下篇课题7AD和DA转换器及应用

下篇-课题七A/D和D/A转换器及应用电子工业出版社

《电子技术基础》7.1D/A转换器（DAC）7.2A/D转换器（ADC）返回课程总目录点介绍A/D转换集成芯片的工程应用。随着数字计算机技术的发展，越来越多地用数字电路技术处理模拟信号。模拟信号转换为数字信号（称为A/D转换）后才能出现在数字电路中进行处理，数字信号转换为模拟信号（称D/A转换）后才能恢复成原来的模拟信号。本课题介绍A/D转换的基本原理、A/D转换集成芯片和D/A转换集成芯片的型号、参数，重7.1D/A转换器（DAC）

A/D转换器(Analog-to-DigitalConverter，简称为ADC)是模拟-数字转换器；而D/A转换器(Digital-to-AnalogConverter,简称为DAC)则相反。A/D转换器和D/A转换器是数字系统和各种工程技术模拟系统相联系的桥梁。

D/A

转换器接收的是数字信号，而输出的是与相应的输入数字信号成正比的模拟信号。它一般包含有:

参考电源模拟电子开关输入寄存器数字代码控制的电阻网络运算放大器能够实现DAC的三种主要电路：权电阻网络型倒T型电阻网络型权电流型

由于权电阻网络的电阻相差很大,在集成电路中很难保证大范围电阻的精度,实际权电阻网络型的DAC极少应用。这里将从倒T型电阻网络DAC开始学习,然后再介绍DAC集成芯片。7.1.1倒T型电阻网络DAC电路

图7.2倒T型电阻网络DAC

4位的倒T型电阻网络DAC电路如图7.2所示,电路结构由四部分组成：（1）基准电源：参考电压VREF是精度高、稳定性好的基准电源；（2）电子模拟开关S0、S1、S2、S3：由二进制数字信号D0、D1、D2、D3控制，当第i位的信号为1时，开关Si往右打，相应支路的电流流进运算放大器;当第i位的信号为0时，开关Si往左打,相应支路的电流流入地。（3）电阻：由R和2R两种阻值的电阻构成倒T型电阻网络。（4）加法器：由运放A、各支路电阻和反馈电阻Rf

组成。由运算放大器的虚短的概念，从虚线向右看二端网络的等效电阻均为2R，因此，从VREF向右看二端网络的等效电阻为R，则有：若RF=R,并推广到n位，有：解：输入数字信号D=1000时，得：

uo

==5（V）同理，输入数字信号D=0100时：

uo

==2.5（V）【例7-1】有一个4位二进制倒T型电阻网络DAC，参考电压VREF=-10V，R=Rf，输入的数字信号分别为D=1000和D=0100时，输出电压分别是多少？

1.DAC主要技术参数

（1）分辨率分辨率通常指分辨输出最小电压的能力，指输入数字量最低位为1时的输出电压与输入数字量全为1时的输出电压之比。

分辨率=n表示输入数字信号的位数。显然位数越多，DAC分辨最小电压的能力越强，如模拟电压满量程（FSR）为10V，8位的DAC的分辨率为0.004，分辨输出最小电压为0.03922V。（7-2）

7.1.2DAC的主要参数与集成芯片（2）转换精度转换精度是指DAC实际输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大误差，常以百分数来描述，这是个综合性指标，包括零点误差、增益误差等，不仅与DAC的元件、放大器的零漂有关，还与环境温度、分辨率等有关。所以除了正确选用AC的分辨率，还考虑选用低温漂高精度的运算放大器，通常要求DAC的转换误差小于1/2最小输出电压变化量。（3）转换时间（转换速度）转换时间是指从输入数字信号开始转换到模拟输出电压（或电流）达到稳定值所需的时间，这是反映DAC工作速度的指标，转换时间越短，工作速度越高，现在十几位的DAC转换时间一般有十几毫秒。图7.3DAC7520电路结构2.DAC集成芯片集成DAC通常只将倒T型电阻网络（或权电流型网络）、模拟电子开关等集成到一块芯片上，较多集成DAC芯片不包含运算放大器。构成DAC电路是还要外接运算放大器以及电阻。（1）DAC7520—典型10bitD/A转换器

DAC7520是一种不含寄存器、基准电源和运算放大器、采用CMOS工艺的10位二进制数字模拟接口芯片,电路结构如图7.3所示,引脚排列如图7.4所示,及引脚功能见表7-1。7.4DAC7520芯片外引线排列图图7.5DAC7520单极性输出应用电路表7.1DAC7520引脚功能引线说明端引线号正电源VCC14地GND

3权电流输出IOUT1

1数字输入IOUT2

2A1（MSB）4A25A36A47A58A69A710A811A912A10（LSB）13基准电压VREF

05反馈电阻RFE

16其特点为：采用CMOS电子开关；与TTL电平兼容；电源电压范围：+5～+15V；采用R-2R电阻网络；低功耗，200mＷ；转换时间约500ns。单极性输出应用电路如图7.5所示。（2）DAC0832—与μP兼容的8bitD/A转换器

DAC0832是CMOS型8位DAC，倒T型电阻网络转换为电流输出型，需外加运算放大器。

①特点：采用CMOS和薄膜Si—Cr电阻相容工艺温漂低，低功耗，20mＷ；具有二级数字输入缓冲锁存器，可直接与各种MCU接口,无需另接锁器；与TTL电平兼容；数字地与模拟地可分开，使用灵活;单电源范围+5V+15V;数字输入电平为TTL电平（阈值为1.4V）。

②引脚功能

DAC0832的电路结构及引脚排列如图7.6所示。有8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位乘法DAC组成,其中8位乘法DAC由倒T电阻网络和电子开关组成,采用20引脚双列直插封装。

图7.6DAC0832的电路结构及引脚排列引脚功能如下：

：片选端，输入寄存器选通信号，低电平有效，与ILE组合选通。、：分别是输入寄存器和DAC寄存器写信号，均为低电平有效。

AGND：模拟地。

DGND：数字地。

DI0DI7:8位数字输入端，DI0为最低位，DI7为最高位。

VREF：基准电压。

RFB：反馈电阻。

IOUT1、IOUT2：DAC的电流输出，IOUT1+IOUT2=常数。：传输控制端，低电平有效。ILE：输入寄存器的锁存信号，高电平有效。VCC：电源正端，电压+5V+15V，+15V最佳。双缓冲方式：DAC0832有两个数字寄存器（输入寄存器和DAC寄存器）称双缓冲。直通方式/单缓冲方式:为了提高数据通过率，可采用次方式，不需任何缓冲。，ILE=1，两个寄存器处于“透明”状态，数据直接通过。当1时锁存数据，0时输出更新。所以直通时，=0，ILE=1。③工作方式小知识1.DAC集成芯片可分成这样两类：一是直通工作方式的DAC，它不带寄存器也没有传输控制信号（如DAC7520）；另一种是带寄存器、有转换控制信号的DAC（如DAC0832）。2.DAC集成电路一般允许基准电压可正可负，如DAC0832

的VREF=-10V+10V，要想获正电压输出，只要加负基准电压。3.DAC芯片允许电源电压多数为+5V+15V，一般情况下所加的电源稍高些,实际线性度也要好一些，数字输入电平不受电源电压的影响。7.2A/D转换器（ADC）数字电路中只能对数字信号进行处理，但工程上的声音、温度、速度、压力等信号是连续变化的模拟量，要把这些非电量模拟信号经传感器转换成模拟电信号，还要通过A/D转换器变成数字信号,才能送到数字电路处理。

7.2.1

A/D转换器的概念与A/D转换的一般过程1.A/D转换的基本概念

A/D

转换器的原理框图如图7.7所示。ui是输入的模拟电压，D是输出的数字信号，

VREF是参考电压，则输出的数字量D与ui、VREF的关系：

图7.7ADC原理框图（7-3）解：由式（7-6）可知，D与ui成正比，D=（10000000）2

=（128）10，

128/5.2=D/2.6D=1282.6/5.2=64=（01000000）2【例7.2】已知8位的二进制ADC，当ui=5.2V时，输出的数字量D=10000000，当ui=2.6V时，输出的数字量D是多少？

ADC的输入模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，因此ADC必须按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后将采样的信号保持下来，再对保持下的模拟信号进行量化和编码，就可得到输出的数字量，所以ADC一般经过的过程：采样-保持以及量化-编码。2.ADC的两个基本组成部分及其作用ADC的两个基本组成部分：采样-保持量化-编码模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui

(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C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，如图7.8所示。图7.8ADC的基本组成部分（1）采样及保持采样指周期性地采取模拟信号的瞬时值，取得一系列的脉冲样值的过程。由于A/D转换需要一定的时间，每次采样完成后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直至下次采样开始。所以采样后面加上保持电路，电路如图7.9所示。CPs为高电平时，输入模拟量对电容充电；保持过程是CPs为低电平时，电容上的电压保持不变。图7.9采样保持电路模拟信号输入取样脉冲保持电容

采样开关的控制信号CPs的频率fs必须满足公式fs≥2fimax(fimax）为输入电压频谱中的最高频率)，即其周期Ts很小，而且采样时间τ比Ts更要小许多倍。采样就是将连续模拟信号变成一连串等距不等幅的脉冲，波形如图7.10所示。

图7.10采样及保持电路的波形图2.量化及编码采样保持电路的输出（即量化编码的输入）是幅度连续的阶梯波，仍为模拟量。要把采样及保持后的模拟信号转化成数字信号，A/D转换用一个规定的最小基准单位电压（称量化单位）来度量，将采样信号用的整数倍n

表示，这一过程称为量化。量化的结果用二进制码或BCD

码表示，此过程称为编码，编码所产生的代码便是A/D转换的输出。量化存在不可避免的误差，其大小与输出代码的位数、基准电压以及如何划分量化单位等有关。输入模拟电压范围相同，编码位数越多，量化单位越小，转换精度越高。

7.2.2

集成ADC与应用（1）分辨率输出数字量的最低位变化一位数码时对应输入模拟量的变化量.位数越多,分辨率就越好。如输入模拟量满量程12V，对于8位的二进制ADC分辨率为：而对10位的二进制ADC分辨率为：1.ADC芯片的主要参数（2）相对精度实际输出数字量与理论输出量之间的最大差值。用最低有效位LSB的倍数表示。如相对精度

（3）转换速度

ADC完成一次转换所需的时间。所谓的转换时间指转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换速度由转换电路类型决定，并行比较ADC的转换速度最高，逐次逼近ADC的转换速度次之、间接的ADC转换速度最低。2.DAC芯片（1）ADC0809ADC0809是CMOS型8位8通道ADC，28脚双列直插封装。主要组成部分有：256个电阻组成的电阻阶梯、树状开关、逐次逼近寄存器、比较器。其特点有：

属CMOS电路；

8路模拟输入，8bit输出(有三态输出缓冲器)，输出电平与TTL、CMOS兼容；

与通常用单片机接口兼容；

单电源电压：+5V；

采用逐次比较法，转换时间约100μS；

转换时间约100nS。IN0IN1IN7模拟输入ADDAADDBADDCALR……通道选择开关通道地址锁存和译码-+比较器CLKSTART定时和控制逐次逼近寄存器（SAR）开关树型D/AREF(+)

REF(-)8位锁存和三态门图7.11ADC0809结构EOCOUTPUTENABLED0D1D7……数字输出结构与原理：

ADC0809的内部结构见图7.11，它有8个模拟输入端，但某一时刻只能对其中一路输入信号进行转换，输入信号的选择由地址线决定，地址线ADDAADDB、ADDC的8个最小项取值对应了8个输入端IN0IN7，通道选择见表7.2。ALE为地址锁存允许端。OUT-EN为输出允许，可使三态输出缓冲器输出自如地挂在系统数据总线上。表7.2通道选择表地址输入选中通道ADDAADDBADDC000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7图7.12ADC0809引脚图各引脚功能如下：

IN0IN7：8路模拟输入信号；START：启动输入端，启动脉冲下沿ADC开始转换，启动脉冲宽度大于100ns；EOC：转换结束信号，EOC=0表示正在转换，EOC=1表示转换结束；D0D7：转换后的输出数据；OUTPUENABLE：输出允许端,它控制着ADC内部的三态输出缓冲器，OE=0时，输出为高阻态，0E=1时，允许缓冲器的数据输出；CLOCK：时钟端；VREF（+）/VREF（-）：正基准电压/负基准电压；GND：地；ALE：通道地址锁存输入端。ALE上沿到时，地址锁存器对ADDA、ADDB、ADDC锁定，ALE脉冲宽度大于100ns，一般要求ADC开始转换前就锁存，所以将ALE与START连在一起，使用同一脉冲，上沿锁存地址，下沿启动转换；ADDA、ADDB、ADDC：地址选择端。（2）ICL7106/7107ICL7106/7107是位双积分ADC，它们在内部结构、工作原理上基本相同，但显示译码和显示驱动部分不同，ICL7106直接驱动LCD（液晶显示器）,ICL7107直接驱动LED（发光二极管）。ICL7106的内部有模拟电路部分和数字电路部分，其特点：CMOS集成的３位半积分转换器，直接输出7段译码信号。内部有异或门输出，可直接驱动显示器，7106驱动LCD，7107驱动LED。双积分型电路，内含基准源，转换精度高。单电源供电+7V+15V。转换速度15次/秒。输入阻抗高，低噪声，温漂小。

模拟电路部分由积分器、缓冲放大器和比较器组成，通过自动调零、采样（正向积分）和反向积分三个阶段完成一次转换，转换速率为3～4次/秒。数字电路部分主要有以下几个个单元组成：

1）时钟脉冲发生器:由两个反向器及外部的RC组成，产生占空比50%的方波，周期T=2.2RC。

2)分频器：由一级二分频和两级十分频组成产生计数脉冲fCP和显示器公共极所需的方波频率fDP。

3）计数器：四位十进制计数器组成，计数器输出为BCD码。

4）译码器：BCD七段译码器。

5）异或门相位驱动器：将译码器输出的逻辑电平变成驱动相应七段笔画的方波，以便LCD显示。

6）逻辑控制器：可识别积分器的状态，发出控制模拟开关通/断、积分器循环等信号；识别输入电压极性以显示正/负号；判断输入电压超量使千位显示“1”，其余灭零。

7）锁存器：存放A/D转换结果。

图7.13ICL7106内部数字逻辑部分图7.14ICL7106引脚3.工程应用【工程实例1】将模拟输入信号０５V的电压信号送到单片机的接口电路。图7.15ADC0809与单片机接口电路解：图7.15是ADC0809与单片机的接口电路，+5V与参考电压VREF+连接，VREF-接地；输入模拟电压ui=05V。ui=0V时，接口电路的输出为00H，ui=5V时，接口电路的输出为FFH；把ALE与START相连，在ALE上沿锁存通道地址ADDA、ADDB、ADDC信号，在其下沿启动A/D转换，对选中模拟输入信号转换；当转换完成时，EOC变为高电平，转换的信号存在三态锁存缓冲器；OE输出允许端变为高电平，允许缓冲器输出数据，D7D0送给单片机读取，实现一次A/D转换。【工程实例2】7106组成的3位半直流数字电压表。图7.163位半直流数字电压表解：图7.16显示了用