模拟量和数字量的转换

第23章模拟量和数字量的转换23.1D/A转换器23.2A/D转换器第23章模拟量和数字量的转换本章要求1.了解D/A、A/D转换的基本概念和转换原理;2.了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。

模数与数模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。

将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；传感器模拟控制模拟信号数字计算机数字控制数字信号ADCDAC

将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)23.1

D/A转换器数–模转换（D/A转换器）的基本思想：

由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，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”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转换器的基本思想。1.电路23.1.1T型电阻网络D/A转换器由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。参考电压存放四位二进制数最低位(LSB)最高位(MSB)模拟开关UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011数码寄存器Q0Q1Q2Q31.电路23.1.1T型电阻网络D/A转换器参考电压最低位(LSB)最高位(MSB)各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“1”时，开关接电源UR；为0时接“地”。模拟开关UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011数码寄存器Q0Q1Q2Q3存放四位二进制数2.转换原理分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系

T型网络开路时的输出电压UA即是反相比例运算电路的输入电压。反相比例运算电路T型电子网络2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110UO++-ARF2R0011+–2.转换原理用戴维宁定理和叠加定理计算UAA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR1102R0011最低位(LSB)最高位(MSB)1000对应二进制数为00012.

转换原理对应二进制数为0001时，A2R2R2RRRRR等效电路如右下图1122332R2R2R2RRRR2RURARA002.转换原理对应二进制数为0001时，等效电路如下RA同理：对应二进制数为0010时，有同理：对应二进制数为1000时，有同理：对应二进制数为0100时，有AR2.转换原理

T型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE。等效电阻为R等效电路如右图RAUE2.转换原理若输入的是n位二进制数，则2RUO++-ARF+–RUE+–A2.转换原理若取RF=3R，则

若输入的是n位二进制数，则2RUO++-ARF+–RUE+–A倒T型电阻网络DA转换器分析输入数字量和输出模拟电压uo之间的关系转换原理倒T型解码网络UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR.UC=UR

/2UB=UR/4UA=UR/8UD

=UR即：由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点(D、C、B、A)电位逐位减半。UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。即：

UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRUO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR23.1.2D/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。

1.分辨率

2.线性度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。

3.输出电压(电流)的建立时间例:十位D/A转换器的分辨率为从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。通常D/A转换器的建立时间不大于1S集成ADC芯片举例AD7520各管脚功能：d0~d9：十位数字量的输入端；IO1、IO2：电流输出端；RF：反馈信号输入端；UDD：电源接线端；GND：接地端。UR：参考电源，可正可负；URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9UO++–AD7520的外引线排列及连接电路

DAC0832是八位的D/A转换器,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。23.1.3

DAC0832D/A转换器1)内部简化电路框图DAC0832

简化电路框图八位寄存器输入八位寄存器DAC八位转换器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11≥≥2)芯片管脚DAC

0832

管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片选信号，低电平有效写入控制，低电平有效模拟地端D0~D7数字量输入参考电压输入端DAC0832

管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120数字地端反馈电阻外接端CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管脚分布图输入锁存允许信号，高电平有效芯片工作电压输入端

写入控制端低电平有效，与配合使用XFERCSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管脚分布图电流输出端单极性输出时。Iout2接模拟地

传送控制端低电平有效，与WR2配合使用CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管脚分布图23.2A/D转换器

模–数(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。根据其性能不同，类型也比较多。

下面介绍逐次逼近式A/D转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输出数字量输入电压UiUA逐次逼近型模—数转换器原理框图23.2.1逐次逼近式A/D转换器

其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。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：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暂时结果砝码重比较判断顺序保留保留撤去保留QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0E读出控制端UiUA－＋∞△＋电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门时钟脉冲五位顺序脉冲发生器四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路四位D/A转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d11.转换原理放哪一个砝码砝码是否保存(待转换的模拟电压)

顺序脉冲发生器UI－＋＋数码寄存器D/A转换器uO控制逻辑时钟清0、置数清0、置数CP(移位命令)“1”状态是否保留控制端UA试探电压2.转换过程234

11000UA

<

UI6VUA

<

UI5.5V留去留留4VUA

>

UI5VUA

UI“1”留否d3d2d1d0UA(V)顺序比较判断110010101011例：UR=8V，UI=5.52VD/A转换器输出UA为正值转换数字量10114+1+0.5=5.5V转换误差为–0.02V例：UR=8V，UI=5.52V若输出为8位数字量转换数字量10110001

4+1+0.5+0.03125=5.53125V转换误差为+0.01125V位数越多误差越小逐次逼近转换过程示意图t0t1t310001100101010001011t2UA

>UIUA

<UI(转换误差:–0.02V)23.2.2A/D变换器的主要技术指标1.分辨率

以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。2.转换速度

完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。3.相对精度实际转换值和理想特性之间的最大偏差。

4.其它功率、电源电压、电压范围等。

ADC0809八位A/D转换器GNDCB

A－＋＋8通道模拟开关比较器逻辑控制逐次逼近寄存器

D/A转换器地址锁存译码器三态输出锁存器UDDUR(+)UR(-)D7D0D6D5D4D3D2D1IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0

ALEEOCSTARTCLOCKEOUTADC0809管脚分布图UR(-)

BD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTACUR(+)UDD23.2.2

双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器属于电压－时间变换的间接A/D转换器。基本原理是将一段时间内的输入模拟电压

Ui

和参考电压UR通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔,再变换成正比于输入模拟信号的数字量。S1RS2CuA积分器CP_+