第7模数数模转换全ppt课件

1、第第7章章 数数/模和模模和模/数转换数转换 本章主要内容：本章主要内容： 7.1 根本概念根本概念 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 7.4 综合运用举例综合运用举例 7.1 根本概念根本概念 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，简称转换，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

2、过程称作数/模模(Digital to Analog)转换，简称转换，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 to Digital Converter)，简称，简称DAC。 7.1 根本概念根本概念 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型电阻网型电阻网络络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、反响比较式、反响比较式ADC、双积分型双积分型ADC和集成和集成ADC器件器件ADC0809。 转换精度和转换速度是

3、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转换器性能转换器性能优劣的主要目的。一方面，为了保证数据处置结果的准确优劣的主要目的。一方面，为了保证数据处置结果的准确性，性，D/A转换器和转换器和A/D转换器必需有足够的转换精度；另转换器必需有足够的转换精度；另一方面，为了顺应快速过程的控制和检测的需求，一方面，为了顺应快速过程的控制和检测的需求，A/D转转换器和换器和DA转换器还必需有足够快的转换速度。转换器还必需有足够快的转换速度。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一个多位二进制数中每一位所代表

4、的数值大小称为这一位的权。值大小称为这一位的权。 实现数实现数/模转换的根本方法是用电阻网络模转换的根本方法是用电阻网络将数字量按照每位数码的权转换成相应的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模拟量，然后用求和电路将这些模拟量相加完成数加完成数/模转换。模转换。 DAC的输入是数字信号。它可以是任何的输入是数字信号。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，通常是无符号的是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制数。二进制数。 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.1 二进制权电阻二

5、进制权电阻DAC四位二进制权电阻DAC RFVREFS3S2S1S0+-A20R21R22R23Ra3a2a1a07.2 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)2222(2001122333REFaaaaRV303REF)2(2iiiaRV由图7-1可以得到)2222(2001122111REFaaaaRVinnnnnI101REF)2(2niiinaRV当输入的数字量超越4位时，每添加一位只需添加一个模拟开关和一个电阻即可。对于n位权电阻DAC有：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

6、件下可以得到101FREFFF)2(2niiinoaRRVRiv 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 ，那么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，使得制造含有阻值大、精度要求又高的集成电路很困难。REFV7.2 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。所示。它只需它只需R和和2R两种电阻，抑制了二进制权两种电阻，抑制了二进制权电阻电阻

7、DAC电阻范围宽的缺陷。图中的电阻范围宽的缺陷。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接运算放大器的虚地端；接运算放大器的虚地端；ai=0时，时，Si接地。接地。 可见，在这个电路的各个支路中，无论可见，在这个电路的各个支路中，无论输入数字量是输入数字量是0或或1，开关，开关Si均相当于接地，均相当于接地，因此因此Si无论是接地或接虚地端，流入每个无论是接地或接虚地端，流入每个2R支路的电流都是不变的。支路的电流都是不变的。 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

8、7-2 倒T型电阻网络DAC0i2-iAiBS10IRRRR 110iCi3i1i0VREFS3S2S0IR16RF2R2R2R2R2R+iI110ABCDAiF7.2 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那么为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7-2中各支路的电流为：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思索到数字量的控制造用，流入运算放大器的电流可写作：)2222(

9、200112211REFaaaaRVinnnnnI10REF)2(2niiinaRV对于n位倒T型电阻网络DAC，可以写出0R1R2R3RI16842aIaIaIaIi)2222(2001122334REFaaaaRV304REF)2(2iiiaRV7.2 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DACIFii FFRivo10FREF)2(2niiinaRRV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，还具有转化速度快的特点。这是由于在电路中，各支路电流不变，所以不需求电流建立时间。因此T型网络DAC是目前运用最多、速度较快的一种。

10、 【例7-1】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的输入数字量中只需最低有效位为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。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，即在最小输出电压，即在DAC的输入数字量中只需最低有效位时的输的输入数字量中只需最低有效位时的输出电压。出电压。四位四位DAC(n=4)的最小输出电压为：的最小输出电压为：八位八位DAC(n=8)的最小输出电压为：的最小输出电压为：VRR

11、aRRVniiin5 . 0128)2(2410FREFVRRaRRVniiin031. 012822810FREF(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：VRRaRRVniiin97. 7) 12(28)2(28810FREFVRRaRRVniiin5 . 7) 12(28)2(24410FREF7.2 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7-2】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

12、电压Vomin的数值。解：与【例7-1】类似，可以写出四位DAC的最小输出电压为： VRRaRRVniiin11228)2(2410FREFVRRaRRVniiin063. 0122822810FREFFFominRivFFominRiv八位DAC的最小输出电压为：7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.3 DAC的主要技术目的的主要技术目的1.分辨率分辨率 DAC常用分辨率来表示分辨最小电压的才干。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。 最大输出电压最小输出电压分辨率 最小输出电压是指输入数字量只需最低有效位为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

13、时的输出电压，于是分辨率=121n 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.3 DAC的主要技术目的的主要技术目的2.转换误差转换误差 在在DAC的各环节中，不可防止地会出现误差。转换的各环节中，不可防止地会出现误差。转换误差常用满刻度误差常用满刻度FSR(Full Scale Range)的百分数来表的百分数来表示。示。 DAC产生的误差主要与参考电压产生的误差主要与参考电压VREF的动摇、运的动摇、运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏向以及算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏向以及模拟开关的导通电阻和导统电压的变化等相关。模拟开关的导通电阻和导统电压的变化等相关。7.2 数

14、数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.3 DAC的主要技术目的的主要技术目的3.建立时间通常用建立时间来定量描画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到达稳态值 1/2LSB范围以内的这段时间。 图 7-3 DAC的建立时间V00t+0.5LSB稳态值tset7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.3 DAC的主要技术目的的主要技术目的 【例【例7-3】假设】假设DAC的最大输出电压为的最大输出电压为10V，要想使转换误差在要想使转换误差在10mV以内，应选多少位以内，应选多少位DAC？ 解：要想转换误差在解：要想转换误差在1

15、0mV以内，就必需能以内，就必需能分辨出分辨出10mV电压。此题中，最小输出电压电压。此题中，最小输出电压为为10mV，最大输出电压为，最大输出电压为10V，可以写出，可以写出分辨率=1000110101031024210 ，所以，根据分辨率与精度的关系，至少需求10位DAC，假设思索其它要素，需选12位DAC。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，电路的种类很多。按照输出方式的不同，集成集成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；按照输入方式的不同，集成照输入方式的不同，集成

16、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，如美国的芯片型号繁多，如美国国家半导体公司国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)消费的消费的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，美国模拟器件公司器件公司(Analog Devices, Inc., 简称简称ADI)消费的消费的12位串位串行输入、电流输出的行输入、电流输出的AD7543等。等。 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.4 集成集成DAC 1. DAC0832 (1)电路构造电路构造 DAC

17、0832是并行输入、电流输出的数是并行输入、电流输出的数/模转模转换电路，它也可以连成电压输出型。它是换电路，它也可以连成电压输出型。它是采用采用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。7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) DAC0832 八位输入存放器 八位 DAC 存放器八位DACDDDDQQQQ1314151645678121193102019121817DI7DI0(MSB)(LSB)ILECSWR1WR2XFERVREFIO2IO1RfbAGNDVCCDGND7-4 DAC0832集成模/数转换器构造框图框图&DI6DI5D

18、7D7DI2DI1DI3D77.2 数数/模转换器模转换器(DAC) DAC0832 DAC0832内包含两个数字存放器：内包含两个数字存放器：八位输入存放器和八位八位输入存放器和八位DAC存放器，故存放器，故称为双缓冲方式。两个存放器可以同时称为双缓冲方式。两个存放器可以同时保管两组数据，可以先将八位输入数据保管两组数据，可以先将八位输入数据保管到输入存放器中，当需求转换时，保管到输入存放器中，当需求转换时，再将此数据由输入存放器送到再将此数据由输入存放器送到DAC存放存放器中锁存并进展器中锁存并进展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

19、据更新期间模拟量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；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，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；从而提高了转换速度； 3.可以同时更新多个可以同时更新多个D/A转换的输出，转换的输出，为有多个为有多个D/A转换器件的系统、多处置系转换器件的系统、多处置系统中的统中的D/A器件协调一致地任务带来了方器件协调一致地任务带来了方便。便。 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) DAC0832 IO1是正比于参考电压和输入数字量的电流，是正比于参考电压和

20、输入数字量的电流，而而IO2是正比于输入数字量的反码，即：是正比于输入数字量的反码，即： 用电压方式任务时，参考电压接到一个电流用电压方式任务时，参考电压接到一个电流输出端输出端(二进制原码接二进制原码接IO1端，反码接端，反码接IO2端端)，输出电压从原来的输出电压从原来的VREF端得到，如图端得到，如图7-5(b)所示。为了减小输出电阻，添加驱动才干，所示。为了减小输出电阻，添加驱动才干，通常用运算放大器作缓冲。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： 可与一切八位微处置器直接相连；可与一切八位微处置器直接相连； 输入数字量为八位二进制代码；输入数字量为八位

21、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。 708REF1o)2(2iiiaRVI) 1)2(2(27088REFo2iiiaRVI7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) DAC0832图7-5 R-2R梯形网络衔接方式7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) DAC0832 图7-6 DAC0832集成模/数转换器引脚陈列1234567891011121314151617181920CSWR1WR2GNDVCCDI3DI2DI1DI0DI4DI5DI6DI7IO2IO1VREFRfbGNDILEXFERDI0DI7：八位数字量输入。：

22、八位数字量输入。DI0为最低为最低位，位，DI7为最高位。为最高位。Io1：电流输出端：电流输出端1。DAC存放器输出全存放器输出全1时，输出电流最大，时，输出电流最大，DAC存放器输出全为存放器输出全为0时，输出电流为时，输出电流为0。电压型电阻网络时接参。电压型电阻网络时接参考电压。考电压。Io2：电流输出端：电流输出端2。Io1+ Io2=VREF/R=常数。电压型电阻网络时接地。常数。电压型电阻网络时接地。Rfb：反响电阻端。芯片内部接反响电阻：反响电阻端。芯片内部接反响电阻的一端，电阻的另一端与的一端，电阻的另一端与Io1相连；与运放相连；与运放衔接时，衔接时，Rfb接输出端，接输出

23、端，Io1接反向输入端。接反向输入端。VREF：参考电压输入端，普通接：参考电压输入端，普通接-10V+10V范围内的参考电压。电压型电阻网络范围内的参考电压。电压型电阻网络时作电压输出端。时作电压输出端。VCC：电源电压，普通接：电源电压，普通接+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。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，输入端，就立刻加到就立刻加到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

24、单缓冲方式:只需把两个存放器中的任何一个接成直通方式，而用另只需把两个存放器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存器数据，一个锁存器数据，DAC就可处于单缓冲任务方式。就可处于单缓冲任务方式。 双缓冲方式双缓冲方式:主要在以下两种情况下需求用双缓冲方式的主要在以下两种情况下需求用双缓冲方式的D/A转换。转换。DAC0832可处于三种不同的任务方式：可处于三种不同的任务方式：7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) AD7543 AD7543是美国模拟器件公司消费的是美国模拟器件公司消费的12位位CMOS单片串行输入的数单片串行输入的数/模转换器，它是模转换器，它是电流输出电流输出DAC器件，

25、其构造框图如图器件，其构造框图如图7-7所所示。它由示。它由12位位D/A转换电路、存放器转换电路、存放器B、移、移位存放器位存放器A和控制门构成，其中移位存放器和控制门构成，其中移位存放器A实现数据串进、并出的转换。它的引脚陈实现数据串进、并出的转换。它的引脚陈列图如图列图如图7-8所示。所示。 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) AD754312位D/A转换电路存放器 B移位存放器 A1591311583104167121412312位D/A转换电路存放器B移位存放器A图7-7 AD7543的构造框图131112VREFLD1LD2STB1OUT1STB3STB2RfbSTB4OUT

26、2AGNDSRIVDDDGNDCLR7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) AD7543891234567161011121314152OUT1OUT2AGNDSTB1LD1NCSRISTB 图7-8 AD7543的引脚陈列图LD2RfbVDDCLRSTB4STB3DGNDVREFAD75437.2 数数/模转换器模转换器(DAC) AD7543 AD7543只需一个数据输入端只需一个数据输入端SRI，在，在选通讯号的控制下，选通讯号的控制下，12位数字量由高位到位数字量由高位到低位逐次一位一位地从端移入低位逐次一位一位地从端移入12位移位存位移位存放器放器A。移位存放器。移位存放器A每接纳

27、到门每接纳到门2输出的输出的一个脉冲上升沿，数字量就向左移一位。一个脉冲上升沿，数字量就向左移一位。当当12位数字量全部进入移位存放器位数字量全部进入移位存放器A后，在后，在且控制信号时，移位存放器且控制信号时，移位存放器A所存的数字量所存的数字量被送入存放器被送入存放器B。然后经过。然后经过12位位D/A转换电转换电路，输出模拟量。的时候，存放器路，输出模拟量。的时候，存放器B被复位，被复位，使其内容为使其内容为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的控制功能。的控制功能。 由于由于AD7543是电流输出是电流输出DAC，所以需，所以需求外加比例放大器才

28、干得到电压输出。求外加比例放大器才干得到电压输出。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B4STB3STB2STB1STBCLR2LD1LD表7-1 AD7543的控制功能表7.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 7.2.5 D/A转换器运用举例转换器运用举例DAC0832和单片机

29、直通方式的运用和单片机直通方式的运用在小型控制系统中，多采用单片机为控制器件，经过单片在小型控制系统中，多采用单片机为控制器件，经过单片机处置的数字量运用到实践系统中时，普通需求进展数机处置的数字量运用到实践系统中时，普通需求进展数/模模转换。这里引见一种转换。这里引见一种DAC0832和单片机和单片机AT89C51采用直通采用直通方式衔接的运用电路。方式衔接的运用电路。运放输出电路输出电压为 ，其中D为由D7D6D5D4D3D2D1D0决议的数字量。图中向DAC0832传送的8位数据量为40H(01000000B), 那么输出电压 REF256DVVout3.1525664256DREFou

30、tVV输出过程由单片机控制。 7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC0832和单片机直通方式的运用和单片机直通方式的运用DP1.0P1.1P1.2P1.3P1.5P1.4P1.6P1.7GNDAT 89C51RfbIO1IO2G NDVREFVCCDGNDDAC 0832D0D1D2D3D5D4D67XFERCSWR1WR2ILEGND+12-127654161514131712182019911123Vout(0V-5V)uA 7412010+5-+P1D 图7-9 单片机和DAC0832直通方式输出衔接图VCC+57.2 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

31、VOUTDAC0832AIO2IO1D7D7D6D5D4D3D2D1D0VREF7-10数控增益放大器电路VINRfb7.2 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构成构成的数控增益放大器电路。其中，的数控增益放大器电路。其中， D代表输入数字代表输入数字量且其所代表的十进制数为量且其所代表的十进制数为D7D6D5D4D3D2D1D0 。根据图中电路的衔接关系和。根据图中电路的衔接关系和DAC0832中倒中倒T型电阻网络的特点，可以得到以型电阻网络的特点，可以得到以下表达式：下表达式： fbRVIIN

32、1O708OUTO1)2D(2iiiRVI708OUTIN)2D(2iiifbRVRVRRfb所以得到放大器的增益 VKD256INOUTVVVK7.2 数数/模转换器模转换器(DAC)VK由由 (7-22) 式可以看出，放大器处于反相放大形状，增益式可以看出，放大器处于反相放大形状，增益的大小随的大小随DAC0832输入数字量的变化而改动，与输人数字输入数字量的变化而改动，与输人数字量的大小成反比。当输入的数字量为量的大小成反比。当输入的数字量为0时，相当于开环，放大时，相当于开环，放大器处于饱和形状。器处于饱和形状。与普通的放大器相比，这种数控增益放大器具有电路简单、与普通的放大器相比，这

33、种数控增益放大器具有电路简单、调整方便、运用灵敏等突出优点。调整方便、运用灵敏等突出优点。数控增益放大器数控增益放大器7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 7.3.1模模/数转换的根本过程数转换的根本过程ADCADC的输入信号为模拟量，而输出信号为数字量。的输入信号为模拟量，而输出信号为数字量。普通在进展模普通在进展模/ /数转换时，要按一定的时间间隔，数转换时，要按一定的时间间隔，对模拟信号进展采样，然后再把采样得到的值转换对模拟信号进展采样，然后再把采样得到的值转换为数字量。因此，模为数字量。因此，模/ /数转换的根本过程由采样、数转换的根本过程由采样、坚持、量化和编码组成。通常，采样

34、和坚持两个过坚持、量化和编码组成。通常，采样和坚持两个过程由采样程由采样坚持电路完成，量化和编码又常在转换坚持电路完成，量化和编码又常在转换过程中同时实现。过程中同时实现。7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 采样与坚持采样与坚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转换过程需求时间，所以采样得到的转换过程需求时间，所以采样得到的“样值样值在在A/DA/D转换期间就不能改动，因此对采样得到的信号转换期间就不能改动，因此对采样得到的信号“样值就需求坚持一段时间，直到进展下一次采样。样值就需求坚持一段时间，直到进展下一次采样。7

35、.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 采样与坚持采样与坚持采样坚持的原理电路图如图采样坚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受采样信号受采样信号vSvS的控制：当的控制：当vSvS为高电平常，为高电平常，S S闭合；当闭合；当vSvS为低电平常，为低电平常，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；S S断断开时为坚持阶段，此时由于电容无放电回路，所以开时为坚持阶段，此时由于电容无放电回路，所以vOvO坚坚持在上一次采样终了时输入电压的瞬时值上。持在上一次采样终了时输入电压的瞬时值上。图图7-11(b)7

36、-11(b)是采样坚持电路输入、输出及采样信号的波是采样坚持电路输入、输出及采样信号的波形图。形图。将将A/DA/D转换输出的数字信号，再进展转换输出的数字信号，再进展D/AD/A转换，得到的转换，得到的模拟信号与原输入信号的接近程度，与采样频率亲密相模拟信号与原输入信号的接近程度，与采样频率亲密相关。关。 7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 采样与坚持采样与坚持0t0tvOvOvIvIvS图7-11采样坚持原理电路图与波形图 (a) 原理电路图 (b)波形图(b)vIvSvo(a)SC7.3 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

37、样值逼真地反映出原可见，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，采样频率必需满足一定的要求。来模拟信号的变化规律，采样频率必需满足一定的要求。采样频率要根据采样定理来确定。采样频率要根据采样定理来确定。采样定理：只需当采样频率采样定理：只需当采样频率fSfS大于或等于模拟信号最大于或等于模拟信号最高频率分量高频率分量fmaxfmax的的2 2倍时倍时(fS2fmax)(fS2fmax)，所采集的信号样，所采集的信号样值才干不失真地反映原来模拟信号的变化规律。例如，值才干不失真地反映原来模拟信号的变化规律。例如，假设被采样信号的最高频率分量的频率为假设被采样信号的最高频率分量的频率

38、为100Hz100Hz，那么，那么采样频率应该不低于采样频率应该不低于200Hz200Hz。 7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 采样定理采样定理图 7-12 对输入模拟信号的取样tvtvtt7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 常用的几种采样坚持电路常用的几种采样坚持电路采样坚持电路种类很多，图采样坚持电路种类很多，图7-137-13是三种常用的采样是三种常用的采样坚持电路。分别由采样开关坚持电路。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和缓和缓冲放大器冲放大器A A等几个部分组成。等几个部分组成。7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 常用的几种采样坚持电路常

39、用的几种采样坚持电路vO(t)vI(t)vS(t)T-+A(a)CvO(t)vI(t)vS(t)T-+A2(c)C-+A1图7-13 三种常用的采样坚持电路a)根本采样坚持电路 (b)R2CV+IV+时，输出为时，输出为0 0，否那么输出为否那么输出为1 1。经优先编码器。经优先编码器7414874148编码后便得到二进制编码后便得到二进制代码输出。代码输出。7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) REFV81Iv 7.3.2 并联比较型并联比较型ADCVREF=+8V数字输出图7-16 并行ADC原理图+-+-+-+-+-+-+-1k1k1k1k1k1k1k1kvI6V7V5V4V3V2V

40、1V7654321V+V-DQQ1F1DDQQ6F6DDQQ5F5DDQQ4F4DDQQ3F3DDQQ2F2DDQQ7F7DCP 编 码 电 路d2d1d0 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC反响比较法的根本思想是：每次取一个数字量加到反响比较法的根本思想是：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展比较，直到两个模拟电压相等为止，换的输入模拟量进展比较，直到两个模拟电压相等为止，最后所获得的这个数字量就是所求的转换结果。最后所获得的这个数字量就是所求的转换结果。7.3 模模/

41、数转换器数转换器(ADC) 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC7.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 反响比较方法与用天平称量重物原理类似。例如，一个反响比较方法与用天平称量重物原理类似。例如，一个天平有天平有1515个个1g1g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，的重物，可以用两种方法完成：一是每次加一只可以用两种方法完成：一是每次加一只1g1g砝码直至天平平砝码直至天平平衡为止；二是每次分别添加衡为止；二是每次分别添加8 8个、个、4 4个、个、2 2个、个、1 1个个1g1g的砝码，的砝码，经过比较实现对重物的称量。基于上述两种比较方法，经过比较

42、实现对重物的称量。基于上述两种比较方法，ADCADC有计数型有计数型ADC(ADC(同第一种比较方法同第一种比较方法) )和逐次逼近型和逐次逼近型ADC(ADC(同同第二种比较方法第二种比较方法) )。 图图7-177-17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转换器及转换器及D D触发器等组成。触发器等组成。 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC 1. 计数型计数型ADC任务原理：任务原理：在任务前，需按下启动按钮在任务前，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0

43、V0V，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输出高电平，与门翻开，时钟脉冲经过与门送入输出高电平，与门翻开，时钟脉冲经过与门送入八位计数器。八位计数器。 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC 1. 计数型计数型ADCDACDAC的输出电压随着计数器所计数字的添加而添加。的输出电压随着计数器所计数字的添加而添加。当当DACDAC输出电压输出电压vOvO刚刚超越输入电压刚刚超越输入电压vIvI时，比较器的输时，比较器的输出由高电平变为低电平，与门被制止，计数器停顿计出由高电平变为低电平，与门被制止，计数器停顿计数。此时计数

44、器所计数字恰好与输入电压数。此时计数器所计数字恰好与输入电压vIvI相对应，相对应，在比较器输出由高电平变为低电平常，计数器的输出在比较器输出由高电平变为低电平常，计数器的输出被送入位被送入位D D触发器。这时，位触发器。这时，位D D触发器的输出就是触发器的输出就是与输入模拟电压与输入模拟电压vIvI相对应的二进制数输出量。相对应的二进制数输出量。任务原理：任务原理： 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC 1. 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+5V

45、CP图7-17 计数型ADCA&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。它由比较的原理图。它由比较器、逐次逼近存放器器、逐次逼近存放器(SAR)(SAR)、DACDAC、输出存放器、参考电压、输出存放器、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由由内部产生一个数字量送给内部产生一个数字量送给DACDAC，DACDAC输出的模拟量与输入的模输出的模拟量与输入的模拟量进展比较。当二者匹配时，其数字量恰好与待转换的模拟量进展比较。当二者匹配时，其

46、数字量恰好与待转换的模拟信号相对应。逐次逼近型拟信号相对应。逐次逼近型ADCADC与计数型与计数型ADCADC的区别在于逐次的区别在于逐次逼近逼近ADCADC是采用自高位到低位逐次比较计数的方法。是采用自高位到低位逐次比较计数的方法。 2逐次逼近型逐次逼近型ADC 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC 2逐次逼近型逐次逼近型ADC 7.3.3 反响比较式反响比较式ADC图7-18逐次逼近型ADC的框图Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0D6D7D5D4D3D2D1D0vOVREFvI+-CPCPDRSTARTMSBLSB逐次比较存放器SAR时钟八位DAC 输出存放器数字输出A任务原理：任务原理：

47、启动信号到来时，启动信号到来时，=0=0，SARSAR清零，转换过程开场。第清零，转换过程开场。第一个时钟脉冲到来时，一个时钟脉冲到来时，SARSAR最高位置最高位置1 1，即，即D7=1D7=1，其他位为，其他位为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进展比较。假设进展比较。假设vOvIvOvI，那么，那么SARSAR重新置重新置0 0，D7=0D7=0，SARSAR为为0000000000000000；假设；假设vOvIvOvIvOvI，D6=0D6=0；假设；假设vO

48、vIvOvO(5V)vI(7.32V)vO(5V)，所以最高位坚持，所以最高位坚持1 1不变，不变，SARSAR中的数据为中的数据为1000000010000000。 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转换后，转换后，vO=5+2.5V=7.5VvO=5+2.5V=7.5V。由于。由于vO(7.5V)vI(7.32V)vO(7.5V)vI(7.32V)，所以次高位重新置所以次高位重新置0 0，SARSAR中的数据为中的数据为1000000010000000。 【例【例7-4】第三个第

49、三个CPCP到来时，到来时，SARSAR输出为输出为1010000010100000，经，经DACDAC转换后，转换后，vO=5+1.25V=6.25VvO=5+1.25V=6.25V。由于。由于vO(6.25V)vI(7.32V)vO(6.25V)1 7.3.6 集成集成ADC 2ADC0804的引脚及其功能的引脚及其功能134567891020191817161514131211CSRDWRINTRVin(+)Vin(-)GND AVREF/2GND D 图7-23 ADC0804 引脚陈列图D7VCCCLKRD0D1D2D3D4D5D6CLK IN2CSRDWR：片选端，低电平有效。：片

50、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。：转换启动端，低电平有效。CLK INCLK IN：外部时钟输入端，当运用内：外部时钟输入端，当运用内部时钟时，该端接定时电容。部时钟时，该端接定时电容。Vin(+)Vin(+)、Vin(-)Vin(-)：差分模拟电压输入：差分模拟电压输入端，当单端输入时，一端接地，另一端端，当单端输入时，一端接地，另一端接输入电压。接输入电压。 ：转换终了时输出低电平。：转换终了时输出低电平。GND AGND A：模拟信号地。：模拟信号地。VREF/2VREF/2：参考电压任选端。悬空时，：参考电压任选端。悬空

51、时，由内部电路和由内部电路和VREFVREF产生产生2.5V2.5V的电压值，的电压值，假设该端接外加电压时，可改动模拟电假设该端接外加电压时，可改动模拟电压输入范围。压输入范围。GND DGND D：数字信号地。：数字信号地。VCCVCC：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。D0D0D7D7：数字量输出。：数字量输出。INTR 7.3.6 集成集成ADC 2ADC0804的引脚及其功能的引脚及其功能134567891020191817161514131211CSRDWRINTRVin(+)Vin(-)GND A

52、VREF/2GND D 图7-23 ADC0804 引脚陈列图D7VCCCLKRD0D1D2D3D4D5D6CLK IN2 7.3.7 ADC的典型运用的典型运用 ADC0804的运用的运用 图图7-247-24是是ADC0804ADC0804延续进展延续进展A/DA/D转换的接线图。其时转换的接线图。其时钟频率钟频率f f由外接电阻由外接电阻R R和电容和电容C C决议：决议：kHzRCf606101501 . 1101 . 119 (7-33) 7.3.7 ADC的典型运用的典型运用+5V图7-24 用ADC0804进展延续转换外部接线图Vin+5V1k1k1k1k1k1k1k1kVCC1

53、0kR1C105V10k150pF0.001F7417CSRDWRCLK ININTRVin(+)Vin(-)GND AVREF/2GND DVCCCLK RD0D1D2D3D4D5D6D7ADC0804LEDNCC2 ADC0804的运用的运用 由于电容由于电容C1C1两端电压不能突变，在接通电源后，两端电压不能突变，在接通电源后，C1C1两端两端产生一个由产生一个由0V0V按指数规律上升的电压，经集电极开路缓冲按指数规律上升的电压，经集电极开路缓冲/ /驱动器驱动器74177417整形后加给整形后加给 一个阶跃信号。此低电平使一个阶跃信号。此低电平使ADC0804ADC0804启动，开场任

54、务。启动，开场任务。WR 7.3.7 ADC的典型运用的典型运用 1 1启动启动ADC0804 ADC0804 2数据转换数据转换INTRWR 启动后，启动后，ADCADC对对0 05V5V的输入模拟电压进展转换，一次转的输入模拟电压进展转换，一次转换完成后，换完成后， 变为低电平，使变为低电平，使 =0=0，ADCADC重新启动，重新启动，开场第二次转换。开场第二次转换。LEDLED灯的亮、灭情况反映了数据转换输灯的亮、灭情况反映了数据转换输出的结果，即当出的结果，即当Di=0Di=0时，时，LEDLED亮，当亮，当Di=1Di=1时，时，LEDLED不亮。不亮。 ADC0804任务过程任务

55、过程 7.3.7 ADC的典型运用的典型运用 3延续转换的设置延续转换的设置 4输入电压范围的调整输入电压范围的调整 ADC0804任务过程任务过程 CSRD 为使为使ADC0804ADC0804芯片延续不断地进展芯片延续不断地进展A/DA/D转换，并将转换后转换，并将转换后得到的数据延续不断地经过得到的数据延续不断地经过D0D0D7D7输出，输出， 和和 必需接必需接低电平低电平( (地地) )。 图图7-247-24电路输入模拟电压范围为电路输入模拟电压范围为0V0V5V5V，输出数字为，输出数字为0 0255255。当输入电压范围改动时，为得到八位分解度，可在。当输入电压范围改动时，为得

56、到八位分解度，可在VREFVREF端接上适当电压。当端接上适当电压。当VCC=5VVCC=5V时，假设时，假设VREF/2VREF/2端悬空，内端悬空，内部电路使部电路使VREF/2VREF/2端电位为端电位为2.5V(VCC/2)2.5V(VCC/2)。假设。假设VREF/2VREF/2端加端加1V1V电压，那么输入电压范围为电压，那么输入电压范围为0V0V2V2V；假设接；假设接2V2V，输入电压范，输入电压范围就为围就为0V0V4V4V，依次类推。，依次类推。 7.4运用举例运用举例CSRD A/DA/D和和D/AD/A转换器是各种进展数据采集、检测、分析和控制转换器是各种进展数据采集、检测、分析和控制系统中必不可少的部分。图系统中必不可少的部分。图7-257-25为一恒温箱的微机控制系统为一恒温箱的微机控制系统功能框图。系统由传感器、多路开关、采样功能框图。系统由传感器、多路开关、采样- -坚持电路、可坚持电路、可编程增益控制放大器、编程增益控制放大器、A/DA/D转换器、转换器、D/AD/A转换器和微处置器