数字电路与逻辑设计运放的输出模拟电压为

第9章数模转换和模数转换本章要点本章分别讲授了数模转换和模数转换的根本原理和常见的典型电路。文中主要介绍数模转换的根本原理，数模转换器的转换精度和转换速度，分别介绍了权电阻网络数模转换器，倒T型电阻网络数模转换器和权电流型数模转换器；然后介绍了模数转换的一般原理和步骤，分别介绍了并联比较型模数转换器，逐次逼近型和双积分型模数转换器的工作原理。你知道吗？随着计算机技术的迅猛开展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。但是，在实际控制系统中，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量，而数字系统输出的数字量必须复原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。数－模转换是数字电子技术中非常重要的组成局部。5.1根本RS触发器5.1.1电路结构注意：图片----动画是溶解，快速；文字：24号，宋体，百叶窗，快速。公式：溶解，快速；*参看电工与电子技术根底：电工根底ppt9.1概述A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号的电路称为模数转换器，记为ADC〔analogtodigitalconverter〕。D/A转换器：将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器，记为DAC〔digitaltoanalogconverter〕。典型的数字通信系统框图

典型的数字控制系统框图9.2数模转换

数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路。为了将数字量转换成模拟量，就需要对每一位的数码按照其权的大小转换成对应的模拟量。数模转换从某种意义上讲就是把二进制的数转换相应的模拟量的数值。D/A转换框图一个多位二进制数可表示为其中：2n-1、2n－2．．．21、20称为最高位〔MostSignificantBit，简称MSB〕到最低位〔LeastSignificantBit，简称LSB〕的权。n位D/A转换器原理方框图D/A转换器的组成DAC一般由数码缓冲存放器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。数字量输入后存储在数码缓冲存放器中，对应位数上的数控模拟开关由缓冲存放器的输出控制，在解码网络中获得的相应数位的权值后送入求和电路，由求和电路将各位权值相加，输出即是要转换的模拟量。按解码网络权电阻网络DACR–2R倒T形电阻网络DAC权电流型网络DACT型电阻网络DAC按电子开关类型CMOS开关型DAC〔速度低〕电流开关型DAC〔速度高〕ECL电流开关型DAC〔速度最高〕双极型DAC〔速度高〕分类DAC0808、DAC0807CB7520、DAC0832权电阻网络D/A转换器4位权电阻网络D/A转换器：由权电阻网络、4个电子模拟开关和1个求和放大器组成。〔1〕S3~S0:为电子开关，其状态受输入数码D3~D0的取值控制。当Di＝1时相应的电子开关Si将权电阻23-iR和基准电压VREF接通，有支路电流Ii流向求和放大器；当Di＝0时相应的电子开关Si将权电阻23-iR接地，支路电流Ii为零。9.2.1权电阻网络D/A转换器的构成和根本原理〔2〕求和放大器A：为一个接成负反响的理想运算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于负反响，存在虚短和虚断，即V－≈V＋＝0，iI＝0。输入数字Di=1时，开关Si将电阻23-iR接到基准电压VREF上，在23-R上的电流为。

运放的输出模拟电压为：运放A反相输入端的总电流假设取反响电阻Rf=R/2，那么输出模拟电压表达式为如果D/A为n位数字量输入，那么可得输出的模拟电压与输入的数字量Di成正比。Dn-1…D1D0=0…00时vO=0Dn-1…D1D0=0…01时电压的变化量Dn-1…D1D0=1…11时电压的范围假设VREF取正值，那么vO为负值。假设想vO为正值，可将VREF取负值。优点:电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点:各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差异就越大，故很难保证电阻的精确度。为了克服电阻的阻值相差较大这个缺点，在输入数字量较多时可采用以下图所示的电路。在该网络中，每级仍然只有4个电阻，它们之间的阻值之比还是1:2:4:8，只要取两级之间的串联电阻RS=8R，即可得到倒T形电阻网络4位倒T型电阻网络D/A转换器4位倒T形电阻网络DAC原理电路电子开关参考电压运放接成反相比例运算00109.2.2倒T型D/A转换器的构成和根本原理4位倒T型电阻网络D/A转换器输出电压的推导注意：无论电子开关接哪边，与相连的电阻均相当于接“地〞〔地或虚地〕。推广：n位倒T型电阻网络D/A转换器输出电压公式一般倒T型电阻网络DAC集成芯片都选用Rf=R，那么注意：倒T形电阻网络DAC是目前广泛使用的DAC中速度较快的一种，常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有DAC0832(8位)、AD7520〔10位〕、DAC1210〔12位〕和AK7546〔16位高精度〕等。模拟开关参考电压运放接成反相比例运算4位权电流型D/A转换器

Di=1时，模拟开关Si接向运算放大器的反相端，有电流流过放大器。

Di=0时，支路相当于接地，无电流流过放大器。9.2.3权电流型D/A转换器的构成和根本原理注意：该电路转换精度较高，但电路结构较复杂，主要考虑的是恒流源特性问题。改进：采用具有电流负反响的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：双极性输出的D/A转换器9.2.4具有双极性输出的D/A转换器的构成和根本原理

由于D/A转换器中数字量有正负之分，此时要求输出电压也应有正负，这就要求D/A转换器工作于双极性方式。

由于二进制算术运算中通常都把带符号的数值用补码的形式表示，故希望D/A转换器能够把以补码形式输入的正、负数分别转换成正负极性输出的模拟电压。为了简单起见，下面以3位补码的情况为例，说明如何实现D/A转换器的双极性工作方式。此表数值用普通的3位倒梯形电阻网络的D/A转换器实现。输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1.具有双极性输出电压的D/A转换器9.2.5集成DAC芯片DAC0832DAC0832内部电路结构图DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。单电源供电，从+5～+l5V均可正常工作。基准电压的范围为±10V，电流建立时间为lµs，低功耗20mW。引脚图1.DAC0832引脚及使用说明①VCC：电源输入线，+5V~+15V；②VREF：参考电压，-10V~+10V；③DGND：数字量地；④AGND：模拟量地；⑤DI0~DI7：数字量输入线；⑥RFB：反响信号输入端，在芯片内部，为15KΩ；⑦IOUT2、IOUT1：模拟电流输出线，等于VREF/RFB，通常接运放的两个输入端；⑧CS：片选端，低电平有效。当为低电平时，该片被选中；当为高电平时输入寄存器数据被封锁，数据不能输入到输入寄存器，该片未被选中；⑨ILE：允许数字量输入，当ILE高电平时，允许8位输入存放器输入数字量；⑩XFER：传输控制输入，低电平有效。用于控制WR2是否被选通；（11）WR1：写命令输入。控制数字量输入到8位输入寄存器。低电平有效，上升沿锁存。当ILE、CS和WR1同时有效，数字量写入输入寄存器；在WR1的上升沿数据锁存；（12）WR2：写命令输入，低电平有效。控制D/A转换时间。当XFER、WR2同时有效时，数字量才写入DAC寄存器，并在WR2的上升沿数据锁存；2.DAC0832的应用DAC0832内部有输入存放器和DAC存放器两个存放器，因此DAC0832能工作于双缓冲方式，即两个存放器可以同时保存两组数据，8位数字量输入可先保存在输入存放器中，然后再将此数据由输入存放器送到DAC存放器中锁存并进行D/A转换。这样就防止在输入下一次数字量的时候对模拟信号输出的干扰。同时在进行D/A转换的同时输入下一次数字量也可以提高D/A转换的速度。3.DAC0832的工作方式〔1〕直通型DAC0832直通型工作方式说明：此时，输入存放器和DAC存放器的输出随数字量的变换而变化。一般直通型工作方式常用于模拟量能直接迅速的反映数字量变化的系统〔2〕单缓冲型DAC0832单缓冲型工作方式说明：所谓单缓冲方式就是使DAC0832的输入存放器和DAC存放器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入存放器同时受控的方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出时，就可采用单缓冲方式。〔3〕双缓冲型DAC0832双缓冲型工作方式说明：所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的输入存放器和DAC存放器都接成受控锁存方式。为了实现存放器的可控，应给存放器分配一个地址，以便能按地址进行操作。9.2.5集成D/A转换器及其应用D/A转换器MC3408(倒T型)的结构与特点各引脚功能如下：

1.NC：空脚，一般悬空处理2.GND：接地3.VEE：负电压-15V4.IO：加权电流输出端(接运放)5-12.D0~D7：8位数字输入端13.VCC：正电源5V14.VREF(+)：正基准电压输入端15.VREF(-)：负基准电压输入端16.Comp：外接补偿电容MC3408应用举例输出模拟电压:注：当参考电压不变时，输入数字量不变，负载上可获得稳定的电流。

RF=RR=5k，VREF=10V时，可得：DAC0808应用举例DAC0808：8位权电流型；D0～D7：数字量输入端。注意：用这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1。DAC0808D/A转换器输出与输入的关系〔设VREF=10V〕9.2.6D/A转换器的主要技术指标1.转换精度分辨率和转换误差通常用来描述D/A转换器的转换精度。1〕分辨率分辨率表示D/A转换器对输入微小量变化的感应程度，是理论上可以到达的精度。其定义是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可分辨的电压变化量ΔV与最大输出电压Vm之比，即：其中n是输入数字量的位数，因此输入数字量位数越多，分辨率也越高。2〕转换误差实际的D/A转换特性与理论转换特性之间的最大偏差。分为：非线性误差、比例系数误差和。实际中，D/A转换器的元器件总是存在一定的误差，如电阻阻值精度、运算放大器的零飘、基准电压不够稳定等等。这些因素都会产生转换误差，影响转换精度。★非线性误差：由电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，是一种没有一定变化规律的误差。常用满刻度的百分数来表示。★比例系数误差：由参考电压VREF的偏离而引起的误差。★漂移误差：也叫失调误差，由运算放大器的的零点漂移产生的。建立时间tset—当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间，一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1，输出电压到达与稳态值相差±LSB/2范围内的这段时间,最短可达0.1μs。温度系数是指在输入量不变的情况下，输出量随温度产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每上升1度，输出电压变化的百分数来表示，它描述了温度对输出的影响程度。温度系数越小，输出电压受温度的影响就越小。2.转换速度

D/A转换器将数字量转化成模拟量，需要一定的建立时间，建立时间的大小决定了转换速度。通常用建立时间来描述D/A转换器的转换速度。3.温度系数9.3模数转换

模数转换器是将时间和幅值都连续的模拟信号转换为时间和幅值都是离散的数字信号的电路，一般指将电压量转换为数字量的过程。要实现模数转换，一般需要经过四个过程，即采样、保持、量化和编码。模数转换的四个过程9.3.1A/D转换的根本原理1.采样：采样是将时间上连续的模拟信号转换为时间上离散的信号。模拟信号的采样原始模拟信号采样脉冲采样信号

为了保证采样信号fs(t)能正确无误的表示模拟信号f(t)，采样信号的频率必须满足采样定理输入的模拟信号的频率的最大值注：在满足采样定理的条件下，可以用低通滤波器无失真的从采样信号中的恢复出原模拟信号。

由于对采样信号的数字化处理需要时间，而采样信号的频率越高，留给数字化处理的时间越短，故样信号需要保持一定时间，这个过程称为保持。一般采样和保持都在采样保持器中一起完成。采样保持电路2.量化：量化是将时间上离散，幅值上连续的采样信号进行幅值离散处理〔取整〕的过程，即将采样脉冲电平转换为与之相近的离散数字电平的过程。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。量化的两种方法量化单位只舍不入，量化误差为△有舍有入，量化误差为△/2量化利用比较器完成，编码用触发器和编码器完成9.3.2不同类型ADC的特点≥1≥1≥1≥1≥1≥111

D0D1D2并联比较型A/D转换器1.组成：由电压比较器，存放器和编码器构成。优点：转换速度很快。

缺点：电路复杂，转换精度较低。位数越高，所用元件数量越多。反响比较型A/D转换器反响比较型A/D转换器的根本原理：由计数器产生一个二进制数字，将其加到D/A转换器上，那么可得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较，如果两者不相等，那么调整所取得数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得数字量即为所求的转换结果。计数型A/D转换器工作原理：取一个“D〞加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，那么调整D的大小，到相等为止，那么D为所求值a.将计数器清零，且vL＝0。此时门G被封锁，计数器不工作，计数器输出为0，那么vo＝0；如果vI>0，那么vI>vo，比较器的输出电压vB＝1；b.当vL为高电平时，开始进行转换，脉冲源发出的脉冲经过门G加到计数器时钟脉冲输入端CLK，计数器开始加法计数。随着计数的进行，D/A转换器的输出电压不断增加。c.当增加到vI＝vo时，比较器输出vB变成低电平，并将门G封锁，计数器停止计数，此时计数器的状态就是所求的输出数字信号。注：a.由于转换过程中计数器的数字不断变化，所以不能将计数器的状态做为输出的数字信号，而是在输出端设置可输出存放器，并在vL的下降沿的控制下，存放器的状态为最终的输出数字信号。b.此方案的缺点是转换时间长。当输出为n位二进制数码时，最长的转换时间是2n－1倍的时钟脉冲信号周期。由于此电路结构简单，常用在对转换速度要求不高的场合。将n位数字量从高位起逐次设置为“1〞，并利用DAC产生参考电压vDA，与输入模拟信号vi做比较。假设二者不相等，那么调整DAC产生的参考电压，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。工作原理逐次逼近型A/D转换器逐次渐近型A/D转换器

逐次渐近就如称重物，如13g的重物，有砝码8g、4g、2g、1g。比较过程如右表所示工作原理：双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器的示意原理双积分型A/D转换器属于间接A/D转换器，将模拟信号转换成时间T，在T内利用基准时钟脉冲CP计数，通过计数器将T变换成数字量。由积分器、过零比较器、时钟脉冲控制门G、计数器和定时器构成。★优点：1.抗干扰能力强。因采样值为输入电压的平均值，故对叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。2.转换结果与时间常数RC无关，消除了由于斜波电压非线性带来的误差。3.不必采用高稳定度的时钟源，只要求时钟源在一个转换周期内保持稳定即可。4.应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。9.3.3不同类型ADC的特点

模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC。1.间接ADC

先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用是双积分型ADC。双积分型ADC：先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲〔CLK〕计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。特点：工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作速度低。常用的集成芯片有CB7106CB71272.直接ADC直接ADC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC。并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是本钱高、功耗大。n位输出的ADC，需要2n个电阻、〔2n－1〕个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。并联比较型ADC逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要〔n+1〕个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。常用的集成芯片有ADC0804ADC08099.3.4集成ADC芯片ADC0809ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次比较存放器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。ADC0809内部逻辑结构图1.ADC0809A/D转换工作原理2.ADC0809引脚及使用说明ADC0809采样频率为8位，以CMOS集成工艺制成。单个＋5V电源供电，模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准，输出电压范围为0～5V，转换时间为100μs。功耗低，约为15mW。管脚图各引脚功能如下①IN7～IN0：模拟量输入通道，电压范围为0～5V。注意：输入信号为单极性信号；假设信号过小还需进行放大；如果变化太快，在输入前应增加采样保持电路；②ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。在对应ALE上跳沿，ADDA、ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中；③ADDA、ADDB、ADDC：地址线，ADDA为低位，ADDC为高位，用于对输入的模拟通道进行选择，简化为A、B、C。当CBA=000时，选中输入端上IN0的模拟电压进行A/D转换；同理，当CBA=001时，选中输入端上IN1的电压进行转换；依次类推，当CBA=111时，选中IN7输入端上的电压进行转换；④START：转换启动信号。该脉冲由数字控制系统提供，宽度要大于100ns；上升沿时，所有内部存放器清零；START下降沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，应保持低电平；⑤D7~D0：数据输出线。D7为最高位，D0为最低位。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连；⑥OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0时，输出数据线呈高阻态；OE=1时，使D7～D0引脚上输出转换后的数字量

；⑦EOC：转换结束状态信号。当EOC=0时，正在进行转换；当EOC=1时，转换结束，数字量已锁入“三态输出锁存器〞。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用；⑧CLK：时钟信号。用于为ADC0809提供逐次比较所需时钟脉冲序列。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。最高频率为650kHz，通常使用频率为500kHz。时钟频率决定了A/D转换器的转换速率，ADC0809每一通道的转换约需66～73个时钟周期，当时钟频率取640KHz时，转换一次约需100ns的时间，这是ADC0809所能允许的最短转换时间；⑨

VCC：+5V电源

；⑩

VGND：地

；⑾VREF〔+〕、VREF〔－〕：参考电源。参考电源用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为VREF〔+〕=5V，VREF〔－〕=0V。ADC0809的典型时序ADC0809的典型时序图最小启动脉宽，典型值200ns。存放器清零地址设置时间，典型值100ns转换时间转换结束时间ADC0809的工作过程输入三位地址ALE上升沿锁存START上升沿，逐次比较存放器清零EOC低电平START下降沿转换开始CLK控制转换结束EOC高电平OE为高电平，数据传输到母线3.ADC0809的典型应用8通道数据采集系统ADC0809与单片机的连接之一9.3.4集成A/D转换器MC144331〕MC14433的特点：MC14433的结构图与管脚图MC14433是美国Motorola公司生产的单片3位A/D转换器，它为双积分式A/D转换器。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并具有自动校零和自动极性转换功能。MC14433的结构图包括时钟信号发生器、4位十进制计数器、多路开关、逻辑控制器、极性检测器和溢出指示器★MC14433的组成：★MC14433主要功能特性：(1)精度：读数的±0.05%±1字；(2)模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档；(3)转换速率：2-25次/s；(4)输入阻抗：大于1000MΩ；(5)电源电压：±4.8V~±8V；(6)功耗：8mW(±5V电源电压)；用做数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。★MC14433最主要的用途2〕MC14433的引脚说明1-

AGND，模拟地；2-VRE