《电工与电子技术》第11章数模、模数转换

电工教研室北京理工大学信息科学技术学院第11章模拟量与数字量的转换11.1数模转换器（DAC）11.2模数转换器（ADC）

11.3模拟开关及采样保持电路

第11章模拟量与数字量的转换在检测、控制数字系统中，将模拟量转换为数字量和将数字量转换为模拟量是必不可少的环节，其系统方框图如下被控对象微处理器ADCDAC系统方框图检测信号控制信号放大被控对象如温度，压力等物理量，经传感器检测得到它们的模拟信号，将其进行放大，然后送入模数转换器（ADC），将模拟信号转换为数字信号后由微处理器对信号进行处理。根据处理的结果，微处理器发出相应的数字控制信号，再经数模转换器（DAC）将数字信号转换为模拟信号去控制被控对象。

11.1数模转换器（DAC）11.1.1数模转换器（DAC）的转换原理数模转换器有多种电路类型，其中T型电阻数模转换是较常用的一种。下图是四位T型电阻转换器原理图，R和2R电阻构成T形电阻网络。S3、S2、S1、S0为模拟开关，其开关状态分别受输入的二进制数字信号D3、D2、D1、D0控制。如D0＝1时，模拟开关S0合向左边，支路电流I0流向Ioutl；当D0＝0时，S0合向右边，支路电流I0流向Iout2。运算放大器A0为电流求和放大器，它对各位数字所对应的电流求和，并转换成相应的模拟电压。UREF为高精度基准电源。

A0++UREFIIout21

D0

D2

D1

D30Rf2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3UoI0I3I2I1Iout1四位T型电阻转换器原理图T型电阻DA转换器的工作原理由于运算放大器的反相输入端为“虚地”，所以无论模拟开关接向左边还是右边，电阻2R接模拟开关一侧的电位都为零，因此从UREF端看进去的等效电阻为R。由此求得总电流I＝UREF／R，各支路电流分别为即每位支路电流与二进制权值（23、22、21、20）成正比。当每位开关合向左边时，支路电流由Ioutl流出，开关合向右边时，支路电流由Iout2流出。因此输入不同的二进制数时，流过Rf的电流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的输出电压。对于输入的任意四位二进制数D3、D2、D1、D0，流过Rf的电流为Iout1＝I3D3＋I2D2＋I1D1＋I0D0=运算放大器的输出电压为Uo＝RfIout1＝(23D3+22D2+21D1+20D0)即每位支路电流与二进制权值（23、22、21、20）成正比。当每位开关合向左边时，支路电流由Ioutl流出，开关合向右边时，支路电流由Iout2流出。因此输入不同的二进制数时，流过Rf的电流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的输出电压。对于输入的任意四位二进制数D3、D2、D1、D0，流过Rf的电流为Iout1＝I3D3＋I2D2＋I1D1＋I0D0=运算放大器的输出电压为Uo＝RfIout1＝(23D3+22D2+21D1+20D0)可见，输出的模拟电压与二进制数字信号成正比。同理对于n位DA转换器若取Rf＝R，则Uo＝－n-1Dn-1+2n-2Dn-2+------+21D1+20D0)11.1.2DA转换器的主要参数分辨率定义为最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压（对应的输入二进制数全为1）之比，即1.分辨率显然位数越多，能分辨出的最小电压越小。有时也直接用DA转换器的位数表示分辨率，位数越多，分辨率越高。通常用非线性误差的大小表示DA转换器的线性度。产生非线性误差的原因是模拟开关导通的压降，电阻网络各阻值不尽相等等。2.线性度转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，其产生的原因是各模拟开关的压降不一定相等，各电阻阻值的偏差不可能做到完全一致。3.精度从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值所需时间称为建立时间。其建立时间主要取决于运算放大器到达稳定状态所需时间。对于十位的单片集成DA转换器的转换时间一般不超过1s。4.输出电压（或电流）的建立时间除以上参数外DA转换器还有功率消耗，温度系数等技术指标。

11.1.3集成数模转换器（DAC）

DAC0832是分辨率为8位的数模转换器，它采用20脚双列直插式封装结构，管脚排列如右图。DAC08321234567891020191817161514131211DAC0832CSWR1AGNDDI1DI3DI2DI0DI4DI5DI6DI7UREFRfBDGNDUCCXFERIout2Iout1ILEDAC0832管脚排列图WR1WR2

DAC0832是电流输出型芯片，其输出端要外接运算放大器，以便将输出模拟电流转换为模拟电压。它的电路原理框图如下图所示。

AGNDDGNDILE8位输入寄存器（1）8位输入寄存器（2）8位DA转换器≥1≥1&UCCUREFIout2Iout1RfBCSDI0~DI7RDAC0832原理框图WR1WR2XFERDAC0832是由8位输入寄存器（1）、8位输入寄存器（2）及一个8位D／A转换器三部分组成。

采用两个8位寄存器的目的是使DA转换器在对其寄存器的数字信号进行转换的同时，输入寄存器又可以接收新的输入数字信号，从而提高了转换速度。各管脚功能如下：DI0DI7：8位数字量的输入端。Iout1，Iou2：模拟电流输出端。外接运算放大器的反相输入端与Iout1相连，外接运算放大器的同相输入端和Iout2相连。Iout1输出电流为各权电流之和，与输入的数字量成线性对应关系。RfB：芯片内部电阻R的引出端，外接运算放大器的输出端，作为运算放大器的反馈电阻，也可根据需要外接电阻后再接运算放大器的输出端，R的另一端在芯片内部接Iout1端。

UREF：

权电阻网络基准电源输入端，取值范围为－10V＋10V，如为单极性输出，则输出电压在0－UREF范围内变化。UCC：电源输入端，电源电压可在515V范围内选择，当UCC＝＋15V时，工作状态最佳。DGND：数字部分接地端。AGND：模拟部分接地端。在芯片内数字地与模拟地是分开的，以免两者之间的相互干扰，根据需要在芯片外部的适当部分将两者地线相连。5个输入信号控制端：ILE：数据允许锁存信号，高电平有效。：片选信号，低电平有效。当＝0，ILE＝1，＝0时，允许输入数据存入寄存器（1）。：写入信号2，低电平有效。：传送控制信号，低电平有效。当＝0，及＝0时，数据由寄存器（1）送入寄存器（2），且进入8位DA转换部分进行转换。下图是两片DAC0832同时使用的接线方式。电路对控制信号的时序要求如下数据送到第一芯片寄存器（1）数据同时送入两个芯片的寄存器（2）转换成模拟量输出。数据送到第二芯片寄存器（1）CS1CS2时序图XFER“1”Iout1Iout2RfBCSWR1DI0~DI7DAC0832Iout1Iout2RfBDI0~DI7DAC0832输入控制信号译码器2－4线Uo1＋＋－Uo2－＋＋ILE“1”ILE两片DAC0832同时使用的接线方式图XFERCSXFERWR1WR2WR2

两个DA转换器的信号由译码器的两个输出端提供。将两个DA转换器的端接在一起，由译码器的第三个输出端提供控制信号。工作时，译码器根据它的输入信号对两个DA转换器分别发出控制信号，从而分时地将要转换的数据输入到两个芯片的寄存器（1）中，再由信号，同时将两个数据送入相应芯片的寄存器（2）中，然后进行数模转换。11.2模数转换器（ADC）

11.2.1模数转换器（ADC）的转换原理

AD转换器的种类繁多，按工作原理可分为：并联比较型，双积分型及逐次逼近型。并联比较型转换速度快，但精度不高；双积分型转换精度较高，抗干扰能力较强，但转换速度慢；逐次逼近型的转换速度较快，转换精度高，故应用较多。下面仅介绍逐次逼近型模数转换器。逐次逼近型AD转换器的工作原理如同天平称重物，采用逐次逼近的方法使重物和砝码相等。逐次逼近型模数转换器，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，其原理图如下图。

UA3位DACd0DFB3QCDFB2QCDFB1QCDFB0QC++UIFG3CPd1d2G6G8d2d1d0EG7C≥1G4G5G2G1≥1逐次逼近型模数转换器原理图QQFA2SRCQQFA1SRCQQFA0SRC

逐次逼近型模数转换器电路由下列几部分组成：它是由四个触发器FB3FB2FB1FB0构成的环形计数器，初态为QB3QB2QB1QB0＝1000数模转换器DAC的输入是逐次逼近寄存器的输出，输出电压UA送到电压比较器的同相输入端。（1）逐次逼近寄存器它由三个RS触发器FA2FA1FA0组成，输出是三位二进制数d2d1d0（2）顺序脉冲发生器（3）数模转换器（4）电压比较电路运算放大器C构成电压比较器，由它来比较输入电压UI（加在反相输入端）与UA的大小，若UAUI则输出端F为“1”；若UA≤UI，则输出端F为“0”。输出端F接至控制逻辑与门G3G2G1的输入端。

它由G1~G8组成，其中G1~G5用来控制逐次逼近寄存器的输出，G6~G8用来控制d2d1d0的输出。当读出控制端E＝1时，输出d2d1d0二进制数。（5）控制逻辑门设DA转换器的参考电压UREF＝10V，输入模拟电压UI＝6.8V。电路的转换过程为：转换开始前，FB3FB2FB1FB0的输出QB3QB2QB1QB0＝1000。在第一个时钟脉冲CP的上升沿到来后，使逐次逼近寄存器的输出d2d1d0＝100，经DAC转换输出的模拟电压为：UA＝（d222＋d121＋d020）＝4＝5V此时UIUA，则比较器C输出F为“0”。同时在第一个时钟脉冲CP的上升沿到来后，顺序脉冲发生器右移一位，使QB3QB2QB1QB0＝0100。第二个CP到来后，FA1被置1，由于原来的F=0，则FA2的1状态被保留

它由G1~G8组成，其中G1~G5用来控制逐次逼近寄存器的输出，G6~G8用来控制d2d1d0的输出。当读出控制端E＝1时，输出d2d1d0二进制数。（5）控制逻辑门设DA转换器的参考电压UREF＝10V，输入模拟电压UI＝6.8V。电路的转换过程为：转换开始前，FB3FB2FB1FB0的输出QB3QB2QB1QB0＝1000。在第一个时钟脉冲CP的上升沿到来后，使逐次逼近寄存器的输出d2d1d0＝100，经DAC转换输出的模拟电压为：UA＝（d222＋d121＋d020）＝4＝5V此时UIUA，则比较器C输出F为“0”。同时在第一个时钟脉冲CP的上升沿到来后，顺序脉冲发生器右移一位，使QB3QB2QB1QB0＝0100。第二个CP到来后，FA1被置1，由于原来的F=0，则FA2的1状态被保留UA3位DACd0DFB3QCDFB2QCDFB1QCDFB0QC++UIFG3CPd1d2G6G8d2d1d0EG7C≥1G4G5G2G1≥1逐次逼近型模数转换器原理图QQFA2SRCQQFA1SRCQQFA0SRC

（否则FA2变为0）使d2d1d0＝110，经DAC转换输出模拟电压UA＝6＝7.5V，因为UAUI，则比较器C输出F为“1”，同时顺序脉冲发生器右移一位，即QB3QB2QB1QB0＝0010。当第三个CP脉冲到来时，使FA0置1，由于原来的F=1，则FA1被置0，使d2d1d0＝101，此时UA＝（4＋1）＝6.25V，UAUI，则比较器C输出为0，同时顺序脉冲发生器右移一位，这时Q3Q2Q1Q0＝0001。当第四个CP脉冲到来，FA0的1状态被保留，使d2d1d0＝101保持不变，即为转换结果。若使E＝1，三个读出与门打开，将d2d1d0送到输出端。在第四个CP脉冲到来时，使Q3Q2Q1Q0＝1000返回到原始状态。完成了一次转换。在这个例子中转换误差为6.8－6.25＝0.55V。转换器的位数越多误差越小。11.2.2AD转换器的主要参数分辨率通常以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，它说明AD转换器对输入信号的分辨能力。2.转换速度1.分辨率用完成一次模数转换所需的时间来表示，转换时间是从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出为止所需时间。转换时间越短，转换速度越高，通常在几十微秒左右。

相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位LSB表示。如相对精度≤1LSB，表明相对精度不大于最低有效位1。3.相对精度11.2.3集成模数转换器ADC0804是逐次逼近型8位模数转换器，完成一次转换时间为100s，转换精度为1LSB，输入电压为05V。该芯片内有输出数据锁存器，使输出数据可以直接连接在CPU数据总线上。该芯片是20脚双列直插式封装，其脚管排列如右图。1234567891020191817161514131211ADC0804CSAGNDDB1DB3DB2DB0DB4DB5DB6DB7UREF/2DGNDUCCWRUIN(+)UIN()RDCLKRCLKADC0804管脚排列图INTR

各管脚引线功能如下：DB0DB7：8位二进制数字输出端，可直接接在系统的数据总线上。UIN(＋)和UIN(－)：模拟信号输入端，如果输入电压的变化范围从0V5V，则输入电压加在UIN(+)端，而UIN()端接地。UREF／2：参考电压端，是芯片内所需的基准电压。输入电压的范围可以通过调整UREF／2管脚处的电压加以改变，UREF／2端电压值应是输入电压范围的二分之一。如输入电压范围是0.5V4.5V，

则在UREF／2端应加2V的电压，当输入电压是05V时，将UREF／2端悬空，基准电压可由VCC经内部分压得到。

UCC：电源电压端，该芯片由＋5V电源提供。DGND、AGND：分别为数字地与模拟地端。CLK、CLKR：时钟脉冲端，时钟脉冲的频率决定了芯片逐位比较的节拍。由于芯片内部有时钟发生器，只需在CLKR和CLK端外接电阻电容，如右图所示，即可产生所需频为f＝的内部时钟脉冲。RC1234567891020191817161514131211ADC0804CSAGNDDB1DB3DB2DB0DB4DB5DB6DB7UREF/2DGNDUCCWRUIN(+)UIN()RDCLKRCLKADC0804时钟接线图INTR若采用外部时钟，则可直接加在CLK端，不必接R、C元件。：片选信号，低电平有效。：写入信号端，低电平有效。当＝0时读入模拟量，当上升沿到来时启动转换。：转换结束信号端，低电平有效，当转换结束时产生结束信号输出，通知外部设备读取结果。：读出信号端，低电平有效。当＝0，＝0时，读取转换器的数据，同时自动变高电平。数据输出高阻态接通转换时间RDINTR(输出)ADC0804的工作时序CSWRADC0804的工作时序图如下

LED+5V+5VRPUCCURFE/2UIN(+)UIN(-)GND单次脉冲CLK连续脉冲DB0DB7CSADC0804AD转换器特性测试电路接线图RDWR下图是AD转换器特性测试电路接线图，其中输出端DB0DB7分别接发光二极管LED，CLK端直接接连续脉冲，其频率大于1KHZ。调节电位器RP可获得0~5V的输入电压，转换的数字量可由发光二极管观测到。

11.3模拟开关及采样保持电路在数据采集系统中通常要对多路模拟量进行采集，而且将模拟量转换为数字量要经过采样，保持，转换三个步骤。对多路模拟量进行采集可以用模拟开关实现；采样、保持由采样―保持电路完成；转换由A／D转换器完成。下面介绍一下模拟开关和采样―保持电路。11.3.1.模拟开关模拟开关通常由控制电路和开关电路两部分组成，一般采用MOS场效应晶体管或双极型晶体管。由N沟道增强型MOS管T1和P沟道增强型MOS管T2构成的传输门如右图CPT1UoT2CPUiUDD传输门电路

输入电压Ui为010V。当CP为10V（CP＝1）时，则为0V（＝0）。设MOS管的栅极开启电压范围为：2.1V~3V。Ui为07V时，T1导通；

Ui为310V时，T2导通。所以当CP＝1、Ui在010V范围内变化时，T1与T2至少有一个导通，能使信号从输入端传送到输出端，即Uo＝Ui，相当于开关接通。相反，当控制信号CP＝0时，T1、T2均截止，T1、T2都是高阻状态，这时相当于开关断开，输入信号不能传送到输出端。传输门的图形符号如图UoUiCPTGCP传输门符号由于MOS管的对称性，传输门具有双向传输的特性，即Ui与Uo可以互换。

输入电压Ui为010V。当CP为10V（CP＝1）时，则为0V（＝0）。设MOS管的栅极开启电压范围为：2