第12章模拟量和数字量的转换

1、本章基本要求：本章基本要求： n理解数模和模数转换器的概念和作用。理解数模和模数转换器的概念和作用。n了解数模转换的基本原理。了解数模转换的基本原理。n了解了解 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器的电路与工作转换器的电路与工作原理。原理。n了解常用了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。转换器的类型和主要参数。n了解模数转换的基本原理。了解模数转换的基本原理。n了解常用了解常用 转换器。转换器。n了解了解 转换器的主要参数。转换器的主要参数。第第12章章 模拟量和数字量的转换模拟量模拟量数字量数字量 模拟量模拟量数字量数字量传感器传感器 被控对象被控对象 为何要进行

2、数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？ 第第12章章 模拟量和数字量的转换第第12章章 模拟量和数字量的转换定义：定义：能将模拟量转换为数字量的装置称为模能将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器，数转换器，简称简称A/D或或ADC；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换器，简称模转换器，简称D/A或或DAC。ADC和和DAC是模拟电路和数字是模拟电路和数字电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的“桥梁桥梁”。本章主要介绍ADC、DAC的原理、技术指标和常用芯片。基本原理基本原理 数数模转换装置输入的信号是数字信号，

3、输出模转换装置输入的信号是数字信号，输出的信号则是与输入数字信号成比例的模拟电压或电流。的信号则是与输入数字信号成比例的模拟电压或电流。 12.1数数模转换器模转换器12.1.1数数模转换器的工作原理模转换器的工作原理数模转换器数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器。实现数模转换的电路称数模转换器。 实现数实现数模转换的电路有多种方式，最常用的是电阻模转换的电路有多种方式，最常用的是电阻网络转换器，其中较常见的网络转换器，其中较常见的有权电阻网络有权电阻网络、T形电阻网络形电阻网络和和倒倒T形电阻网络形电阻网络等。等。由于数字信号是用二进制代码组合起来的，每一个数字信由于数字信号是用二进制代

4、码组合起来的，每一个数字信号都可以按号都可以按“权权”相加得到一个对应的相加得到一个对应的十进制数十进制数，即，即D=（N）B=Kn-12n-1+K121+K020。 数数模转换装置输出的模拟量模转换装置输出的模拟量A就是和输入的数字量就是和输入的数字量D成正比例的电压或电流信号。即成正比例的电压或电流信号。即A=KD，其中的，其中的K称为转换称为转换比例系数。比例系数。 以十位以十位DAC为例，输入的是十位二进制代码，共有为例，输入的是十位二进制代码，共有210种组合。若输出电压的最大值为种组合。若输出电压的最大值为5V，则该转换器所能转换，则该转换器所能转换出的最小电压为出的最小电压为 ，

5、其转换步距也为，其转换步距也为 ，显然，显然DAC转换器转换器输入数字量的输入数字量的位数越多位数越多，它所转换的模拟信号，它所转换的模拟信号的的步距越短步距越短。1055211023V 51023V1. T形电阻网络数形电阻网络数模转换器模转换器 电子模拟开关：电子模拟开关：S S0 0、S S1 1、S S2 2、S S3 3，这些电子开关分，这些电子开关分别由数码寄存器存放的四位二进制数的相应位数码别由数码寄存器存放的四位二进制数的相应位数码d d0 0、d d1 1、d d2 2、d d3 3控制，根据它是控制，根据它是“l”l”或或“0”0”决定电阻网中的电阻决定电阻网中的电阻是接参

6、考电压是接参考电压( (或称基准电压或称基准电压)UR)UR还是接地。还是接地。 T形电阻网络：当输入的数字信号的某一位为形电阻网络：当输入的数字信号的某一位为“1”时，开关接到参考电压时，开关接到参考电压UR上上，为，为“0”时接地时接地，这个，这个T形电阻网络开路时的输出电压形电阻网络开路时的输出电压UA(未接运算放大器时未接运算放大器时)可以应用可以应用叠加原理叠加原理进行计算。进行计算。 即分别计算只当即分别计算只当d01、dll、d2l、d3l(其余位其余位为为0)时的电压分量，而后叠加得到时的电压分量，而后叠加得到UA。 应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出应用叠加原理将这四个电

7、压分量叠加，得出T形电形电阻网络开路时的输出电压阻网络开路时的输出电压UA，等效内阻，等效内阻(除去电源后开除去电源后开路网络的等效电阻路网络的等效电阻)为为R。集成运放的输出模拟电压为U0如果输入的是n位二进制数，则如果输入的是n位二进制数，则当取当取RF3R时，则上式为时，则上式为 例如对四位的数例如对四位的数模转换器而言：模转换器而言： R2RT形电阻网络数形电阻网络数模转换器的模转换器的优点优点是它是它只只需及和需及和2只两种阻值只两种阻值的电阻，这对选用的电阻，这对选用高精度电阻高精度电阻和和提高提高转换器的精度转换器的精度都是有利的。都是有利的。S0+- -uOS1S2S3D3D2

8、D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR由倒由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路( (简称简称 I/U 转换电路转换电路) )组成。组成。模拟开关模拟开关 Si 打向打向“1”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接虚接虚地地；打向打向“0”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接地接地。故无论开。故无论开关打向哪一侧，倒关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22R

9、I3RRRABC1)1)从从 A A、B B、C C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2 2R R。2)2)不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端( (虚地虚地) )或接或接“地地”( (也就是不论输入信号是也就是不论输入信号是1 1或是或是0 0) )，各，各支路的电流支路的电流是不变的。是不变的。 因此，从参考电压端输入的电流为因此，从参考电压端输入的电流为I IR R ，而后根据电流，而后根据电流分流公式得出各支路的电流：分流公式得出各支路的电流： RUR由此可得出电阻网络的输出电流由此可得出电阻网络的输

10、出电流如果输入的是如果输入的是n位二进制数，则位二进制数，则当取当取RFR时，则上式为时，则上式为与与T形电阻网络的输出电压相同。形电阻网络的输出电压相同。l1.分辨率分辨率分辨率分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。 当输入的数字量为当输入的数字量为1时（仅最低位为时（仅最低位为1，其余各位，其余各位全部为全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为），输出最小，当输入的数字量各位全部为1时，输出最大，此二者之比即为时，输出最大，此二者之比即为分辨率分辨率，例如，例如10位位DAC转换器的分辨率为：转换器的分辨率为： 1/（210-1

11、）0.001 有时也用输入信号的有时也用输入信号的有效位数有效位数来表示来表示分辨率分辨率，有有效位数越多分辨率就越高效位数越多分辨率就越高。显然分辨率越高，转换的。显然分辨率越高，转换的精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。l表表12-1 不同不同DAC转换器的分辨率转换器的分辨率转换器输入数字量的位数转换器输入数字量的位数分辨率分辨率41/1581/255101/1023121/4095161/655352.2.转换精度和线性度转换精度和线性度 转换精度转换精度是指输出模拟电压的是指输出模拟电压的实际值实际值与与理想理想值值之差，即之差，即

12、最大静态转换误差最大静态转换误差。这误差和运放的。这误差和运放的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等很多原因引起的。等很多原因引起的。l线性度线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的原因一般是由各模拟通路的原因一般是由各模拟通路的偏差偏差和和压降不同压降不同造成的。造成的。l3.输入数字电平和输出电平输入数字电平和输出电平 输入数字电平输入数字电平是指输入的数字信号分别为是指输入的数字信号分别为0和和1时所对应的时所对应的输入高、低电平的值输入高、低电平的值，不同的转换，不同的转换器该值略有区别。器

13、该值略有区别。输出电平输出电平是指是指输出电压的最大输出电压的最大值值，不同型号的转换器该值的相差较大，其中高，不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输出型的可达压输出型的可达30V，电流输出型的可达，电流输出型的可达3A。4.工作温度范围工作温度范围 温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，好的产品工作温度可在-40 150之间。l1. DAC0830系列系列l DAC0830系列是系列是8位分辨率的集成位分辨率的集成DAC转换电路，转换电路，包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主要由要由8位输入锁存器、位输入锁存器、8位位DAC寄存器

14、、寄存器、8位位DAC转换转换电路和转换控制电路构成，采用电路和转换控制电路构成，采用20脚双列直插封装脚双列直插封装，芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后变成电压信号输出。变成电压信号输出。图图12-5 DAC0830系列的外引线排列图系列的外引线排列图 l 集成集成DA7520和前述和前述0830系列不同的是其电路只包系列不同的是其电路只包含转换网络和模拟电子开关。是含转换网络和模拟电子开关。是10位位CMOS电流开关电流开关型转换器，其结构简单，通用性好。型转换器，其结构简单，通用性好。DA7520的外引线的外引线排列图如图排列图如

15、图12.6所示。所示。 图12.6 DA7520的外引线排列图 “ ” ”表示取整。表示取整。ADCD0D1Dn-2Dn-1uI可见，输出数字量可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI 。 称为称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是 ADC 的最小分辨电压。的最小分辨电压。uD12.2 12.2 模模- -数转换器数转换器 模模-数转换一般要经过采样、保持、量化和编码数转换一般要经过采样、保持、量化和编码4个步骤。目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和个步骤。目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和电压频率变换型转换器等。电压频率变换型转换

16、器等。采样：采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。整数倍表示。编码：编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。A /D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn- -1D1D0uI (t)S采样保持电路采样保持电路当当S闭合时，闭合时，A1和和A2均工作在均工作在电压跟随器电压跟随器状态，所

17、以状态，所以uou/ouI，电容上的电压，电容上的电压uCuI；当；当S断开时，由于断开时，由于Ch上上的的电压不变电压不变，所以输出电压，所以输出电压uo的数值得以的数值得以保持不变保持不变。A1A1，A2A2是两个运是两个运算放大器算放大器 S S是电子开关是电子开关 L L是开关的是开关的驱动电路驱动电路 CPCP为高电平时，为高电平时，S S闭合；闭合；CPCP为低电平时，为低电平时，S S断开。断开。采样信号是否会丢采样信号是否会丢失原信号的信息呢？失原信号的信息呢？对信号进行量化会对信号进行量化会引起误差吗？引起误差吗？量化误差大小量化误差大小与与 ADC 的位数、的位数、基准电压

18、基准电压 VREF 和量化方法有关。和量化方法有关。 采样定理：采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的中最高频率的两倍两倍时，采样信号可以时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。不失真地恢复为原模拟信号。 量化误差：量化误差：因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 U ULSBLSB 整除，整除， 量化时舍去余数而引起的误差。量化时舍去余数而引起的误差。 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法最大量化误差最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8

19、)V(7/8)V000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9

20、/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)Vl1.逐次比较型逐次比较型ADC转换器的组成转换器的组成l（1）DAC转换器转换器 它将数据寄存器中的它将数据寄存器中的数字量转换数字量转换成相应的成相应的模拟电模拟电压压去与被测电压比较。去与被测电压比较。l（2）数据寄存器）数据寄存器 转换开始后，从转换开始后，从最高位开始最高位开始对对数据寄存器置数据寄存器置1，其，其他位置他位置0，将该数据经，将该数据经DAC转换器转换器转换为模拟量转换为模拟量，在比，在比较器中较器中与输入量比较与输入量比较，根据，根据比较结果比较结果决定决定最高位最高位是是留留下，还是清除下，还是清除

21、，然后，然后置次高位为置次高位为1，转换、比较，转换、比较，所有位比较完毕后统一输出。所有位比较完毕后统一输出。（3 3）电压比较器。）电压比较器。将数据寄存器中数据对应的电压将数据寄存器中数据对应的电压与输入电压比较，输出结果用于修改数据寄存器中的与输入电压比较，输出结果用于修改数据寄存器中的数据。数据。（4 4）控制逻辑及时钟。）控制逻辑及时钟。用于实现整机的逻辑控制。用于实现整机的逻辑控制。2. 工作过程工作过程FF8FF1组成8位数据寄存器 10个D触发器接成环形移位寄存器 第一个第一个CP到来时，到来时，W81，其余，其余Wi均为均为0 ，Q8Q1为为10000000 ， uI与12

22、8 v比较，小于，因此uC0，保留。 假设输入电假设输入电压压uI149 V 第二个CP到来时，W71，其余Wi均为0。数据寄存器的状态为11000000，该数据使uD192 V ，大于，不保留。其他依次类推。l 双积分型又称双积分型又称双斜率双斜率ADC转换器转换器。它的基本原理。它的基本原理是对输入模拟电压和基准电压进行是对输入模拟电压和基准电压进行两次积分两次积分：先将：先将输输入模拟电压入模拟电压uI转换成与之大小相对应的转换成与之大小相对应的时间间隔时间间隔TC，再在此时间间隔内用再在此时间间隔内用固定频率的计数器计数固定频率的计数器计数，计数器，计数器所计的所计的数字量数字量就正比

23、于就正比于输入模拟电压输入模拟电压；同样也对参考；同样也对参考电压进行相同的处理。电压进行相同的处理。l特点：特点： 由于要由于要两次积分两次积分，因此双积分型，因此双积分型ADC转换器的转转换器的转换换速度较低速度较低，但转换数字量位数，但转换数字量位数n增加时，电路复杂程增加时，电路复杂程度增加不大，易于提高分辨率，其通常度增加不大，易于提高分辨率，其通常用在对速度要用在对速度要求不高的场合求不高的场合，如数字万用表等。，如数字万用表等。l具体电路略具体电路略双积分型双积分型ADC转换器原理图转换器原理图 指指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的实际输出数字量与理想输出数字量之间

24、的最大差值。通常用最低有效位最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。的倍数来表示。 (二二) 主要参数主要参数 2. 相对精度相对精度(又称转换误差又称转换误差) 指指 ADC 输出数字量的最低位变化一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。个数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率分辨率 例如例如 最大输出电压为最大输出电压为 5V 的的 8 位位 ADC 的分辨率为：的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。分辨的最小模拟电压值就越小。 例

25、如例如 转换误差不大于转换误差不大于 1/2 LSB，即说明，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过之间的最大误差不超过 1/2 LSB。 3. 转换时间转换时间 转换速度比较：并联比较型转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型逐次逼近型 双积分型双积分型 数十数十 ns 数十数十 s 数十数十 ms 指指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。转换时间越小，转换速度越高。目前常用目前常用ADC

26、大多是单片集成转换器，种类很多。大多是单片集成转换器，种类很多。l1.ADC0800系列系列 ADC0800系列属系列属逐次比较型逐次比较型比较器，如比较器，如ADC0801，ADC0804，ADC0809等，可把输入模拟信号转换为等，可把输入模拟信号转换为8位位数字信号输出。数字信号输出。 ADC0809片内有带锁存功能的片内有带锁存功能的8路模拟开关路模拟开关，可实，可实现对现对8路输入模拟电压路输入模拟电压进行进行分时转换分时转换，输出采用，输出采用TTL三三态锁存缓冲器，可直接与外部数据总线连接。采用态锁存缓冲器，可直接与外部数据总线连接。采用28脚双列直插封装脚双列直插封装，其，其外引线排列图如图外引线排列图如图所示。所示。 ADC0809的外引线图的外引线图 ADC0809的实物图的实物图 数据采集系统数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的主要途径，对整个系统界联系的桥梁，是获取信息的主要途径，对整个系统进行控制和数据处理。它的进行控制和数据处理。它的核心核心是是计算机计算机，而计算机，而计算机所处理的是所处理的是数