第15章 数-模和模-数转换器

《电工电子技术与技能》电子教案PAGEPAGE6课题15.1数-模转换器（DAC）15.2模-数转换器（ADC）课型新课授课班级授课时数2教学目标1．理解数-模和模-数转换的基本概念2．熟悉数-模和模-数转换的工作原理3．熟悉数-模和模-数转换的特点4．理解数-模和模-数转换的主要技术指标5．了解典型数-模和模-数转换集成电路引脚和功能教学重点1．能根据要求合理选择数-模和模-数转换器2．会搭接集成数-模和模-数转换的典型应用电路教学难点1.理解数-模和模-数转换的基本概念2.数-模和模-数转换的应用教学方法读书指导法、分析法、演示法、练习法。学情分析教后记A.话题引入新课新课在现代化的车间，计算机控制技术无处不在。因此也有很多需要将计算机的指令传达给执行机构来完成相应的控制场合，而这些执行机构通常是一些由模拟量控制的阀门、开关等，那么如何将计算机的指令及数字量转化为用于控制的模拟量呢?我们可以用数-模转换器(DAC)来实现。B.新授课15.1.1DAC的基本概念级转换特性1.DAC的基本概念能将数字量转换成模拟量的器件就是数-模转换器。如果把数字量用字母D来表示，模拟量用字母A来表示，用字母C来表示转换器时，数-模转换器就可以简称DAC。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，就必需每一位代码按其“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DAC的基本思想。2.DAC的基本组成和分类DAC通常是由参考电压、译码电路和电子开关三个基本部分组成。按解码网络结构的不同，DAC可分为T形电阻网络、倒T形电阻网络、权电阻网络等。按模拟电子开关电路的不同，DAC又可分为CMOS开关型和双极型开关型。3.DAC的功能DAC通常由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码电阻网络、求和放大电路及基准电压几部分组成，如图15-1所示。4.DAC的主要技术指标分辨率：指转换器理论上可以达到的精度。转换误差：DAC实际能达到的转换精度。线性度：理想的D/A转换器，输出电压与输入数字之间有严格的线性关系，当输入数字信号作等量增加时，其输出的模拟电压也作等量增加。建立时间：在输入变化后，输出值稳定到距最终输出量所需时间，称为建立时间，建立时间反应了DAC电路转换的速度。15.1.2DAC工作原理1.权电阻网络D/A转换器4位权电阻网络D/A转换器电路结构如图16-2所示。VREF是基准电源，存在于数字寄存器的数码作为输入数字量D3D2D1D0分别控制4个模拟电子开关S3、S2、S1、S0。例如，当D3=0时，电子开关S3投掷向右边，使电阻接地；D3=1时，电子开关S3投掷向左边，使R与VREF接通。4个电阻称为权电阻。权电阻的阻值大小与该位的权值成反比，如D2位的权值是D1的两倍，而所应的权电阻值却是D1的1/2。2.R-2R倒T形电阻网络D/A转换器

4位R-2R倒T形电阻网络D/A转换器电路结构如图16-3所示。VREF是基准电源，输入数字量D3D2D1D0分别控制4个模拟电子开关S3、S2、S1、S0。由图16-3可见T形电阻网络中电阻类型少，只有R和2R两种，电路构成比较方便,从而克服了权电阻阻值多且阻值差别大的缺点。由电路结构可得，D、C、B、A四点电位逐位减半。16.1.3集成数/模转换器DAC0832DAC0832引脚图如图15-4所示，它是一个8位的A/D转换器，即在对其输入8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。DAC0832的分辨率为8位，转换时间为1us，满量程误差为，参考电压为+10V～-10V，供电电源为+5V～+15V，逻辑电平输入与TTL兼容。DAC0832内部结构图如图15-5所示。[DAC0832各引脚的功能定义如下]D7～D0：8位数据输入端。IOUT1：模拟电流输出端1.当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大；当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。IOUT2:模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数RFB:反馈电阻引入端DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间VREF:参考电压输入端。此端可接一个正电压，也可接一个负电压，范围为+10V～-10VVCC:芯片供电电压，范围为+5V～+15VAGND:模拟地DGND:数字地15.2模/数转换器（ADC）15.2.1ADC的基本概念和转换原理模/数转换器是将模拟电压（或电流）转换为数字量的电路。模/数转换广泛应用于计算机实时控制系统中。模/数转换一般要分采样、保持和量化、编码两步进行。采样过程是按一定的时间间隔对模拟量抽取一个样值；将采样值转换为相应的数字量需要一定的时间，为了保证在转换的过程中，所采的样值没有变化，就必须要将样值保持到下一个采样脉冲到来的时候，这个过程就是保持的过程。在样值保持的这段时间内，将取样值编程离散的量值，就是量化过程；量化后的离散量值转换成数字量，就是编码过程。经过采样、保持和量化、编码后就可以将在时间上和量值上是连续的模拟信号变为在时间和量值上都是离散的数字信号，并将其对应的数字量输出。1.采样保持电路

采样保持的基本原理如图15-6所示。模拟电子开关S在采样脉冲fs的控制下重复接通、断开的过程。当S接通时，uI(t)对CH充电，为采样过程；当S断开时，CH上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。

采样-保持器最主要的作用是将连续的模拟信号离散化，即在采样脉冲的控制下完成对输入模拟量的定时采样。2.量化编码电路

过采样、保持而得到的取样电压值仍然是模拟量，这时就需要对其进行量化、编码。数字量的大小一定是某个最小数量单位的整数倍。将取样电压化为这个最小单位的整数倍的过程称为量化。所取的最小数量单位叫做量化单位，用Δ表示，数字信号最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小就等于Δ。把量化的结果用代码（二进制或其他进制等）表示出来，称为编码。这个编码值就是ADC的输出结果。3.ADC的主要技术指标

分辨率:它是指转换器能分辨最小的量化信号的能力。

转换误差:它是指转换后所得结果相对应于实际值的准确程度。

转换速度:转换速度可用完成一次A/D转换需要得时间来衡量，从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定得数字输出信号所经过的时间称为转换时间。15.2.2A/D转换方法1．并行比较型A/D转换器并行比较型A/D转换器结构框图如图16-7所示。转换器由2n-1个比较器、2n-1位寄存器、优先编码器及能产生2n-1个基准电压的2n个精密电阻组成。输入模拟电压uI与各比较器参考电平比较，产生的2n-1位二进制码，通过寄存器寄存，并被译码成n位二进制数（Dn-1～D0）,完成模拟信号的数字信号的转换。2.逐次比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器如图16-8和计数型A/D转换器都属于反馈比较型A/D转换器。逐次比较型A/D转换器是在计数型A/D转换器基础上用寄存器和控制逻辑电路取代计数器而成。逐次比较型用最快的方法逼近输入模拟量，而计数型则用计数器递增方式逼近模拟量。逐次比较型A/D转换器开始转换时计数器最高位为1，D/A转换器的输出电压uA=uAMAX/2与输入电压uI进行比较；若uA大于uI则下个CP脉冲后，计数器高位为0，本位为1；若uA小于uI，则CP脉冲来到后，计数器高位保持而本位为1，也即第二个CP后uA=uAMAX/4，依次类推，最终计数器各位数值被逐一确定。确定n位计数器各位数值至少需要n个时钟周期（TCP），一般一次转换需要n+2个TCP。15.2.3ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。[ADC0809各脚功能如下]

D7-D0：8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。

VCC：+5V工作电压。

GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

REF（-）：参考电压负端。