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1、第7章模数数模转换全现在学习的是第1页，共97页7.1 基本概念基本概念将模拟量转换为数字量的过程称为模将模拟量转换为数字量的过程称为模/数数(Analog to Digital)转换，转换，简称简称A/D转换。转换。实现实现A/D转换的电路被称之为模转换的电路被称之为模/数转换器数转换器(Analog to Digital Converter)，简称，简称ADC。把数字量转换为模拟量的过程称作数把数字量转换为模拟量的过程称作数/模模(Digital to Analog)转换，转换，简称简称D/A转换。转换。完成完成D/A转换的电路被称之为数转换的电路被称之为数/模转换器模转换器(Analog
2、 to Digital Converter)，简称，简称DAC。现在学习的是第2页，共97页7.1 基本概念基本概念D/A转换器的种类转换器的种类:二进制权电阻二进制权电阻DAC、R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC及集成及集成DAC器件器件DAC0832。A/D转换器的种类转换器的种类:并联比较型并联比较型ADC、反馈比较式、反馈比较式ADC、双积、双积分型分型ADC和集成和集成ADC器件器件ADC0809。转换精度和转换速度是评价转换精度和转换速度是评价A/D转换器和转换器和D/A转换器性能优劣转换器性能优劣的主要指标。一方面，为了保证数据处理结果的准确性，的主要指标。一方面，为了保证
3、数据处理结果的准确性，D/A转换器和转换器和A/D转换器必须有足够的转换精度；另一方面，转换器必须有足够的转换精度；另一方面，为了适应快速过程的控制和检测的需要，为了适应快速过程的控制和检测的需要，A/D转换器和转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。转换器还必须有足够快的转换速度。现在学习的是第3页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.1 二进制权电阻二进制权电阻DAC 一个多位二进制数中每一位所代表的数值大小称为这一位的一个多位二进制数中每一位所代表的数值大小称为这一位的权。权。实现数实现数/模转换的基本方法是用电阻网络将数字量按照每位数码模转换的基本方法是用电阻网
4、络将数字量按照每位数码的权转换成相应的模拟量，然后用求和电路将这些模拟量相加的权转换成相应的模拟量，然后用求和电路将这些模拟量相加完成数完成数/模转换。模转换。DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，常用的是二进的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制制码。输入可以是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制数。数。现在学习的是第4页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.1 二进制权电阻二进制权电阻DAC四位二进制权电阻DAC RFVREFS3S2S1S0+A20R21R22R23Ra3a2a1a0现在
5、学习的是第5页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.1 二进制权电阻二进制权电阻DAC由图71可以得到当输入的数字量超过4位时，每增加一位只要增加一个模拟开关和一个电阻即可。对于n位权电阻DAC有：现在学习的是第6页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.1 二进制权电阻二进制权电阻DAC在运算放大器为理想的条件下可以得到 权电阻DAC的优点是电路简单，但当位数较多时，电阻的值域范围太宽。例如，一个12位的权电阻DAC，=10V，最高位权电阻阻值为1k，则最低位权电阻阻值为2111k=2048k=2.048M。由于对高位权电阻的精度和稳定性要求较高，使得制
6、作含有阻值大、精度要求又高的集成电路很困难。现在学习的是第7页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC如图如图7-2所示。它只有所示。它只有R和和2R两种电两种电阻，克服了二进制权电阻阻，克服了二进制权电阻DAC电阻范围宽的缺点。图中的电阻范围宽的缺点。图中的S3S0为模拟开关，受为模拟开关，受DAC输入数字量输入数字量a3a0的控制。的控制。ai=1时，时，Si接运接运算放大器的虚地端；算放大器的虚地端；ai=0时，时，Si接地。接地。可见，在这个电路的各个支路中，无论输入数字量是可见，在
7、这个电路的各个支路中，无论输入数字量是0或或1，开关，开关Si均相当于接地，因此均相当于接地，因此Si无论是接地或接虚地端，流入每无论是接地或接虚地端，流入每个个2R支路的电流都是不变的。支路的电流都是不变的。现在学习的是第8页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC图72 倒T型电阻网络DAC0i2iAiBS10IRRRR 110iCi3i1i0VREFS3S2S0IR16RF2R2R2R2R2R+iI110ABCDAiF现在学习的是第9页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻
8、网络DAC由A、B、C、D各节点向下和向右看的两条支路的等效电阻都是2R，各节点到地的等效电阻则为R。所以每条支路的电流都是流入其左侧节点电流的一半。由上述分析可以写出图72中各支路的电流为：现在学习的是第10页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC考虑到数字量的控制作用，流入运算放大器的电流可写作：对于n位倒T型电阻网络DAC，可以写出现在学习的是第11页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC由于，所以T型网络DAC除了具有电路简单、电阻种类少的特点外，还具有转化速
9、度快的特点。这是由于在电路中，各支路电流不变，所以不需要电流建立时间。因此T型网络DAC是目前使用最多、速度较快的一种。【例71】已知倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=8V，试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压(即在DAC的输入数字量中只有最低有效位为1时的输出电压)和最大输出电压(即在DAC的输入数字量中各有效位都为1时的输出电压)的数值。现在学习的是第12页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC解解：(1)最小输出电压，即在DAC的输入数字量中只有最低有效位时的输出电压。四位DAC(n=4)的最小输出电压为：八位D
10、AC(n=8)的最小输出电压为：(2)最大输出电压，即在DAC的输入数字量中各有效位都为1时的输出电压。四位DAC(n=4)的最小输出电压为：八位DAC(n=8)的最小输出电压为：现在学习的是第13页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC【例72】已知倒T型电阻网络DAC的RF=2R，VREF=V，试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压Vomin的数值。解解：与【例71】类似，可以写出四位DAC的最小输出电压为：八位DAC的最小输出电压为：现在学习的是第14页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.3 DAC的
11、主要技术指标的主要技术指标1.分辨率分辨率 DAC常用分辨率来表示分辨最小电压的能力。分辨率等于DAC所能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比。最小输出电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压，最大输出电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压，于是分辨率=现在学习的是第15页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标2.转换误差转换误差 在在DAC的各环节中，不可避免地会出现误差。转换误的各环节中，不可避免地会出现误差。转换误差常用满刻度差常用满刻度FSR(Full Scale Range)的百分数来表示。的百分数来表示。DAC产生
12、的误差主要与参考电压产生的误差主要与参考电压VREF的波动、运算放的波动、运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差以及模拟开关的导大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差以及模拟开关的导通电阻和导统电压的变化等相关。通电阻和导统电压的变化等相关。现在学习的是第16页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标3.建立时间通常用建立时间来定量描述数模转换器的转换速度。建立时间是指数字信号由全1变为全0或由全0变全1起，直到输出模拟信号电压达到稳态值 1/2LSB范围以内的这段时间。图 73 DAC的建立时间V00t+0.5LSB稳态值tset现在
13、学习的是第17页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标【例73】若DAC的最大输出电压为10V，要想使转换误差在10mV以内，应选多少位DAC？解：要想转换误差在10mV以内，就必须能分辨出10mV电压。本题中，最小输出电压为10mV，最大输出电压为10V，可以写出分辨率=，所以，根据分辨率与精度的关系，至少需要10位DAC，若考虑其它因素，需选12位DAC。现在学习的是第18页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.4 集成集成DAC 集成集成DAC电路的种类很多。按照输出方式的不同，集成电路的种类很多。按照输出方式
14、的不同，集成DAC电路分为电流输出电路分为电流输出DAC和电压输出和电压输出DAC；按照输入方式的；按照输入方式的不同，集成不同，集成DAC电路可分为并行输入电路可分为并行输入DAC和串行输入和串行输入DAC。DAC的芯片型号繁多，如美国国家半导体公司的芯片型号繁多，如美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)生产的生产的8位电流输出、并行输入的位电流输出、并行输入的DAC0832，美国模拟器件公司，美国模拟器件公司(Analog Devices,Inc.,简称简称ADI)生产的生产的12位串行输入、电流输出的位串行输入、电流输出的AD7543等
15、。等。现在学习的是第19页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.4 集成集成DAC1.DAC0832(1)电路结构电路结构DAC0832是并行输入、电流输出的数是并行输入、电流输出的数/模转换电路，它也模转换电路，它也可以连成电压输出型。它是采用可以连成电压输出型。它是采用CMOS工艺制成的工艺制成的20引脚双列直插式引脚双列直插式8位位D/A转换器。转换器。现在学习的是第20页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832 八位输入寄存器 八位 DAC 寄存器八位DACDDDDQQQQ1314151645678121193102019121817DI7D
16、I0(MSB)(LSB)ILECSWR1WR2XFERVREFIO2IO1RfbAGNDVCCDGND74 DAC0832集成模/数转换器结构框图框图&DI6DI5D7D7DI2DI1DI3D7现在学习的是第21页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832 DAC0832内包含两个数字寄存器：八位输入寄存器和八位内包含两个数字寄存器：八位输入寄存器和八位DAC寄存器，寄存器，故称为双缓冲方式。两个寄存器可以同时保存两组数据，可以先将八位输入故称为双缓冲方式。两个寄存器可以同时保存两组数据，可以先将八位输入数据保存到输入寄存器中，当需要转换时，再将此数据由输入寄存器送到数据
17、保存到输入寄存器中，当需要转换时，再将此数据由输入寄存器送到DAC寄存器中锁存并进行寄存器中锁存并进行D/A转换输出。转换输出。采用双缓冲方式的优点：采用双缓冲方式的优点：1.可以防止输入数据更新期间模拟量输出出现不稳定的情况；可以防止输入数据更新期间模拟量输出出现不稳定的情况；2.可以在模拟量输出的同时将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中，从而可以在模拟量输出的同时将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中，从而提高了转换速度；提高了转换速度；3.可以同时更新多个可以同时更新多个D/A转换的输出，为有多个转换的输出，为有多个D/A转换器件的系统、多处理转换器件的系统、多处理系统中的系统中的
18、D/A器件协调一致地工作带来了方便。器件协调一致地工作带来了方便。现在学习的是第22页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832IO1是是正正比比于于参参考考电电压压和和输输入入数数字字量量的的电电流流，而而IO2是是正正比比于于输输入入数数字字量量的的反反码码，即：即：用用电电压压方方式式工工作作时时，参参考考电电压压接接到到一一个个电电流流输输出出端端(二二进进制制原原码码接接IO1端端，反反码码接接IO2端端)，输输出出电电压压从从原原来来的的VREF端端得得到到，如如图图7-5(b)所所示示。为为了了减减小小输输出出电阻，增加驱动能力，通常用运算放大器作缓冲。电阻
19、，增加驱动能力，通常用运算放大器作缓冲。DAC0832的主要特点如下：的主要特点如下：可与所有八位微处理器直接相连；可与所有八位微处理器直接相连；输入数字量为八位二进制代码；输入数字量为八位二进制代码；逻辑电平与逻辑电平与TTL电平兼容；电平兼容；电流建立时间为电流建立时间为1us。现在学习的是第23页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832图75 R2R梯形网络连接方式现在学习的是第24页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832 图76 DAC0832集成模/数转换器引脚排列1234567891011121314151617181920CSWR
20、1WR2GNDVCCDI3DI2DI1DI0DI4DI5DI6DI7IO2IO1VREFRfbGNDILEXFERDI0DI7：八位数字量输入。：八位数字量输入。DI0为最低位，为最低位，DI7为最高位。为最高位。Io1：电流输出端：电流输出端1。DAC寄存器输出全寄存器输出全1时，时，输出电流最大，输出电流最大，DAC寄存器输出全为寄存器输出全为0时，输出电时，输出电流为流为0。电压型电阻网络时接参考电压。电压型电阻网络时接参考电压。Io2：电流输出端：电流输出端2。Io1+Io2=VREF/R=常数。常数。电压型电阻网络时接地。电压型电阻网络时接地。Rfb：反馈电阻端。芯片内部接反馈电阻的
21、：反馈电阻端。芯片内部接反馈电阻的一端，电阻的另一端与一端，电阻的另一端与Io1相连；与运放连接时，相连；与运放连接时，Rfb接输出端，接输出端，Io1接反向输入端。接反向输入端。VREF：参考电压输入端，一般接：参考电压输入端，一般接-10V+10V范范围内的参考电压。电压型电阻网络时作电压输出端。围内的参考电压。电压型电阻网络时作电压输出端。VCC：电源电压，一般接：电源电压，一般接+15V电压。电压。AGND：模拟信号地。：模拟信号地。DGND：数字信号地。：数字信号地。现在学习的是第25页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832 直通方式直通方式:DAC处于直通
22、方式，处于直通方式，8位数字量一旦到达位数字量一旦到达D7D0输入端，就立即加输入端，就立即加到到8位位D/A转换器，被转换成模拟量。转换器，被转换成模拟量。单缓冲方式单缓冲方式:只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存器数据，锁存器数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。就可处于单缓冲工作方式。双缓冲方式双缓冲方式:主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的D/A转换。转换。DAC0832可处于三种不同的工作方式：可处于三种不同的工作方式：现在学习的是第26页，共97页7.2 数数/模转换器模转
23、换器(DAC)AD7543AD7543是是美美国国模模拟拟器器件件公公司司生生产产的的12位位CMOS单单片片串串行行输输入入的的数数/模模转转换换器器，它它是是电电流流输输出出DAC器器件件，其其结结构构框框图图如如图图7-7所所示示。它它由由12位位D/A转转换换电电路路、寄寄存存器器B、移移位位寄寄存存器器A和和控控制制门门构构成成，其其中中移移位位寄寄存存器器A实实现现数数据据串进、并出的转换。它的引脚排列图如图串进、并出的转换。它的引脚排列图如图7-8所示。所示。现在学习的是第27页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)AD754312位D/A转换电路寄存器B移位寄存器A
24、1591311583104167121412312位D/A转换电路寄存器B移位寄存器A图77 AD7543的结构框图131112VREFLD1LD2STB1OUT1STB3STB2RfbSTB4OUT2AGNDSRIVDDDGNDCLR现在学习的是第28页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)AD7543891234567161011121314152OUT1OUT2AGNDSTB1LD1NCSRISTB 图78 AD7543的引脚排列图LD2RfbVDDCLRSTB4STB3DGNDVREFAD7543现在学习的是第29页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)AD75
25、43 AD7543只有一个数据输入端只有一个数据输入端SRI，在选通信号的控制下，在选通信号的控制下，12位数位数字量由高位到低位逐次一位一位地从端移入字量由高位到低位逐次一位一位地从端移入12位移位寄存器位移位寄存器A。移。移位寄存器位寄存器A每接收到门每接收到门2输出的一个脉冲上升沿，数字量就向输出的一个脉冲上升沿，数字量就向左移一位。当左移一位。当12位数字量全部进入移位寄存器位数字量全部进入移位寄存器A后，在且控制信号后，在且控制信号时，移位寄存器时，移位寄存器A所存的数字量被送入寄存器所存的数字量被送入寄存器B。然后经过。然后经过12位位D/A转换电路，输出模拟量。的时候，寄存器转换
26、电路，输出模拟量。的时候，寄存器B被复位，使其被复位，使其内容为内容为000H(H代表十六进制代表十六进制)。表。表7-1列出了列出了AD7543的控制功的控制功能。能。由于由于AD7543是电流输出是电流输出DAC，所以需要外加比例放大器才能，所以需要外加比例放大器才能得到电压输出。得到电压输出。现在学习的是第30页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)AD7543 AD7543输入信号AD7543状态A 寄存器选通B 寄存器寄存 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 在SRI输入端的数据移入A寄存器注：电平上升 电平下降1 0 1 1寄存器A无操作0 清除寄存器B，使
27、其内容为000H1 1 1 1寄存器B无操作1 0 0寄存器A内容输入寄存器B表71 AD7543的控制功能表现在学习的是第31页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)7.2.5 D/A转换器应用举例转换器应用举例DAC0832和单片机直通方式的应用和单片机直通方式的应用在小型控制系统中，多采用单片机为控制器件，经过单片机在小型控制系统中，多采用单片机为控制器件，经过单片机处理的数字量应用到实际系统中时，一般需要进行数处理的数字量应用到实际系统中时，一般需要进行数/模转换。模转换。这里介绍一种这里介绍一种DAC0832和单片机和单片机AT89C51采用直通方式连接的采用直通方式连接
28、的应用电路。应用电路。运放输出电路输出电压为 ，其中D为由D7D6D5D4D3D2D1D0决定的数字量。图中向DAC0832传送的8位数据量为40H(01000000B),则输出电压 输出过程由单片机控制。现在学习的是第32页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832和单片机直通方式的应用和单片机直通方式的应用DP1.0P1.1P1.2P1.3P1.5P1.4P1.6P1.7GNDAT89C51RfbIO1IO2GNDVREFVCCDGNDDAC 0832D0D1D2D3D5D4D67XFERCSWR1WR2ILEGND+1212765416151413171218201
29、9911123Vout(0V5V)uA 7412010+5+P1D 图79 单片机和DAC0832直通方式输出连接图VCC+5现在学习的是第33页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)数控增益放大器数控增益放大器VOUTDAC0832AIO2IO1D7D7D6D5D4D3D2D1D0VREF710数控增益放大器电路VINRfb现在学习的是第34页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)数控增益放大器数控增益放大器图图7-10是一个由是一个由 DAC0832和运算放大器和运算放大器 A构成的数控增益放大器电路。其构成的数控增益放大器电路。其中，中，D代表输入数字量且其所代表
30、的十进制数为代表输入数字量且其所代表的十进制数为D7D6D5D4D3D2D1D0。根据图中电路的连接关系和。根据图中电路的连接关系和DAC0832中倒中倒T型电阻网络的特点，型电阻网络的特点，可以得到以下表达式：可以得到以下表达式：所以得到放大器的增益 现在学习的是第35页，共97页7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)由由(7-22)式可以看出，放大器处于反相放大状态，增益式可以看出，放大器处于反相放大状态，增益的大小随的大小随DAC0832输入数字量的变化而改变，与输人数字量的输入数字量的变化而改变，与输人数字量的大小成反比。当输入的数字量为大小成反比。当输入的数字量为0时，相当于开环，
31、放大器处于时，相当于开环，放大器处于饱和状态。饱和状态。与普通的放大器相比，这种数控增益放大器具有电路简单、调整方便、与普通的放大器相比，这种数控增益放大器具有电路简单、调整方便、使用灵活等突出优点。使用灵活等突出优点。数控增益放大器数控增益放大器现在学习的是第36页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)7.3.1模模/数转换的基本过程数转换的基本过程ADCADC的输入信号为模拟量，而输出信号为数字量。一的输入信号为模拟量，而输出信号为数字量。一般在进行模般在进行模/数转换时，要按一定的时间间隔，对模拟信数转换时，要按一定的时间间隔，对模拟信号进行采样，然后再把采样得到的值转换为数
32、字量。因此，号进行采样，然后再把采样得到的值转换为数字量。因此，模模/数转换的基本过程由采样、保持、量化和编码组成。数转换的基本过程由采样、保持、量化和编码组成。通常，采样和保持两个过程由采样通常，采样和保持两个过程由采样保持电路完成，保持电路完成，量化和编码又常在转换过程中同时实现。量化和编码又常在转换过程中同时实现。现在学习的是第37页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)采样与保持采样与保持采样就是按一定时间间隔采集模拟信号的过程。采样就是按一定时间间隔采集模拟信号的过程。由于由于A/DA/D转换过程需要时间，所以采样得到的转换过程需要时间，所以采样得到的“样值样值”在在A/
33、DA/D转换期间就不能改变，因此对采样得到的信号转换期间就不能改变，因此对采样得到的信号“样值样值”就就需要保持一段时间，直到进行下一次采样。需要保持一段时间，直到进行下一次采样。现在学习的是第38页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)采样与保持采样与保持采样保持的原理电路图如图采样保持的原理电路图如图7-11(a)7-11(a)所示。其中，开关所示。其中，开关S S受采样受采样信号信号vSvS的控制：当的控制：当vSvS为高电平时，为高电平时，S S闭合；当闭合；当vSvS为低电平时，为低电平时，S S断开。断开。S S闭合时为采样阶段，闭合时为采样阶段，vO=vIvO=vI；
34、S S断开时为保持阶段，此断开时为保持阶段，此时由于电容无放电回路，所以时由于电容无放电回路，所以vOvO保持在上一次采样结束时保持在上一次采样结束时输入电压的瞬时值上。输入电压的瞬时值上。图图7-11(b)7-11(b)是采样保持电路输入、输出及采样信号的波形图。是采样保持电路输入、输出及采样信号的波形图。将将A/DA/D转换输出的数字信号，再进行转换输出的数字信号，再进行D/AD/A转换，得到的模拟信转换，得到的模拟信号与原输入信号的接近程度，与采样频率密切相关。号与原输入信号的接近程度，与采样频率密切相关。现在学习的是第39页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)采样与保持采
35、样与保持0t0tvOvOvIvIvS图711采样保持原理电路图与波形图 (a)原理电路图(b)波形图(b)vIvSvo(a)SC现在学习的是第40页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)采样定理采样定理由图由图7-127-12可见，要使采集的信号样值逼真地反映出原来模拟信可见，要使采集的信号样值逼真地反映出原来模拟信号的变化规律，采样频率必须满足一定的要求。采样频率要根据号的变化规律，采样频率必须满足一定的要求。采样频率要根据采样定理来确定。采样定理来确定。采样定理：只有当采样频率采样定理：只有当采样频率fSfS大于或等于模拟信号最高频率大于或等于模拟信号最高频率分量分量fmaxf
36、max的的2 2倍时倍时(fS2fmax)(fS2fmax)，所采集的信号样值才能不，所采集的信号样值才能不失真地反映原来模拟信号的变化规律。例如，若被采样信失真地反映原来模拟信号的变化规律。例如，若被采样信号的最高频率分量的频率为号的最高频率分量的频率为100Hz100Hz，则采样频率应该不低于，则采样频率应该不低于200Hz200Hz。现在学习的是第41页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)采样定理采样定理图 712 对输入模拟信号的取样tvtvtt现在学习的是第42页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)常用的几种采样保持电路常用的几种采样保持电路采样保持电路种
37、类很多，图采样保持电路种类很多，图7-137-13是三种常用的采样保持是三种常用的采样保持电路。分别由采样开关电路。分别由采样开关T T、存储信息的电容、存储信息的电容C C和缓冲放大和缓冲放大器器A A等几个部分组成。等几个部分组成。现在学习的是第43页，共97页7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)常用的几种采样保持电路常用的几种采样保持电路vO(t)vI(t)vS(t)T+A(a)CvO(t)vI(t)vS(t)T+A2(c)C+A1图713 三种常用的采样保持电路(a)基本采样保持电路 (b)R2CV+IV+时，输出为时，输出为0 0，否则输出为，否则输出为1 1。经优先编码器。经优
38、先编码器7414874148编码后便得到二进制代码输出。编码后便得到二进制代码输出。7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)REF现在学习的是第55页，共97页7.3.2 并联比较型并联比较型ADCVREF=+8V数字输出图716 并行ADC原理图+1k1k1k1k1k1k1k1kvI6V7V5V4V3V2V1V7654321V+VDQQ1F1DDQQ6F6DDQQ5F5DDQQ4F4DDQQ3F3DDQQ2F2DDQQ7F7DCP 编 码 电 路d2d1d0现在学习的是第56页，共97页7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC反馈比较法的基本思想是：每次取一个数字量加到反馈比较法的基本思想是：
39、每次取一个数字量加到DACDAC，经，经D/AD/A转换便得到一个模拟电压，用这个模拟电压和被转换的输转换便得到一个模拟电压，用这个模拟电压和被转换的输入模拟量进行比较，直到两个模拟电压相等为止，最后所取入模拟量进行比较，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得的这个数字量就是所求的转换结果。得的这个数字量就是所求的转换结果。7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)现在学习的是第57页，共97页7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC7.3 模模/数转换器数转换器(ADC)反馈比较方法与用天平称量重物原理类似。例如，一个天平反馈比较方法与用天平称量重物原理类似。例如，一个天平有有1515个个1g1g
40、的砝码。用此天平称一个小于的砝码。用此天平称一个小于15g15g的重物，可以用两种方的重物，可以用两种方法完成：一是每次加一只法完成：一是每次加一只1g1g砝码直至天平平衡为止；二是每次砝码直至天平平衡为止；二是每次分别添加分别添加8 8个、个、4 4个、个、2 2个、个、1 1个个1g1g的砝码，通过比较实现对重物的砝码，通过比较实现对重物的称量。基于上述两种比较方法，的称量。基于上述两种比较方法，ADCADC有计数型有计数型ADC(ADC(同第一种同第一种比较方法比较方法)和逐次逼近型和逐次逼近型ADC(ADC(同第二种比较方法同第二种比较方法)。现在学习的是第58页，共97页图图7-17
41、7-17是计数型是计数型ADCADC的原理图，它由比较器的原理图，它由比较器A A、计数器、计数器、D/AD/A转换转换器及器及D D触发器等组成。触发器等组成。7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC1.计数型计数型ADC工作原理：工作原理：在工作前，需按下启动按钮在工作前，需按下启动按钮T T，将位计数器清零。此时位，将位计数器清零。此时位DACDAC输出输出vOvO为为0V0V，低于在比较器，低于在比较器A A同相输入端输入的模拟电压同相输入端输入的模拟电压vIvI，比较器，比较器A A输出输出高电平，与门打开，时钟脉冲通过与门送入八位计数器。高电平，与门打开，时钟脉冲通过与门送入八位计数
42、器。现在学习的是第59页，共97页7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC1.计数型计数型ADCDACDAC的输出电压随着计数器所计数字的增加而增加。当的输出电压随着计数器所计数字的增加而增加。当DACDAC输出电压输出电压vOvO刚刚超过输入电压刚刚超过输入电压vIvI时，比较器的输出由高电时，比较器的输出由高电平变为低电平，与门被禁止，计数器停止计数。此时计数器所平变为低电平，与门被禁止，计数器停止计数。此时计数器所计数字恰好与输入电压计数字恰好与输入电压vIvI相对应，在比较器输出由高电平变为相对应，在比较器输出由高电平变为低电平时，计数器的输出被送入位低电平时，计数器的输出被送入位D D
43、触发器。这时，位触发器。这时，位D D触发器的输出就是与输入模拟电压触发器的输出就是与输入模拟电压vIvI相对应的二进制数输出量。相对应的二进制数输出量。工作原理：工作原理：现在学习的是第60页，共97页7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC1.计数型计数型ADCCLRVREFD0D1D2D3D4D5 D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5 Q6Q7vIvO+八位DAC八位计数器启动开关T 八D触发器数据输出时钟10k+5VCP图717 计数型ADCA&现在学习的是第61页，共97页图图7-187-18为八位逐次逼近为八位逐次逼近(逐次比较逐次比较)ADC)ADC的原理图。它由比较器、逐的原理图。它
44、由比较器、逐次逼近寄存器次逼近寄存器(SAR)(SAR)、DACDAC、输出寄存器、参考电压、输出寄存器、参考电压VREFVREF与时钟脉冲与时钟脉冲CPCP组成。与计数型组成。与计数型ADCADC类似，逐次逼近类似，逐次逼近ADCADC由内部产生一个数字量送由内部产生一个数字量送给给DACDAC，DACDAC输出的模拟量与输入的模拟量进行比较。当二者匹配时，输出的模拟量与输入的模拟量进行比较。当二者匹配时，其数字量恰好与待转换的模拟信号相对应。逐次逼近型其数字量恰好与待转换的模拟信号相对应。逐次逼近型ADCADC与计数与计数型型ADCADC的区别在于逐次逼近的区别在于逐次逼近ADCADC是采
45、用自高位到低位逐次比较计数的是采用自高位到低位逐次比较计数的方法。方法。2逐次逼近型逐次逼近型ADC7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC现在学习的是第62页，共97页2逐次逼近型逐次逼近型ADC7.3.3 反馈比较式反馈比较式ADC图718逐次逼近型ADC的框图Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0D6D7D5D4D3D2D1D0vOVREFvI+CPCPDRSTARTMSBLSB逐次比较寄存器SAR时钟八位DAC 输出寄存器数字输出A现在学习的是第63页，共97页工作原理：工作原理：启动信号到来时，启动信号到来时，=0=0，SARSAR清零，转换过程开始。第一个时清零，转换过程开始。第一个时钟脉
46、冲到来时，钟脉冲到来时，SARSAR最高位置最高位置1 1，即，即D7=1D7=1，其余位为，其余位为0 0。SARSAR所存数据所存数据(10000000)(10000000)经经DACDAC转换后得到输出电压转换后得到输出电压vO,vO,其与其与vIvI进行比较。若进行比较。若vOvIvOvI，则，则SARSAR重新置重新置0 0，D7=0D7=0，SARSAR为为0000000000000000；若；若vOvIvOvIvOvI，D6=0D6=0；若；若vOvIvOvO(5V)vI(7.32V)vO(5V)，所以最高位保持所以最高位保持1 1不变，不变，SARSAR中的数据为中的数据为10
47、00000010000000。第二个第二个CPCP到来，到来，SARSAR次高位置次高位置1 1，SARSAR的输出为的输出为1100000011000000，经，经DACDAC转转换后，换后，vO=5+2.5V=7.5VvO=5+2.5V=7.5V。因为。因为vO(7.5V)vI(7.32V)vO(7.5V)vI(7.32V)，所以次高位，所以次高位重新置重新置0 0，SARSAR中的数据为中的数据为1000000010000000。【例例7-4】现在学习的是第67页，共97页第三个第三个CPCP到来时，到来时，SARSAR输出为输出为1010000010100000，经，经DACDAC转换
48、后，转换后，vO=5+1.25V=6.25VvO=5+1.25V=6.25V。因为。因为vO(6.25V)vI(7.32V)vO(6.25V)1现在学习的是第89页，共97页7.3.6 集成集成ADC2ADC0804的引脚及其功能的引脚及其功能134567891020191817161514131211CSRDWRINTRVin(+)Vin()GND AVREF/2GND D 图723 ADC0804 引脚排列图D7VCCCLKRD0D1D2D3D4D5D6CLK IN2：片选端，低电平有效。：片选端，低电平有效。：输出使能端，低电平有效。：输出使能端，低电平有效。：转换启动端，低电平有效。：
49、转换启动端，低电平有效。CLK INCLK IN：外部时钟输入端，当使用内部：外部时钟输入端，当使用内部时钟时，该端接定时电容。时钟时，该端接定时电容。V Vinin(+)(+)、V Vinin(-)(-)：差分模拟电压输入端，：差分模拟电压输入端，当单端输入时，一端接地，另一端接输入当单端输入时，一端接地，另一端接输入电压。电压。现在学习的是第90页，共97页 ：转换结束时输出低电平。：转换结束时输出低电平。GND AGND A：模拟信号地。：模拟信号地。V VREFREF/2/2：参考电压任选端。悬空时，由内：参考电压任选端。悬空时，由内部电路和部电路和V VREFREF产生产生2.5V2
50、.5V的电压值，若该端接的电压值，若该端接外加电压时，可改变模拟电压输入范围。外加电压时，可改变模拟电压输入范围。GND DGND D：数字信号地。：数字信号地。V VCCCC：电源端，也作为基准电压。：电源端，也作为基准电压。CLK RCLK R：接内部时钟的定时电阻。：接内部时钟的定时电阻。D D0 0D D7 7：数字量输出。：数字量输出。7.3.6 集成集成ADC2ADC0804的引脚及其功能的引脚及其功能134567891020191817161514131211CSRDWRINTRVin(+)Vin()GND AVREF/2GND D 图723 ADC0804 引脚排列图D7VCC