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1、第九章第九章 数模与模数转换器数模与模数转换器9.1 D/A 转换器转换器9.2 A/D 转换器转换器1 数数/模与模模与模/数转换器换器是计算机与外部设备数转换器换器是计算机与外部设备的重要接口的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要也是数字测量和数字控制系统的重要部件。部件。能将数字量转换为模拟量的装置称为数能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模转模转换器换器(简称简称D/A转换器转换器);能将模拟量转换为数字量能将模拟量转换为数字量的装置称为模的装置称为模/数转换器数转换器(简称简称A/D转换器转换器)。下面，对这两个器件的工作原理及下面，对这两个器件的工作原理及 其简单应用其简单应
2、用做介绍。做介绍。概述概述2 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“权重权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须须将每一位代码按其将每一位代码按其“权重权重”转换成相应的模拟转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转转换器的换器的基本思想基本思想。D/A转换器的电路形式很多转换器的电路形式很多，这里只介绍三这里只介绍三种。种。9.1 D/A 转换器转换器39.1.1 权电阻权电阻D/A转
3、换器转换器 这种转换器由这种转换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权权电阻求和网络电阻求和网络”、“运算放大器运算放大器”和和“基准基准电源电源”等部分组成。等部分组成。Uo =-VREFRFR（）D3D0D1D223202122RFRR/2R/4R/849.1.2 T形形电阻电阻网络网络D/A转转换器换器(以以4位为例位为例)和权电阻网络相比，和权电阻网络相比，T T形电阻网络中电阻的类型少，形电阻网络中电阻的类型少，只有只有R、2R两种，电路构成比较方便。两种，电路构成比较方便。=VREFRF16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)uo-R2R2RRFRR2R2R2R16V10K5
4、图中图中D、C、B、A四点的电位逐位减半四点的电位逐位减半.D 因此，每个因此，每个 2R支路中的电流也逐位减半。支路中的电流也逐位减半。CBA分别从分别从D、C、B、A处向右看的二端网络等效电阻都是处向右看的二端网络等效电阻都是R/2R6I=I3 +I2 +I1 +I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)=URRF16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)uo-7T1T2SDa电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路 当当 D D=1=1 时，时，T T2 2 管管饱和导通，饱和导通，T T1 1 管截止，
5、管截止，则则 S S 与与 a a 点通点通 ；当当 D D=0=0 时，时，T T1 1 管管饱和导通，饱和导通，T T2 2 管截止，管截止，则则 S S 被接地被接地 。前者相当于开关前者相当于开关S 接到接到“1”端端，后者，后者则则 相当于开关相当于开关S 接到接到“0”端端。89.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器99.1.4 D/A转转换器的主要技术指标换器的主要技术指标用输入数字量的有效位数来表示分辨率。用输入数字量的有效位数来表示分辨率。一、一、分辨率分辨率 二、二、转换精度转换精度 通常用通常用非线性误差非线性误差的大小表示的大小表示D/A 转换转换器的线性度。把偏离理
6、想的输入输出特性器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为为非线性误差。非线性误差。三、三、转换速度转换速度101.集成集成D/A转换器转换器AD7533:10位位D/A T形形电阻电阻网络网络 电流输出型电流输出型9.1.5 集成集成D/A转换器转换器 D/A转换器集成电路有多种型号。下面仅以转换器集成电路有多种型号。下面仅以AD7533为例来介绍集成电路为例来介绍集成电路D/A转换器。转换器。11DAC 0832 管脚图管脚图BIT10BIT1：数据输入端：数据输入端Iout2Iout1：电流输出端电流输出端VREF：参考电
7、压端参考电压端,可正可负可正可负RFB：内部反馈电阻内部反馈电阻 输出端输出端UDD/GND：电源：电源122.单极性输出单极性输出:D9D0133.双极性输出双极性输出:D9D020K144.Multisim中的中的DAC:IDAC8/16&VDAC8/1615IDAC&VDAC的使用：的使用：16应用一应用一:可编程放大器可编程放大器(P442)9.1.6 D/A转换器转换器应用应用微控制器微控制器17AD7533可编程放大器可编程放大器(P442)18应用二应用二:任意波发生器任意波发生器(P443)三角三角/锯齿波发生器锯齿波发生器19任意波发生器任意波发生器20应用三应用三:数控电压
8、源数控电压源VO21应用四应用四:数控电流源数控电流源IO22 A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。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。下面先介绍根据其性能不同，类型也比较多。下面先介绍三种三种A/D转换电路转换电路,然后介绍一种常用的然后介绍一种常用的ADC集成集成电路电路,最后举例说明其应用。最后举例说明其应用。9.2 A/D 转换器转换器23 1。取样与保持。取样与保持 9.2.1 A/D 转换器的工作过程转换器的工作过程 模模拟拟电电子子开开关关S在在采采样样脉脉冲冲CPS的的控控制制下下重重
9、复复接接通通、断断开开的的过过程程。S接接通通时时，ui(t)对对C充充电电，为为采采样样过过程程；S断断开开时时，C上上的的电压保持不变，为电压保持不变，为保持过程保持过程。在在保保持持过过程程中中，采采样样的的模模拟拟电电压压经经数数字字化化编编码码电电路路转转换换成成一一组组n位的二进制数输出。位的二进制数输出。24t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出
10、端的电压uo维持不变。252。量化与编码。量化与编码舍尾取整法舍尾取整法260uiVREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二 进 制 代 码 为 d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。9.2.2 并行比较型并行比较型ADC 电路由三部分组成:分压器、比较器、寄存器和编码器。273VREF/14 ui5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编
11、码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。28 这种这种A/D 转换器的优点是转换速度快，缺点转换器的优点是转换速度快，缺点 是是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。29 9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型ADC 其工作原理可用天平秤重作比喻。其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，每个重量
12、分别克，每个重量分别为为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，克，可以用下表步骤来秤量：可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论3010001000D /Aux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uouc控控制制逻逻辑辑数码寄存器数码寄存器移位寄存器移位寄存器时钟时钟清清 0
13、、置数、置数清清 0、置数、置数CP、(移位命令移位命令)“1”状态是否保状态是否保留留控制端控制端原理框图原理框图P45231转转换换开开始始前前先先将将所所有有寄寄存存器器清清零零。开开始始转转换换以以后后，时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1，使使输输出出数数字字为为1000。这这个个数数码码被被D/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压uo，送送到到比比较较器器中中与与ui进进行行比比较较。若若uiuo，说说明明数数字字过过大大了了，故故将将最最高高位位的的1清清除除；若若uiuo，说说明明数数字字还还不不够够大大，应应将将这这一一位位保保留留
14、。然然后后，再再按按同同样样的的方方式式将将次次高高位位置置成成1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1是是否否应应该该保保留留。这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为为止止。比比较较完完毕毕后后，寄寄存存器器中中的的状状态态就就是是所所要要求求的的数数字字量量输输出。出。原原原原理理理理框框框框图图图图基基基基本本本本原原原原理理理理323 3位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器转换器转换器转换器33转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，
15、FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门
16、G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理工作原理工作原理工作原理34基本原理基本原理基本原理基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。原理电路：原理电路：原理电路：原理电路：9.2.4 双积分型双积分型ADC35369.2.5.Multisim中的中的ADC
17、8/1637ADC的用法：的用法：38 9.2.6 A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 一、一、分辨率分辨率：以输出二进制代码的位数表示分：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。辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。二、二、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，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。量输出所需要的时间。三、三、转换精度转换精度：实际转换值和理想特性之间的：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。最大偏差。例如，输入模拟电
18、压的变化范围为例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输，输出出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出；而输出12位二进制数可以分辨的最小模位二进制数可以分辨的最小模拟电压为拟电压为5V2121.22mV。39 9.2.7 集成电路集成电路A/D转换器及其应用转换器及其应用 ADC0809、ADC0804和和ADC0801的的 分辨率均分辨率均为八位为八位,工作原理为逐次逼近型工作原理为逐次逼近型ADC。A/D变换组件有多种型号可供选择，如：高速变换组件有多种型号可供选择，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可的，高分辨率的，
19、高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。根据任务要求进行选择。ICL7106、ICL7107 和和MC14433为双积分型为双积分型ADC。下面以下面以 ADC0804为例为例，介绍集成电路，介绍集成电路A/D转换转换器。器。40+-+-11控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器八八位位三三态态输输出出锁锁存存器器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND.D7D0WRCSINTRRDCSADC0804 内部电路框图内部电路框图CLKRCLKinDGND41CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UC
20、CUR/2DGND1234567891019181716151413121120RDCLKRCLKinINTRU in(+)U in(-)ADC 0804 管脚分布图管脚分布图CS：片选端片选端WR：写入端写入端D7-D0：数据输出端数据输出端INTR：中断请求端中断请求端CLKin：外接时钟端外接时钟端Uin(+)Uin(-)：电压输入端电压输入端UR/2：参考电压端参考电压端RD：读：读出端出端CLKR：内部产生内部产生 时钟端时钟端42控控 制制 端端CSWRRDINTR 对输入模拟对输入模拟信号进行信号进行A/D变换变换 在在WR 上升沿后约上升沿后约 100微秒微秒 变换完成。变换完
21、成。RD=0 时三态门接时三态门接通外部总线通外部总线,RD=1 时三态门处于高阻态。时三态门处于高阻态。当当A/D变换结束时，变换结束时，INTR 自动自动 变低以便通知变低以便通知其它设备其它设备(如计算机如计算机)取取结果，在结果，在RD 前沿后前沿后INTR自动变高。自动变高。读出输出读出输出数字信号数字信号中断请求中断请求功功能能说说明明0043转换时间约转换时间约 100 微秒微秒CSWRINTRRD数据数据读出读出ADC0804 工作时序图工作时序图44A/D转换器电路转换器电路45请自学请自学A/D应用举例应用举例46A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多转换器的功能
22、是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自转换方式具有各自的特点。并联比较型的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。种转换器的优点，因此得到普遍应用。本节小结47