第16章模拟量和数字量的转换

1、第16章 模拟量和数字量的转换学习目标（1）掌握数-模、模-数转换的基本概念和转换原理；（2）了解数-模、模-数转换常用芯片的使用方法。在现代控制、通信和检测技术领域中，广泛采用计算机对信号进行运算、处理。实际的控制对象大多数是模拟量，例如，利用各种传感器将压力、温度、湿度、速度等非电量转换而来的电信号都属于模拟量。为了使计算机或数字式仪表等能识别这些信号，必须通过模数转換器（简称A/D转換器或ADC）把它们转换成数字量。经过处理的数字量还要再通过数模转换器（简称D/A转换器或DAC）转换成模拟量，才能对被控制的模拟量系统进行控制。上述过程可用图16.l表示。图16.1实际控制系统信号得转换过

2、程16.1 D/A转换器16.1.1 D/A转换器的组成和工作原理1. D/A转换器的组成在集成D/A转换器中，权电流型D/A转换器的转换速度快，转换精度高，是较常用的一种转换器。下面以4位权电流型D/A转换器为例，说明D/A转换的组成和原理。图16.2所示是权电流型D/.A转换器的原理图，它由以下凡部分组成。（l）T型电阻网络由若干电阻组成的电阻网络。要求R和2R具有相当高的精度。（2）模拟开关S3S0是模拟开关。模拟开关的导通压降要尽可能小且相等。模拟开关的状态受输入数字d3-d0的控制，若某位数字为1，则开关合向l侧；若数字为0，则开美合向0侧。图16.2中的开关都合向1侧，说明数字d3

3、d0均为1。（3）电流求和及电流电压转换电路对模拟开关S3So，当开关合向1侧时，其所在支路的电流流向运算放大器的反相输入端（即成为I01的一部分）；当开关合向0侧时，其所在支路的电流流向运算放大器的同相输入端（即成为I02的一部分）。I01是数字量为1对应的几个支路电流的和。I01与电阻RY的乘积就是D/A转换器输出的模以电压。图16.2 T型电阻网络D/A转换器的原理图（4）基准电压URVR是由具有极高稳定度的电源供电的，它是D/A转换器的基准电压。（5）数码寄存器数码寄存器用于寄存待转换的数码。2. D/A转换器的原理图16.2中的运算放大器接成反相比例运算电路。根据虚地的概念，反相端与

4、同相端等电位，即为地电位。由此可知，无论模拟开关合向0侧还是合向1侧，与各开关相接的2R电阻都接地， 所以流经各2R电阻的电流与开关的位置无关。 因此，在分析计算时， 可以将电阻网络等效为图16.3所示的电路。图16.2 T型电阻网络D/A转换器的原理图图16.3 T型电阻网络的等数电路在图16.3所示的电路中，由0-0'，1-1'，2-2'，3-3'看进去的等效电阻均为R，所以电阻网络的总电流I=UR/R，而各支路电流有如下关系I3=UR2R，I2=UR4R，I1=UR8R，I0=UR16R上述各式可写成如下形式I3=UR21R，I2=UR22R，I1=UR2

5、3R，I0=UR24R于是，总电流I为I=UR24Rd323+d222+d122+d020（16.1）式中，括号里各项的值取决于dI是1还是0。当d3，d2，dI，do都是1时，I=I01。放大器的输出电压可表示为U0=-URRF24Rd323+d222+d122+d022（16.2）当，RF=R，二进制数为 ，n位时，U0可表示为U0=-UR2ndn-12n-1+dn-22n-2+d020（16.3）式（16.3）说明， D/A转换器输出的模拟量与输人的数字量成正比。例如，用 D/A转换器将8位二进制数10l0l010转换为模拟量，设UR=8V， RF=R，其转换结果为U0=-82827+2

6、5+23+21=-812+123+125+127=-5.3125V 集成D/A转换器的芯片种类很多。例如，倒T型电阻网络的D/A转换器有：AD7520（其输入二进制数为10位），DAC1210（12位）等，权电流型D/A转换器有：AD 1408，DAC 0806，DAC 080S等。图16.4所示是AD 7520的引脚排列及外部接线。图16.4 集成 D/A转换器 AD7520 的引脚及与外部电路的连接16. 1 .2 D/A转换器的主要技术指标1. 分辨率D/A转换器的分辨率是用其输出的最小模拟电压与最大模拟电压的比来表示的。最小输出模拟电压对应二进制数的1，最大输出模拟电压对应二进制数的所

7、有位全为1。由于输出模拟量与输入的数字量成正比，所以也可以用两个数字量的比来表示分辨率。例如，l0位二进制数进行D/A转换的分辨率可表示为1210-1=110230.001分辨率用于表示D/A转换器对微小输入量变化的敏感程度，因此分辨率还可以被定义为其模拟输出电压可能被分离的等级。输入数字量的位数越多，输出模拟电压的可分离等级越多，所以也可以用输入二进制数的位数来表示分辨率。二进制数的位数越多，分辨率越高。2. 转换精度D/A转换器的精度是指其输出的模拟电压的实际值与理想值之间的差。D/A转换器中各元件的参数值存在误差，基准电压的不稳定、运算放大器的零点漂移等因素都会影响其转换精度。显然，要想

8、获得高精度的D/A转换，不仅要选择位数较多的、分辨率高的D/A转换器及高稳定度的基准电压，还要选择低零点漂移的运算放大器。3. 输出电压（电流）的建立时间从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流达到稳定值所用的时间，称为建立时间。当D/A转换器输人的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到该数字量所对应的值，它需要一段时间。单片D/A转换器的建立时同最短可在0.1µs以内。4. 电源抑制比输出电压的变化与相对应的电源电压的变化之比，称为电源抑制比。此外，D/A转换器还有线性度、温度系数、功率消耗等技术指标。16.2 A/D转换器A/D转换器的类型很多。本节以逐次逼近型A/D转换器为

9、例，说明 A/D转换器的工作原理。16.2. 1 逐次逼近型 A/D转换器的组成和工作原理逐次逼近型A/D转换器的原理与通常用接码秤物体质量的过程相似。例如，使用8g，4g，2g和1g的砝码称13g的物体时，其过程可参见表16.1。表16.1 逐次逼近法称物的过程从表16.1可见，在用逐次逼近的方法秤物的过程中，每次试探性地加一个砝码，根据实际情况决定该次加的砝码是留下还是移去，直到砝码与物重相等为止。逐次逼近型A/D转换器就是仿照这个称物的思路设计出来的。这种A/D转换器是把输入的模拟信号电压与不同数字量转换而来的模拟电压进行比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟电压的对应值。1.

10、 逐次逼近型A/D转换器基本组成图16.5所示是n位逐次逼近型 A/D转换器基本组成的框图。图中虚线框内为 A/D转换器，虚线框外为 A/D转换器的外部电路。图16.5逐次逼近型A/D转换器的基本组成（1）n位逐次逼近型A/D转换器的组成 转换控制信号由转換控制信号来控制A/D转换器有序地工作。 顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器的作用是，产生在时间上有先后顺序的脉冲信号，使A/D转换器的转换工作能有序地进行。顺序脉冲发生器可由移位寄存器或计数器构成，其工作原理可参考第14章中的图14.12（b）。 D/A转换器D/A转换器的作用是，把逐次逼近寄存器中的数字量转换成模拟电压，并将其输出的模拟电压UA

11、传送到电压比较器的输入端。 电压比较器电压比较器的作用是，将输人的模拟电压UX与D/A转换器的输出电压，UA进行比较，并将比较结果提供给置数控制逻辑电路。 置数控制理辑电路置数控制逻辑电路的作用是，根据电压比较器输出的信号，对应每个顺序脉冲输出一个置数控制信号。若UX>UA，则置数控制逻辑电路产生的信号使逐次逼近寄存器中本次置1的数字位保留1；若UX<UA，则置数控制逻辑电路产生的信号使逐次逼近寄存器中本次置1的数字位变为0。 逐次通近寄存器逐次逼近寄存器的作用是，在顺序脉冲信号的作用下，根据置数控制逻辑电路的状态产生相应的数字量，并保存数据。逐次逼近寄存器第一次置数应使n位数字量

12、的最高位置1其余位置0。以后怎样置数取决于置数控制逻辑电路的状态。这部分的作用就好像用砝码称物时一次次地加、减砝码一样。（2）外部电路 采样保持电路在实际的控制过程中，A/D，转换器输入的模拟电压Ux是由采样电路从某系统中采集出来的。采样电路的功能是把随时间连续变化的模拟量转换成时间离散的模拟量。为了更真实地反映实际模拟量的变化，必须使采样电路有足够高的工作频率，使转换出来的数字量更接近其对应的模拟量。另外，从A/D转换器输入一个模拟电压到转换成数字量输出需要一定的时间，所以每次采样取得的模拟电压必须在一段时间内保持不变。采样和保持的过程通常是用采样保持电路来完成。采样保持电路的工作波形如图1

13、6.6所示。图中的虚线是采样保持电路的输入电压UI的波形，平直的黑实线是被保持的采样电压U0（即图12.5中的UX），保持时同是t。t越短越好。图16.6采样保持电路的工作波形有的A/D转换器的采样保持电路是外部提供的，有的A/D转换器内部就带有采样保持电路。关于采样保持电路的原理可参照11.3.2节。 输出控制电路A/D转换器输出的数字量要先通过输出控制电路，再向外部电路传送。一般输出控制电路是由三态门组成的，通过输出控制电路可以对输出数据进行三态控制。2. 逐次逼近型A/D转换器的工作原理下面通过一个具体的转换来说明逐次逼近型 A/D转换器的工作原理。在图16.5中，设其中的 D/A转换器

14、的基准电压UR为8v，RF=R，电压比较器按图16.7连接，被转换的模拟电压为Ux=5.4V，则用4位逐次逼近A/D转换器将5.4V的模拟电压转换成数字量的过程如下。图16.7 A/D转换器中的比较 在第一个顺序脉冲CP到来时，置数控制逻辑电路产生的信号使逐次逼近寄存器进行第一次置数，将4位二进制数的最高位置1，其余位置0，即置数为1000。1000经D/A转换输出的模拟电压为UA=824×23+0+0+0=4V由于4<5.4，即UA<UX，所以电压比较器的输出为低电平，这个低电平信号送到置数控制逻辑电路 由于4<5.4，所以第一次置数时最高位所置的1应保留。在第二

15、个顺序脉冲CP到来时，置数控制逻辑电路产生的信号使逐次逼近寄存器置数为1100，即将次高位也置1，其余位置0。1100经D/A转换输出的模拟电压为UA=824×23+22+0+0=6V由于6>5.4，即UA>UX，所以电压比较器的输出为高电平，这个高电平信号被送到置数控制逻辑电路。 由于6>5.4，所以次高位所置的1应去掉。在第三个顺序脉冲CP到来时，置数控制逻辑电路产生的信号使逐次逼近寄存器置数为1010。1010经D/A转换输出的模拟电压为UA=824×23+0+21+0=5V由于5<5.4，即UA<UX，所以电压比较器的输出为低电平，这个

16、低电平信号被送到置数控制逻辑电路。 由于5<5.4，所以刚置的位应保留。在第四个顺序脉冲CP的作用下，置数控制逻辑电路产生的信号使逐次逼近寄存器置数为1011。011经D/A转换输出的模拟电压为UA=824×23+0+21+20=5.5V经过四个顺序脉冲后，输入的模拟被转换成数字量1011。通过数据线输出。1011与5.5V的模拟电压相对应，所以转换误差是0.1V。显然，如果A/D转换器中逐次逼近寄存器的二进制数尾数更多些，误差将会更小。表16.2可清晰明了地反映上述的转换过程。这里使用的是4位逐次逼近A/D转换器，转换过程经历四个顺序脉冲CP。如果是8位逐次逼近A/D转换器，

17、那么转换过程要经历八个顺序脉冲CP。读者可对照该表进一步理解逐次逼近型A/D转换器的工作原理。 表16.2 4位逐次逼近A/D转换器的转换过程16. 2. 2 A/D转换器的主要技术指标1. 分辨率A/D转换器的分辨率用其输出的二进制数的位数来表示， 它反映了转换器对输入的模拟信号的分辨能力，n位二进制数能区分2n个不同等级的输入模拟电压，所以在最大输入电压一定时，输出数字量位数越多，量化単位越小，分辨率越高。例如，A/D转换器输出的数字量是8位二进制数，最大输入模拟电压是5V，那么这个转换器输出的数字量应能区分出的输入模拟电压的最小电压为5/28=19.53mV。若使用10位的A/D转换器，

18、对同样的输入电压，则能区分出的输入模拟电压的最小电压为5/210=4.88mV。显然，A/D转换器输出的数字量位数越多，其分辨率越高。2. 相对精度A/D转换器的相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想情況下，所有的转换点应当在一条直线上。3 .转换速度转换速度是指完成一次转换所用的时间。转换时间是从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时问。低速A/D转换器的转换速度约为130ms，中速A/D转换器的转换速度约为1050µs之间，高速A/D转换器的转换速度在50ns以内。例如，集成逐次逼近型A/D转换器ADC 0809的转換速度为l00µs。4. 电源抑制在输入模拟电压不变的前提下，当转换电路的供电电源发生变化时，对输出也会产生影响。这种影响可以用输出数字量的绝对变化量来表示。A/D转换器中基准电压的变化会直接影响转换结果，必须保证该电压的稳定。除上述几项外，A/D转换器还有功率消耗、温度系数、输人模独电压范围和输出数字信号