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1、第八章数模模数转换器本讲稿第一页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器8.1.1 D/A8.1.1 D/A转换器电路及原理转换器电路及原理 D/AD/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电路等部分组成。数字量以串行或并行方式输入存于数电路及基准电路等部分组成。数字量以串行或并行方式输入存于数码寄存器中，数字寄存器输出数码，分别控制对应位的模拟电子开码寄存器中，数字寄存器输出数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为关，使数码为1 1的位在位权网络上产生与之成正比的电流值，再由求的位在位权网络上产生与
2、之成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。n n位位D/AD/A转换器的方框图如转换器的方框图如图图8-18-1所示。所示。下一页返回本讲稿第二页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器8.1.28.1.2二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/AD/A转换器转换器 1 1权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器电路及转换原理转换器电路及转换原理 如果一个如果一个n n位二进制数用位二进制数用D Dn n=d=dn-1n-1d dn-2n-2dd1 1d d0 0表示，则从最高位到最低表示，则从最高位到最低位的
3、权依次为位的权依次为2 2n-1n-1、2 2n-2n-2221 1、2 20 0。图。图8-28-2是四位权电阻网络是四位权电阻网络D/AD/A转换器转换器的原理图，它由权电阻网络、模拟开关、求和放大器三部分组成。的原理图，它由权电阻网络、模拟开关、求和放大器三部分组成。权电阻网络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比。权电阻网络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比。下一页上一页返回本讲稿第三页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器2 2二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/AD/A转换器的优、缺点转换器的优、缺点二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/AD/A转换器的优点是该电路用的电阻
4、较少，电路结转换器的优点是该电路用的电阻较少，电路结构简单，可适用于各种有权码，各位同时进行转换，速度较快。它的缺构简单，可适用于各种有权码，各位同时进行转换，速度较快。它的缺点是各个电阻的阻值相差很大，尤其在输入信号的位数较多时，问题就点是各个电阻的阻值相差很大，尤其在输入信号的位数较多时，问题就更突出了。更突出了。下一页上一页返回本讲稿第四页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器8.1.3 T8.1.3 T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器 为了克服权电阻网络为了克服权电阻网络D/AD/A转换器中电阻阻值相差过大的缺点，又研制出了转换器中电阻阻值相差过大的缺点，又研
5、制出了如图如图8-38-3所示的所示的T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器，由转换器，由R R和和2R2R两种阻值的电阻两种阻值的电阻组成组成T T形电阻网络（或称梯形电阻网络）为集成电路的设计和制形电阻网络（或称梯形电阻网络）为集成电路的设计和制作带来了很大方便。网络的输出端接到运算放大器的反相输入端。作带来了很大方便。网络的输出端接到运算放大器的反相输入端。提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图图8-48-4电路改成倒电路改成倒T T形形电阻网络电阻网络D/AD/A转换电路，如转换电路，如图图8-68-6所示。所示。下一页上一页返回本讲稿
6、第五页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器8.1.4 8.1.4 主要技术指标主要技术指标 1 1分辨率分辨率是指分辨率分辨率是指D/AD/A转换器能分辨最小输出电压变化量与转换器能分辨最小输出电压变化量与最大输出电压即满量程输出电压之比。最大输出电压即满量程输出电压之比。2 2精度精度D/AD/A转换器的精度是指实际输出电压与理论输出电压之转换器的精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的偏离程度。间的偏离程度。3 3转换时间转换时间D/AD/A转换器的转换时间是指在输入数字信号开始转换，转换器的转换时间是指在输入数字信号开始转换，到输出电压（或电流）达到稳定时所需要的时间。到
7、输出电压（或电流）达到稳定时所需要的时间。下一页上一页返回本讲稿第六页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器8.1.5 D/A8.1.5 D/A转换器的应用转换器的应用 1 1集成集成D/AD/A转换器转换器DA7520 DA7520 DA7520DA7520的外引线排列及连接电路如的外引线排列及连接电路如图图8-78-7所示，所示，DA7520DA7520共有共有1616个引脚，各引脚的功能如下：个引脚，各引脚的功能如下：4 41313为十位数字量的输入端；为十位数字量的输入端；下一页上一页返回本讲稿第七页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器1 1为模拟电流为模
8、拟电流I IO1O1输出端，接到运算放大器的反向输入端；输出端，接到运算放大器的反向输入端；2 2为模拟电流为模拟电流I IO2O2输出端，一般接地；输出端，一般接地；3 3为接地端；为接地端；1414为为COMSCOMS模拟开关的模拟开关的+U+UDDDD电源接线端；电源接线端；1515为参考电压电源接线端，为参考电压电源接线端，U UR R可为正值或负值；可为正值或负值；1616为芯片内部一个电阻为芯片内部一个电阻R R的引出端，该电阻作为运算放大器的反的引出端，该电阻作为运算放大器的反馈电阻馈电阻R RF F，他的另一端在芯片内部接，他的另一端在芯片内部接I IO1O1端。端。下一页上一
9、页返回本讲稿第八页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器DA7520DA7520的主要性能参数如下：的主要性能参数如下：分辨率：十位分辨率：十位线性误差：线性误差：（1/21/2）LSBLSB（LSBLSB表示输入数字量最低位），表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围若用输出电压满刻度范围FSRFSR的百分数表示则为的百分数表示则为0.05%FSR0.05%FSR。转换速度：转换速度：500ns500ns温度系数：温度系数：0.001%/0.001%/O OC C下一页上一页返回本讲稿第九页，共四十一页8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器2 2应用举例应用举例 图图8
10、-88-8所示的电路为一个由所示的电路为一个由1010位二进制加法计数器、位二进制加法计数器、DA7520DA7520转转换器及集成运放组成的锯齿波发生器。换器及集成运放组成的锯齿波发生器。1010位二进制加法计数器从位二进制加法计数器从全全“0”“0”加到全加到全“1”“1”，电路的模拟输出电压，电路的模拟输出电压uouo由由0V0V增加到最大值，增加到最大值，此时若再来一个计数脉冲则计数器的值由全此时若再来一个计数脉冲则计数器的值由全“1”“1”变为全变为全“0”“0”，输出电压也从最大值跳变为输出电压也从最大值跳变为0 0，输出波形又开始一个新的周期。，输出波形又开始一个新的周期。如果计
11、数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。上一页返回本讲稿第十页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 8.2.1 8.2.1 采样与保持采样与保持 取样定理：取样定理：由于每次把采样电压转换为相应的数字信号时都需要一定的时间由于每次把采样电压转换为相应的数字信号时都需要一定的时间,因因此在每次采样以后此在每次采样以后,需把采样电压保持一段时间。需把采样电压保持一段时间。根据采样定理根据采样定理,用数字方法传递和处理模拟信号用数字方法传递和处理模拟信号,并不需要信并不需要信号在整个作用时间内的数值号在整个作用时间内的
12、数值,只需要采样点的数值。只需要采样点的数值。下一页返回本讲稿第十一页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 8.2.2 8.2.2 量化和编码量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量值的整数倍。的，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量值的整数倍。为了将模拟信号转换成数字信号，在为了将模拟信号转换成数字信号，在A/DA/D转换器中必须将采样转换器中必须将采样-保保持电路的输出电压按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上。持电路的输出电压按某种近似方式规划
13、到与之相应的离散电平上。将采样将采样-保持电路的输出电压规划为数字量最小单位所对应的最保持电路的输出电压规划为数字量最小单位所对应的最小量值的整数倍的过程叫做量化。这个最小量值叫做量化单位。小量值的整数倍的过程叫做量化。这个最小量值叫做量化单位。下一页上一页返回本讲稿第十二页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。由于数字量的位数有限，一个由于数字量的位数有限，一个n n位的二进制数只能表示位的二进制数只能表示2 2n n个值，个值，因而任何一个采样因而任何一个采样-保持信号的幅值，只能近
14、似地逼近某一个离保持信号的幅值，只能近似地逼近某一个离散的数字量。因此在量化过程中不可避免的会产生误差，通常把散的数字量。因此在量化过程中不可避免的会产生误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中，量化级分得越多，这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中，量化级分得越多，量化误差就越小。量化误差就越小。下一页上一页返回本讲稿第十三页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 8.2.3 A/D8.2.3 A/D转换器工作原理转换器工作原理 1 1、并联比较型、并联比较型A/DA/D转换器转换器 并联比较型并联比较型A/DA/D转换器是一种高速转换器是一种高速A/DA/D转换
15、器。转换器。图图8-98-9所示是所示是3 3位并联位并联型型A/DA/D转换器，它由基准电压转换器，它由基准电压U UREFREF、电阻分压器、电压比较器、寄、电阻分压器、电压比较器、寄存器和编码器等五部分组成。存器和编码器等五部分组成。不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数，如表不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数，如表8-18-1所示。所示。下一页上一页返回本讲稿第十四页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 2 2、双积分型、双积分型A/DA/D转换器转换器 双积分型双积分型A/DA/D转换器又称为双斜率转换器又称为双斜率A/DA/D转换器。图转换器。图8-10
16、8-10所示是双所示是双积分型积分型A/DA/D转换器的原理框图。它由基准电压源、积分器、比较器、时钟脉转换器的原理框图。它由基准电压源、积分器、比较器、时钟脉冲输入控制门、冲输入控制门、n n位二进制计数器、定时器和逻辑控制门电路组成。位二进制计数器、定时器和逻辑控制门电路组成。双积分型双积分型A/DA/D转换器中积分器的输入、输出与计数脉冲间的关系如转换器中积分器的输入、输出与计数脉冲间的关系如图图8-118-11所示。所示。下一页上一页返回本讲稿第十五页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 3 3逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换器数转换器 逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换
17、器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、模器、模-数转换器和电压比较器等几部分组成，其原理框图如数转换器和电压比较器等几部分组成，其原理框图如图图8-128-12所示。所示。一次转换过程如一次转换过程如表表8-38-3和和图图8-158-15所示。所示。下一页上一页返回本讲稿第十六页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 8.2.4A/D8.2.4A/D转换器的应用转换器的应用 1 1 ADC0809 ADC0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构 ADC0809ADC0809的内部逻辑结构如的内部逻辑结构如图图8-168-16所示。所示。2
18、 2ADC0809ADC0809引脚结构引脚结构 ADC0809ADC0809引脚结构如图引脚结构如图8-178-17所示。所示。下一页上一页返回本讲稿第十七页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 3 3ADC0809ADC0809应用说明应用说明 （1 1）ADC0809ADC0809内部带有输出锁存器，可以与内部带有输出锁存器，可以与AT89S51AT89S51单片机直接相连。单片机直接相连。（2 2）初始化时，使）初始化时，使STST和和OEOE信号全为低电平。信号全为低电平。（3 3）送要转换的哪一通道的地址到）送要转换的哪一通道的地址到A A，B B，C C端口上。端
19、口上。（4 4）在）在STST端给出一个至少有端给出一个至少有100ns100ns宽的正脉冲信号。宽的正脉冲信号。（5 5）是否转换完毕，可以根据）是否转换完毕，可以根据EOCEOC信号来判断。信号来判断。（6 6）当）当EOCEOC变为高电平时，这时给变为高电平时，这时给OEOE为高电平，转换的数据就输出为高电平，转换的数据就输出给单片机了。给单片机了。下一页上一页返回本讲稿第十八页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 8.2.5 A/D8.2.5 A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 1 1分辨率分辨率是指分辨率分辨率是指A/DA/D转换器输出数字量的最低位变转换
20、器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。2 2转换误差转换误差表示转换误差转换误差表示A/DA/D转换器实际输出的数字量与理转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。论上的输出数字量之间的差别。3 3转换速度转换速度A/DA/D转换器从接收到转换控制信号开始，到输出端得到转换器从接收到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字量为止所需要的时间，即完成一次稳定的数字量为止所需要的时间，即完成一次A/DA/D转换所需的时间称为转换转换所需的时间称为转换速度。速度。下一页上一页返回本讲稿第十九页，共四十一页8.2 A/D8.2 A
21、/D转换器转换器 8.2.68.2.6技术应用技术应用 图图8-188-18是采用是采用AD7896AD7896构成的模拟信号构成的模拟信号/数字信号（数字信号（A/DA/D）转换电路。）转换电路。A/D7896A/D7896是带有串行口的是带有串行口的A/DA/D转换器，可将输入信号（传感器的输出信号）转换器，可将输入信号（传感器的输出信号）转换为数字信号，通过光电耦合器的电器隔离送至微型计算机进行处理。转换为数字信号，通过光电耦合器的电器隔离送至微型计算机进行处理。下一页上一页返回本讲稿第二十页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 图图8-198-19是隔离模拟信号是隔离模
22、拟信号/数字信号转换（数字信号转换（A/DA/D）电路。在计测系统、监）电路。在计测系统、监视系统和医疗系统中，为了确保安全，信号与系统之间需要进行电气隔离。视系统和医疗系统中，为了确保安全，信号与系统之间需要进行电气隔离。隔离电路一般用于以下几种情况，既进行共模电压高的信号源的测量、雷隔离电路一般用于以下几种情况，既进行共模电压高的信号源的测量、雷击保护的电路、防止心率计等电流流入人体以免触电、高精度测量时计测击保护的电路、防止心率计等电流流入人体以免触电、高精度测量时计测方的地与系统的地分离。经常采用方的地与系统的地分离。经常采用1212位串行输出位串行输出A/DA/D转换器和光电耦合器构
23、转换器和光电耦合器构成的成的A/DA/D转换器。转换器。下一页上一页返回本讲稿第二十一页，共四十一页8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器 图图8-208-20是高精度远程直流传输的数字信号是高精度远程直流传输的数字信号/模拟信号（模拟信号（D/AD/A）转换电）转换电路。实际进行远程直流传输时，由于线路压降使电压信号精度降低。在路。实际进行远程直流传输时，由于线路压降使电压信号精度降低。在实际的系统中，地线还有其他的电流流通，因此，产生的误差更大。为实际的系统中，地线还有其他的电流流通，因此，产生的误差更大。为此，采用图（此，采用图（c c）所示电路，将电流流经的负载线路与设定电压的传感）
24、所示电路，将电流流经的负载线路与设定电压的传感器线路分开，这样，电流不会受到影响。若地线也分为电流流经的负载器线路分开，这样，电流不会受到影响。若地线也分为电流流经的负载回线与高阻抗的回线与高阻抗的0V0V信号线，则使回程电流的影响最小。若在发送方增设信号线，则使回程电流的影响最小。若在发送方增设运算放大器，分为电流流通的线路与传输电压信号的线路，则传输线路运算放大器，分为电流流通的线路与传输电压信号的线路，则传输线路中电阻的影响可忽略不计。中电阻的影响可忽略不计。D/AD/A转换器与与放大器的连接到图（转换器与与放大器的连接到图（c c）中的）中的A2A2输出，不同系统的电源共一个地。输出，
25、不同系统的电源共一个地。上一页返回本讲稿第二十二页，共四十一页图图8-1 n8-1 n位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 返回本讲稿第二十三页，共四十一页图图8-2 8-2 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器原理图转换器原理图 返回本讲稿第二十四页，共四十一页图图8-3 T8-3 T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器返回本讲稿第二十五页，共四十一页图图8-4 8-4 计算计算T T形电阻网络的输出电形电阻网络的输出电压压(d(d3 3d d2 2d d1 1d d0 0=0001)=0001)返回本讲稿第二十六页，共四十一页图图8-6 8-6 倒倒T T形电阻网络形电阻网络
26、D/AD/A转换器转换器 返回本讲稿第二十七页，共四十一页图图8-7 DA75208-7 DA7520的外引线排列及连接的外引线排列及连接电路电路 返回本讲稿第二十八页，共四十一页图图8-8 DA75208-8 DA7520组成的锯齿波发生器组成的锯齿波发生器 返回本讲稿第二十九页，共四十一页图图8-9 38-9 3位并联比较型位并联比较型A/DA/D转换器转换器 返回本讲稿第三十页，共四十一页表表8-1 8-1 双并联比较型双并联比较型A/DA/D转换器真转换器真值表值表 返回本讲稿第三十一页，共四十一页图图8-108-10双积分型双积分型A/DA/D转换器的原理转换器的原理框图框图 返回本
27、讲稿第三十二页，共四十一页图图8-11 8-11 积分器输入、输出与计数积分器输入、输出与计数脉冲的关系脉冲的关系 返回本讲稿第三十三页，共四十一页图图8-128-12逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换器原数转换器原理框图理框图返回本讲稿第三十四页，共四十一页表表8-38-3四位逐次逼近型四位逐次逼近型A/DA/D转换转换器的转换过程器的转换过程 返回本讲稿第三十五页，共四十一页图图8-15 8-15 U UA A逼近逼近U Ui i的波形的波形 返回本讲稿第三十六页，共四十一页图图8-16 ADC08098-16 ADC0809的内部逻辑结构图的内部逻辑结构图 返回本讲稿第三十七页，共四十一页
28、图图8-17 ADC08098-17 ADC0809引脚结构图引脚结构图 返回本讲稿第三十八页，共四十一页图图8-18 8-18 采用采用AD7896AD7896构成的模拟信构成的模拟信号号/数字信号（数字信号（A/DA/D）转换电路）转换电路 返回（a a）A/DA/D转换电路转换电路 （b b）AD7896AD7896的内部等效电路的内部等效电路 本讲稿第三十九页，共四十一页图图8-198-19隔离型模拟信号隔离型模拟信号/数字信号数字信号转换（转换（A/DA/D）电路）电路 返回本讲稿第四十页，共四十一页图图8-208-20高精度远程直流传输的高精度远程直流传输的D/AD/A转换电路转换电路 返回本讲稿第四十一页，共四十一页