模数变换-庄友谊

第十章数模与模数变换器数字电子电路授课人：庄友谊1第十章数模与模数变换器§10.1D/A转换器§10.2A/D转换器2

数/模与模/数转换器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。

能将数字量转换为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/数转换器(简称A/D转换器)。概述3

由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此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。§10.1D/A转换器：410.1.2权电阻、权电流D/A转换器：

这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00111、权电阻D/A转换器：5电子模拟开关(S0-S3)由电子器件构成，其动作受二进制数D0-D3控制。当DK＝1

时，则相应的开关SK接到位置1上，将基准电源UR经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中S0、S1）；当Dk＝0时，开关Sk

接到位置0，将相应电流直接接地而不进运放（如图中S2、S3）。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00116T1T2SDa电子模拟开关的简化原理电路当D=1时，T2

管饱和导通，T1管截止，则S与a点通；当D=0时，T1管饱和导通，T2

管截止，则S被接地。前者相当于开关S

接到“

1”端，后者则相当于开关S接到“0

”端。7根据反相比例运算公式可得：

显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k001182、权电流D/A转换器：-UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i910.1.1T形和倒T解码网络D/A转换器：由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中D、C、B、A四点的电位逐位减半.和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少，只有R、2R两种，电路构成比较方便。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD1、T形网络D/A转换器：10UD=URUC=UR/

2UB=UR/4UA=UR/8即：因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD11I=I3+I2+I1+I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+++=UR16R(8D3+4D2+2D1+1D0)=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD122、倒T形网络D/A转换器：UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2iI2I4I16I8RRR2R2R2R2R2R=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-1310.2.3D/A转换器的输出方式：

大部分的常用D/A转换器是数字电流转换器，输出量是电流，需要变为电压。输出电压有单极性（正、负极性），也有双极性。1410.2.4D/A转换器的主要技术指标指最小输出电压和最大输出电压之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率2、转换误差：包括比例系数误差、失调误差和非线性误差。二、转换速度：一、转换精度：三、温度系数：n位的D/A转换器的分辨率为

1510.1.5集成电路D/A转换器及其应用

D/A变换器集成电路有多种型号。下面仅以DAC0832为例来介绍集成电路D/A变换器。

它是八位的D/A变换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。16DAC0832简化电路框图八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位变换器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11下图是它的内部简化电路框图和管脚图：17DAC0832管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片选端WR1、WR2：写入端D7--D0：数据输入端XFER：转移控制端ILE：所存使能端Iout2Iout1：电流输出端UR：参考电压端Rfb：内部反馈电阻输出端18功能数据D7-D0输入到寄存器1数据由寄存器1转送寄存器2从输出端取模拟量控制条件CSILEWR1WR2XFER说明01WR1=0时存入数据WR1=1时锁定WR2=0时存入数据WR2=1时锁定0无控制信号，随时可取DAC0832功能表19例1.单步输入操作-----适用于单个DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7

~D0CSWR1数据存入数据锁定(b)20

A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。§10.2A/D转换器A/D转换器类型比较多，按其工作原理，可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。直接A/D转换器有：逐次逼近型、并联比较型；间接A/D转换器有双积分型、电压频率转换型等2110.2.1A/D转换的一般工作过程1、取样与保持：2、量化和编码：

取样定理：输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，取样信号频率为fs，如果fs>2fmax，则可以无失真地复现输入信号。数字信号的大小是某个规定最小数量单位的整数倍，取样得到的信号必须按某种近似地规化为某一数值电平，这个过程称量化，而量化的结果必须经过编码用一个代码表示出来。由量化引起的误差称量化误差。2210.2.2并联比较型

电路由三部分组成:分压器、比较器和编码器。

这种A/D变换器的优点是转换速度快，缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出AGFECDB先码器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8编优CP23比较器输入E>ux

>7E/87E/8>ux

>6E/86E/8>ux>5E/85E/8>ux

>4E/84E/8>ux

>3E/83E/8>ux

>2E/82E/8>ux

>1E/81E/8>ux

>0ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表2410.2.3逐次逼近型

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx，故保留砝码总重仍<待测重量Wx，故保留砝码总重>待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论25vi计数器D/A转换器&CPdn-1dn-2d1d0控制信号vL并行数字输出2610.2.4双积分型

工作原理：对输入的模拟电压和参考电压进行两次积分，先将输入电压的平均值变换为与之成正比的时间间隔，再利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，从而得到与其相应的数字量。包括：积分器、过零比较器、计数器和定时器、时钟脉冲控制器27+vi

n位二进制计数器开关控制电路&-VRS1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器vo1vo2vGNt1t2t1t22nvo1vo2vGviRCVRRC2810.2.5A/D转换器的主要技术指标

用输出数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率2、转换误差：以输出误差的最大值的形式给出。二、转换速度：一、转换精度：并联比较型：<50ns逐次逼近型:10-50us双积分型:几十-几百ms2910.3.6集成电路A/D转换器及其应用

ADC0804的分辨率为八位,工作原理为逐次逼近型。

A/D变换组件有多种型号可供选择，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。下面以ADC0804为例，介绍集成电路A/D变换器。30++-++-11控制逻辑时钟CP电阻网络及电子开关数据寄存器移位寄存器八位三态输出锁存器Uin(+)Uin(-)UccUR/2AGND......D7D0WRCSINTRRDCS