分，变换成
24、与输入电压平均值成正比的通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔时间间隔,再变换成正比于输入模拟信号的数字量。再变换成正比于输入模拟信号的数字量。第26页，本讲稿共32页S1RS2CuA积分器积分器CP_+n n位二进制位二进制计数器计数器&+AC _+Q0Q1Qn-1逻辑逻辑控制控制电路电路1K1JRDFFSRD-URuS1uCGd0d1dn-1uL+uiQ双积分型双积分型A/D转换器的电路图转换器的电路图1.1.电路图电路图电路图电路图第27页，本讲稿共32页A/D转换器的工作波形图转换器的工作波形图uAtttOOT1T2OtOuS1u1-URuCCP2n个个N个个定时定时定压
25、定压ui小小ui大大 2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理(1)转换开始前转换开始前 转换信号转换信号uC=0，各触发器，各触发器清零清零,并使并使S2闭合闭合,让积分电让积分电路的电容路的电容C完全放电。完全放电。使使uL=1，由控制电路将，由控制电路将，S2断开，并将断开，并将S1接到输入电接到输入电压端，积分电路开始对压端，积分电路开始对uI积分。积分。积分输出积分输出uA为负值，比较器为负值，比较器输出输出uC为为1，开通，开通CP控制门控制门G，计数器开始计数。，计数器开始计数。(2)对输入模拟电压的积分对输入模拟电压的积分第28页，本讲稿共32页A/D转换器的工作波形图转换器的
26、工作波形图uAtttOOT1T2OtOuS1u1-URuCCP2n个个N个个定时定时定压定压ui小小ui大大 2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理 当计到当计到2n个脉冲时个脉冲时,计数器计数器输出全输出全0,0,同时输出一进位信同时输出一进位信号号,使使FFS置置1。对对uI的的积分积分结束，积分时间结束，积分时间T1=2n TCP,TCP为为CP的周期，即一个的周期，即一个脉冲的时间脉冲的时间。T1是一定的是一定的(定时定时)，不因，不因uI而变。而变。(2)对输入模拟电压的积分对输入模拟电压的积分 A/D转换器的工转换器的工作波形图如图所示。作波形图如图所示。第29页，本讲稿共32页
27、23.2.3 23.2.3 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标1.分辨率分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。2.转换速度转换速度 完成一次完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转转换所需要的时间，即从它接到转 换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出 所需要的时间。所需要的时间。3.相对精度相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。实际转换值和理想特性之间的最大偏差。4.其它其它 功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电
28、压范围等。第30页，本讲稿共32页 ADC0809ADC0809八位八位八位八位A/DA/D转换器转换器转换器转换器GNDGNDC CB B A A8 通通 道道 模模 拟拟 开开 关关 比较器比较器逻辑控制逻辑控制逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器 D/A转换器转换器地址锁存地址锁存 译译 码码 器器三三态态输输出出锁锁存存器器U UDDDDU UR R(+)(+)U UR R(-)(-)D D7 7D D0 0D D6 6D D5 5D D4 4D D3 3D D2 2D D1 1ININ7 7ININ6 6ININ5 5ININ4 4ININ3 3ININ2 2ININ1 1ININ0 0
29、ALEALEEOCEOCSTARTSTARTCLOCKCLOCKEOUTEOUT第31页，本讲稿共32页ADC 0809ADC 0809管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图U UR R(-)(-)B BD D4 4D D0 0D D2 2D D7 7D D6 6D D5 51 12 23 34 45 56 67 78 89 91010191918181717161615151414131312121111202025252424232322222121262627272828ININ2 2ININ1 1ININ0 0 GND GNDD D1 1 ALE ALEEOCEOC START STARTCLOCKCLOCKD D3 3 IN IN3 3 IN IN4 4 IN IN5 5 IN IN6 6 IN IN7 7EOUTEOUTA AC CU UR R(+)(+)U UDDDD第32页，本讲稿共32页