9电子技术基础

1、第9章 数/模和模/数转换器9.1 数/模转换器DAC9.2 模/数转换器ADC 理解数模和模数转换的基本概念；熟悉数模和模数转换器的工作原理及特点；了解常用数模和模数转换器主要技术指标的意义。 学习目的与要求 数/模与模/数是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称D/A转换器；能将模拟量转换为数字量的装置称为模/转换器，简称A/D转换器。概 述传感器ADC数字计算机DAC模拟控制控制对象数字信号模拟信号9.1 数/模转换器DAC 数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。目前常见的D/A转换

2、器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。 1. DAC的基本概念 构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。 (1) DAC的转换特性 DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。数字量输入模拟量输出DAC组成框图基准电压数据锁存器电子开关电阻网络求和放大 图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位

3、锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为2n-1、2n-2 21、20等，其大小可表示为：DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为： 电流转换系数电压转换系数01234567001010011100101110111u0/VD000 当Ru（或Ri）为1、n时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示：模拟输出理想

4、特性数字输入DAC的转换特性曲线 (2) DAC的主要参数 1）分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是 0 )与最大输出电压 (此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比。例 一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为： 从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。 2）绝对精度(或绝对误差)和非线性度 绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。 在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差

5、。非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。 3）建立时间 指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。 除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。2. DAC的工作原理 (1) 权电阻网络DACRFXn-1Xn-2X2X1X0-+URSn-1Sn-2S2S1S0模拟电子开关u0集成运放20 R21 R2n-2 R2n-1 R2n-0 R 权电阻，从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍。反馈网络n位二进制数字输入u0RFX3X2X1X0-+URS3S2S1S02

6、0 R21 R22 R23 RI1I31010 当输入的数字信号为1010时，电子模拟开关的动作受此二进制数控制，相应为“1”的开关接到位置1上；将基准电压UR经电阻引起的电流通入运放的反相输入端，即流入求和电路；相应数字量为“0”的权电阻由开关S直接到“地”。 权电阻网络DAC工作原理IFu0RFX3X2X1X0-+URS3S2S1S020 R21 R22 R23 RI1I31010IF若RF=5K，R=80K时u0RFX3X2X1X0-+URS3S2S1S020 R21 R22 R23 RI1I31011IF仍有RF=5K，R=80KI0u0RFX3X2X1X0-+URS3S2S1S020

7、 R21 R22 R23 RI2I31100IF仍有RF=5K，R=80K 显然，输出模拟电压的大小直接与输入的二进制数大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。 ( 2) 倒T形电阻网络DAC 倒T形电阻网络的电阻均为R和2R，与权电阻网络不同。-+RFUR2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2结点B结点C结点D结点EXn-1Xn-2X2X1X0u0模拟电子开关n位二进制数字输入基准电压-+RFUR2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2结点B结点C结点D结点EXn-1Xn-2X2X1X0u0输出电压：当R=RF时，输出电压：2. 集成数/模转换器DA08

8、32 DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。片选信号输入端CSWR1XFERWR2UCCILEDGNDIO1AGNDIO2D1D0D3D2URRFD6D7D4D5输入锁存允许信号端输入数据选通信号数据传送选通信号写信号2基准电源输入端反馈电阻D为数字量输入端电流输出端1和2电源515V输入端模拟“地”数字“地” 当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。 DAC0832中无运算放大器，且为电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了RF，只要将9脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须

9、外加反馈电阻。DAC0832内部结构原理图XFER47D/A转换器G1G2G3131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2输入寄存器DAC寄存器检验学习结果什么是DAC的绝对精度、非线性及转换速度？DAC电路转换特性的含义是什么？请写出其表达式。DAC电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为： 已知某DAC电路的最小分辨电压为40mV，最大满刻度输出电压为10.2V,试求该电路输入二进制数字 量的位数n=？.因为： =所以：将已知数据代入公式可求得n= 8。 uLSBum1

10、2n-1 绝对精度是指输入端给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间。 R-2R倒T形电阻网络流过各支路的电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，而且R-2R倒T型电阻网络DAC转换器中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。 R-2R倒T型电阻网络具有哪些特点？ DAC0832数模转换器是采用什么制造工艺？ DAC0832数模转换器采用的是CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。检验学习结果学习中一定要勤于思

11、索主动练习，才能掌握已学知识。9.2 模/数转换器ADC 1. 模/数转换的原理 在模拟量转换为数字量的过程中，由于输入的模拟量在时间上是连续的，而输出的数字量是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟量采样后再转换为输出的数字量。 模/数转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程一般通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。在实际电路中，这些过程有的通常是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。输入模拟电压uiCP采样保持电路取样展宽信号uiSADC电子开关S受CP控制 采样过程是通过模拟电子开关 S实现的。模拟电子开关每隔一定的时间间隔闭

12、合一次，当一个连续的模拟信号通过这个电子开关时，就会转换成若干个离散的脉冲信号。 .Dn-1D1D0ADC的量化编码电路 通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。 量化编码就是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将这些离散信号用对应量化电平的一组二进制代码表示。 N位数字量输 出 采样是将时间上、幅值上都连续变化的模拟信号，通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。因此采样又称为波形的离散化过程。 (1) 采样保持电路CPSADCuiu0采样保持电路 CP1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。 CP0时

13、，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP1信号到来，再对新的电压信号进行采样。采样定理： 输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率为fs，如果fs2fmax，则可以无失真地复现输入信号。ui采样电路的输入信号波形采样电路的离散输出波形tu采样间隔时间采样保持时间 为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，也就是前面我们所说的采样定理。 量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。即任何一个数字量的大小只能是某个规定的

14、最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个最小数量单位的整数倍，这一转化过程就称为“量化”。 两个量化电压之间的差值称为量化间隔S，量化电压的位数越多，量化等级越细，S的数值就越小。显然，量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二进制代码表示。量化过程中所取的最小数量单位称为量化当量。是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。 编码：将量化后的信号用对应量化电平的一组二进制代码来表示的过程称为编码。 (2) 量化编码电路将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。方法一：取1/8 V，0 1/8

15、 V 的电压以0表示，则模拟电压0V1/8 V2/8 V3/8 V4/8 V5/8 V6/8 V7/8 V1V二进制编码000001010011100101110111代码对应的模拟离散电平0 0V 1 1/8 V122/8 V3 3/8 V44/8 V55/8 V66/8 V77/8 V可见，量化误差最大达=1/8 V。例方法二：取2/15 V，0 1/15V 的电压以0表示，则0 0V 1 2/15 V24/15 V36/15 V48/15 V510/15 V612/15 V714/15 V将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。例0V1/15 V3/15 V5/15 V7/15 V9/1

16、5 V11/15 V13/15 V1V模拟电压二进制编码000001010011100101110111代码对应的模拟离散电平可见，量化误差最大达/2=1/15 V。 对采样值量化的方法通常采用四舍五入法。当最小量化间隔为S时，若采样电压的尾数不足S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于S/2，则四舍五入，在原整数上加1。 已知S1V，若采样电压等于2.1V时，量化电压等于2V；若采样电压等于2.5V时，量化电压等于3V。舍尾取整法四舍五入法 不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化值之间的误差。若要减小，就应在测量范围内减小量化间隔S，即增加数字量X的位数和模拟电

17、压的最大值um。四舍五入量化方式的量化当量按下式选取：例分辨率 通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，转换精度越高。 指ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。它反映了ADC转换的快慢速度。 指ADC转换后所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。 2. ADC的主要技术指标转换时间绝对精度3逐次比较型ADC电路组成及工作原理(1) 逐次比较型ADC方框图输出数字量经DAC转换后产生相应的模拟电压uF，送到比较器中与输入信号ui进行比较，ui大时比较器输出“1”，否则为“0”。CP输出数字量模拟信号输入

18、电压比较器基准电压逐次逼近寄存器D/A 转换器逻辑控制器数码 寄存器uF反馈电压转换开始前寄存器清零。转换后，在CP作用下，逻辑控制器首先使寄存器中最高有效位置“1”。(2)逐次逼近型模/数转换器电路原理图逐次逼近寄存器读出“与”门逻辑控制门电压比较器四 位 DACQFF3SRQSRQSRd0+UiCPd1d2E11QSRFF2FF1FF01UAd3五位顺序脉冲发生器Q4Q3Q2Q1Q0d0d1d2d3 逐次比较型ADC是集成ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码的输出。 当uiuF时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高位的1，次高位置“1”；当

19、uiuF时，比较器输出“1”，控制器控制寄存器最高位置“0”，次高位置“1”。寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置“1”，若送入1保留最高位，次高位置“0”，第三位置“1”，寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态(即产生的数码)就是所要求的ADC输出的数字量。工作原理 双积分型ADC的基本原理是对输入模拟电压ui和参考电压各进行一次积分，先将模拟电压ui转换成与其大小相对应的时间间隔T，再在此时间间隔内用计数率

20、不变的计数器进行计数，计数器所计下的数字量正比于输入的模拟电压ui。 度较慢，但是它的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合，常使用双积分型ADC。 双积分型ADC的转换速4双积分型ADC的结构组成及工作原理URuiS1RS2CUo积分器0比较器CP数字量输出_+A1_+A2逻辑控制器n位计数器(1) 结构组成 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 双积分型ADC在积分前，计数器应先清零，然后闭合电子开关S2，随后再把S2打开，把电容C上储存的电荷电压释放掉。时钟脉冲源采用标准周期，作为测量时间间隔的标准

21、时间。(1) 结构组成 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 在采样阶段，开关S1与被测电压接通，S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于0，比较器输出高电平1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全1变为全0的瞬间。(1) 结构组成 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 当计数器为n位时，计数时间T1=2nTC(TC是时钟脉冲的周期)。这时积分器的输出电压为：(1) 结构组成 n位二进制计

22、数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 当计数器由全1变为全0时，进入比较阶段，控制器使S1与参考电压UR相接，这时积分器对UR反向积分，电压u0逐渐上升，计数器又从0开始计数。当积分器积分至u0=0时，比较器输出低电平0，控制器封锁CP脉冲，使计数器停止计数。 (1) 结构组成 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 若计数器的输出数码为D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为： (1) 结构组成 n位二进制计数器开关控制电路&S1

23、S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 此时T2=DTC，所以： 显然，计数器输出的数码与被测电压成正比，可以用来表示模拟量的采样值。(1) 结构组成 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG-+u02u01+-+ui-UR 双积分型ADC的转换精度很高，但转换速度较慢，不适合高速应用场合。但是双积分型ADC的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合下，仍然得到了较为广泛的使用。5. 集成ADC0809简介1234567891011121314282726252423222120191817161

24、5ADC0809 左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下： IN0IN7 为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。 ADDA、ADDB、ADDC 是模拟信道的地址选择。 CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0D7 是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。5. 集成ADC0809简介 集成ADC0

25、809芯片内部包括模拟多路转换开关和A/D转换两大部分。 模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存器与译码器组成，地址锁存器允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的数据总线。12345678910111213142827262524232221201918171615ADC0809ADC0809集成电路结构组成图 ADC0809通过IN0IN7可输入八路

26、单端模拟电压。ALE将三位地址线ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行A/D转换。 ADC0809内部由树状开关和256R电阻网络构成8位D/A转换器，输入为逐次近似寄存器SAR的8位二进制数据，输出为UST，变换器的参考电压为UR(+)和UR(-)。 比较前，SAR全 0，变换开始，先使SAR的最高位为1，其余仍为0，此数字控制树状开关输出UST，UST和模拟输入UIN送比较器进行比较。USTUIN时比较器输出逻辑0，SAR 的最高位由1变为0；USTUIN时比较器输出逻辑 1，SAR的最高位保持1。此后SAR的次高位置1，其余较低位仍为0，而以前比较过的高位保持原来值。再将UST和UIN进行比较。之后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。 转换结