第11章数模模数转换

第11章数模和模数转换11.1概述11.2数模转换器11.3模数转换器1传感器(温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机11.1概述能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.2一、D/A转换器的基本工作原理11.2数模转换器D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。31.权电阻网络D/A转换器11.2数模转换器二、D/A转换器的主要电路形式权电阻双向模拟开关数字量输入模拟量输出运算放大器411.2数模转换器权电阻网络DAC的原理分析当di=1时，Si接到参考电压UREF上；当di=0时，Si接地。511.2数模转换器运算放大器总的输入电流为运算放大器输出电压为令RF=R/2，则611.2数模转换器当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0；当Dn=Dn-1…D0=11…1时，。输入一组数字量，得到了与之对应的模拟量7分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。分辨率11.2数模转换器1.分辨率三、D/A转换器的主要技术指标①D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－可用输入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；②可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。811.2数模转换器2.转换精度输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。3.转换速度

从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差±0.5LSB范围内所需要的时间，称为建立时间tset。目前单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到0.1微秒以内。4.温度系数

在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。911.2数模转换器四、8位集成DAC08328位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB

它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成。LE＝1，跟随＝0，锁存1011.2数模转换器2.DAC0832引脚功能DI7～DI0：8位输入数据信号。IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满量程输出）；为全0时，IOUT1为0。IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足IOUT1+IOUT2＝满量程输出电流。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。

CS：片选信号，低电平有效。WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）XFER：数据传送选通信号，低电平有效。WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）1111.2数模转换器

任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线，只在板中的一点把它们连接起来（通过0欧姆电阻）。DGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。UCC：电源输入端（一般取+5V～+15V）。123.DAC0832特性参数11.2数模转换器分辨率：8位功耗：20mW4.DAC0832工作方式

当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7～DI0进入输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。DAC0832的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种工作方式。13DAC0832的三种工作方式11.2数模转换器（b）单缓冲方式：此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。14A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。11.3模数转换器一、A/D转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出15

模拟信号经采样后，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。11.3模数转换器①在采样脉冲S(t)到来，VT导通，UI(t)向电容C充电，UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样②采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持

场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形1.取样和保持1611.3模数转换器1.并行比较型A/D转换器电压比较器

U+≥U-时，Ci＝1；

U+＜U-时，Ci＝0。

1711.3模数转换器

并行比较型A/D转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V则数字量输出d2d1d0＝101。18①优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。②缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个触发器。

因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。11.3模数转换器并行比较型A/D转换器的特点：19分辨率=1.分辨率分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的1/2n）。11.3模数转换器三、A/D转换器的主要技术指标例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为？202.转换时间转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。

A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；②逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；③并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。11.3模数转换器2111.3模数转换器3.转换误差

它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差≤，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV（对应于0～450℃温度范围），需分辨的温度为0.1℃，试问应选择几位的A/D转换器？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需选用13位A/D转换器。2211.3模数转换器四、8位集成ADC08091.ADC0809特性参数分辨率：8位精度：8位转换时间：100µs增益温度系数：20ppm/℃输入电平：TTL功耗：15mWADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。23②发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；11.3模数转换器2.ADC0809工作原理④转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。①输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；③转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；24IN0～IN7：8路模拟电压输入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二进制数码输出。OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。11.3模数转换器3.ADC0809引脚功能25CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比