数字电子技术-08数模和模数转换

第8章数/模和模/数转换8.1.3DAC的主要技术参数8.1.1D/A转换基本原理8.1.2倒T形电阻网络DAC8.1D/A转换8.1.4

集成D/A转换器及其应用2/5/20231复习555定时器的逻辑功能？555定时器为何能实现脉冲波形？电容在脉冲电路中扮演怎样的角色？2/5/20232第8章数/模和模/数转换

模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。

2/5/20233

典型数字控制系统框图2/5/202348.1.1D/A转换基本原理

数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。

8.1D/A转换

数字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10

模拟量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K为比例系数)2/5/20235

图8-1

n位D/A转换器方框图

组成D/A转换器的基本指导思想：将数字量按权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。D/A转换器的种类很多,主要有：权电阻网络DAC、T形电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC、权电流DAC2/5/202368.1.2倒T形电阻网络DAC1.电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。

图8-2倒T型电阻网络DAC原理图

基准参考电压双向模拟开关D＝1时接运放D＝0时接地R－2R倒T形电阻解码网络求和集成运算放大器2/5/202372.工作原理

由于集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。2/5/20238

因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故流入运算放大器的总电流为：2/5/20239

由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因此从UREF流出的电流为：

2/5/202310

故：2/5/202311

因此输出电压可表示为：2/5/202312

由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。

对于n位的倒T形电阻网络DAC，则：2/5/202313

电路特点：（1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的；

（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。

因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。2/5/2023148.1.3DAC的主要技术参数1.分辨率

分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：

分辨率＝

位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。2/5/2023152.转换速度

D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。

2/5/2023163.转换精度转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。

例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为±0.1V。百分数越小，精度越高。转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。2/5/2023174.非线性误差通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。

D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大器的非线性引起。

5.温度系数

在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。

2/5/2023188.1.4集成D/A转换器及其应用常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。

1、D/A转换器DAC0832DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工艺制成的双列直插式单片八位DAC，可以直接与Z80、8080、8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如图7.1所示。

2/5/202319图8-1集成DAC08322/5/202320

DAC0832由八位输入寄存器、八位DAC寄存器和八位D/A转换器三大部分组成。它有两个分别控制的数据寄存器，可以实现两次缓冲，所以使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。DAC0832中采用的是倒T型R-2R电阻网络，无运算放大器，是电流输出，使用时需外接运算放大器。芯片中已经设置了Rfb,只要将9号管脚接到运算放大器输出端即可。但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下：2/5/202321

：片选信号，输入低电平有效。ILE：输入锁存允许信号，输入高电平有效。：输入数据选通信号，输入低电平有效。：数据传送选通信号，输入低电平有效。：数据传送控制信号，输入低电平有效。D0～D7：八位输入数据信号。IOUT1：DAC输出电流1。此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号（一般接反相端）。2/5/202322

VCC：数字部分的电源输入端。UCC可在+5V到+15V范围内选取。DGND：数字电路地。AGND：模拟电路地。结合图7.2(a)可以看出转换器进行各项功能时，对控制信号电平的要求如表7.1所示。DAC0832的使用有三种工作方式：双缓冲器型、单缓冲器型和直通型。如图7.2所示。2/5/202323图8-2DAC0832的三种工作方式

(a)双缓冲器型；(b)单缓冲器型；(c)直通型2/5/202324表8-1功能

说明数据输入D7～D0到寄存器01×WR1=0时存入数据WR2=1时锁定数据有寄存器1转送寄存器20×WR2=0时存入数据WR2=1时锁定从输出端去模拟量无控制信号，随时可取

双缓冲器型如图7.2(a)所示。首先接低电平，将输入数据先锁存在输入寄存器中。当需要D/A转换时，再将接低电平，将数据送入DAC寄存器中并进行转换，工作方式为两级缓冲方式。2/5/202325

单缓冲器型如图8-2(b)所示。DAC寄存器处于常通状态，当需要D/A转换时，将接低电平，使输入数据经输入寄存器直接存入DAC寄存器中并进行转换。工作方式为单缓冲方式，即通过控制一个寄存器的锁存，达到使两个寄存器同时选通及锁存。直通型如图8-2（c）所示。两个寄存器都处于常通状态，输入数据直接经两寄存器到DAC进行转换，故工作方式为直通型。实际应用时，要根据控制系统的要求来选择工作方式2/5/2023262.D/A转换器AD7520

AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。2/5/202327

图8-3AD7520内部逻辑结构图该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。2/5/202328图8-4AD7520外引脚图

D0～D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1IOUT2：电流输出端2Rf：10KΩ反馈电阻引出端Vcc：电源输入端UREF：基准电压输入端GND：地。2/5/202329

分辨率：10位

线性误差：±(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。

转换速度：500ns

温度系数：0.001%/℃

AD7520的主要性能参数如下：2/5/202330

10位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。2.应用举例（组成锯齿波发生器）

图8-5AD7520组成的锯齿波发生器

图8-6AD7520组成的锯齿波发生器

2/5/202331作业题P1967.27.5(1)7.72/5/202332第7章数/模和模/数转换7.2.3ADC的主要技术参数7.2.1A/D转换基本原理7.2.2A/D转换器工作原理7.2A/D转换

7.2.4

集成A/D转换器及其应用举例

本章小结2/5/2023337.2.1A/D转换基本原理

A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。7.2A/D转换1.采样与保持

（1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。2/5/202334

图7-7采样过程示意图

取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs≥2fmaxy(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs＝（2.5～3）fmax。

2/5/202335

（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。

s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO

(=uc)跟随uI的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uO

(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）

图7-8采样―保持电路及输出波形2/5/2023362.量化和编码

数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。

将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。

用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。

2/5/202337划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小

2/5/2023387.2.2A/D转换器工作原理直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器间接A/D转换器：双积分型A/D转换器电压转换型A/D转换器1.逐次比较型A/D转换器

天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。2/5/202339

图7-9逐次逼近型ADC电路框图

CPDn-1Dn-2Dn-3…D1D0u0(V)uI>uO？0100…000.5UREF1（Dn-1为1）/0（Dn-1为0）1Dn-110…000.75/0.25UREF1（Dn-2为1）/0（Dn-2为0）2Dn-1Dn-21…00…1（Dn-3为1）/0（Dn-3为0）…………n-1Dn-1Dn-2Dn-3…D11…1（D0为1）/0（D0为0）基准电压UREFn位A/D转换器

电路由启动脉冲启动后:2/5/202340实例

8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uI>uO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uI>uO为1否则为0

2/5/202341

图7-108位逐次比较型A/D转换器波形图

2/5/2023422.双积分型A/D转换器基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。（1）电路组成2/5/202343

图7-11双积分型ADC电路

①积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。②检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜0时，uC＝1。③计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。④时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。2/5/202344①积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。②检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜0时，uC＝1。③计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。④时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。（1）电路组成2/5/202345（2）工作原理图7-12双积分型ADC的工作波形

先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，Up∝uI；再对－UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2∝Up∝uI；在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，N∝T2∝Up∝uI。由于这种转换需要两次积分才能实现，因此称该电路为双积分型ADC。2/5/202346工作过程：

①准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn＝0使S1接通A点。2/5/202347②采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即2/5/202348

与此同时，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当t＝t1时，FF0～FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T1＝2nTc。2/5/202349设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为2/5/202350

③比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有2/5/202351当t＝t2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2＝NTC。2/5/202352若以t1算作0时刻，当t＝T2时，积分器的输出uO＝0，此时则有2/5/202353可见，T2∝UI。由于T1＝2nTc，所以有2/5/202354结论：可见，N∝UI∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2；第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc；第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。由于T2＝NTc，所以2/5/202355优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1＋T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。2/5/2023567.2.3ADC的主要技术参数1.分辨率

分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC为2.44mV。

2/5/2023572.转换误差转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。例如某ADC的相对精度为±(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为１的一半。2/5/2023583.转换速度完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADC的转换时间大都在10～50μs之间；并行比较型ADC的转换时间可达10ns。

2/5/2023597.2.4集成A/D转换器及其应用举例

集成A/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。

1.ADC0809A/D转换器

ADC0809是一种逐次比较型A/D转换器。2/5/202360

ADC0809是常见的集成ADC。它是采用CMOS工艺制成的八位八通道单片A/D转换器，采用逐次逼近型ADC，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。ADC0809的结构框图及管脚排列图如图7.13所示。它由八路模拟开关、地址锁存与译码器、ADC、三态输出锁存缓冲器组成。2/5/202361集成ADC0809电路的内部结构框图

2/5/202362ADC0809的管脚排列图2/5/202363

芯片上各引脚的名称和功能如下：

IN0～IN7:八路单端模拟输入电压的输入端。UR(+)、UR(-)：基准电压的正、负极输入端。由此输入基准电压，其中心点应