第六章 ｜数模转换和模数转换

第六章数模转换和模数转换336§６—２模数转换器§６—１数模转换器学习目标1.了解数模转换和模数转换的概念及其应用。2.了解数字式电压表的工作原理。3.会识别典型数模转换和模数转换集成电路的引脚，了解其功能。4.会搭接数模转换应用电路，并检测其转换特性。338音像录播的模数转换和数模转换原理框图如图所示。339音像录播的模数转换和数模转换原理框图在自动控制系统中，需要测量和控制的对象（如温度、压力、流量、速度、位移等）也多是模拟量，这些非电的模拟量都必须经过传感器变换为电信号的模拟量，然后再转换为数字信号，才能进入数字系统进行处理。可见，模数转换和数模转换是数字系统中不可缺少的环节。340自动控制原理框图§6—1

数模转换器341从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换，简称D/A。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简称DAC。342D/A转换示意图三位二进制DAC转换特性一、倒T形电阻网络D/A转换器1.D/A转换器的工作原理D/A转换的方法有很多，本节只介绍倒T形电阻网络D/A转换器的工作原理。图所示为四位倒T形电阻网络D/A转换器的电路图，它主要由电阻译码网络（R和2R阻值电阻）、模拟开关（S0～S3）和求和运算放大器（运算放大器需外接）三部分组成。R和2R两种阻值的电阻构成倒T形结构，组成译码网络。模拟开关S0～S3分别由输入数码D0～D3控制，当Di=0时，相应模拟开关将2R阻值的电阻接地；当Di=1时，相应模拟开关接运放反相输入端。343344倒T形电阻网络D/A转换电路图由于该电路中集成运放反相输入端为“虚地”，因此，无论模拟开关Si处于何种位置，与其相连的2R阻值电阻均等效接“地”（地或虚地），各节点等效电阻值均为R，如图所示。345电阻网络各节点对地等效电阻及电流从基准电源看进去，整个电阻网络的等效电阻值也为R，因此基准电源提供的电流恒为

，各支路电流分别为：346流入集成运放反相输入端的总电流为：输出模拟电压为：347对于n位二进制数，则有：上式括号内为n位二进制数的十进制数值，可用（N）D表示，则上式可改写为：可见，输出电压与输入的数字量成正比，从而实现了D/A转换。3482.D/A转换器的主要参数（1）分辨率它是指D/A转换器的最小输出电压（对应输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压（对应输入数字量各有效位全为1）之比，即：式中，n表示输入数字量的位数。349表分别列出4位、8位、10位D/A转换器的分辨率，以及当UREF=12V时，所能输出的最大电压和最小电压。可见，位数越多，分辨率越高，分辨最小输出电压的能力越强，也就是说D/A转换器越灵敏。在选择器件考虑转换精度时，习惯上就是考虑D/A转换器输入二进制数的位数。350不同位数D/A转换器的比较（2）转换精度（转换误差）它是指D/A转换器实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。这个差值越小，电路转换精度越高。通常要求D/A转换器的误差应小于最小输出电压值的0.5。（3）转换时间（建立时间）它是指D/A转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压达到稳定值所用的时间。转换时间越短，转换速度越快。351二、AD7520D/A转换器AD7520是倒T形电阻网络10位D/A转换器。它输出电流型的模拟信号，使用时需外接运算放大器（运放）和基准电压。1.引脚功能AD7520D/A转换器的实物图和引脚排列如图所示，引脚功能见表。352D7520D/A转换器a)实物图b)引脚排列353AD7520各引脚功能2.功能测试D/A转换器AD7520的测试实验电路如图所示。354D/A转换器AD7520的测试实验电路（1）接通直流电源，将两路输出接成串联方式，调节它们的输出电压均为6V，串联连接点为电路公共端，则两路输出电压分别为+6V和-6V。（2）在实验箱上按图所示连接电路。（3）电路检查无误后，接通电源，调节RP，使AD7520的15脚UREF=－6V。按表6-3所列的数字量输入二进制数，通过逻辑电平开关逐一输入，用数字电压表测量相应输出电压，并与计算值进行比较，将测量和计算结果记入表中。355356D/A转换器转换关系3.应用举例（1）增益可编程放大器增益可编程放大器的电路如图所示。输入模拟电压接到AD7520的基准电压端，输出模拟电压可按下式计算：所以可见，电压放大倍数由数码输入端D0～D9的值决定，故构成增益可编程放大器。357358增益可编程放大器（2）阶梯波发生器阶梯波发生器的电路如图所示。359阶梯波发生器§6—2

模数转换器360从模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，简称A/D。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简称ADC。一、A/D转换基本原理A/D转换一般要经过取样、保持、量化和编码4个环节。1.取样和保持取样是将时间上连续变化的模拟信号变成时间上离散的模拟信号。由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次取样结束后，还应保持取样电压值在一段时间内不变，直到下一次取样时刻到来。361图a所示是一个简单的取样保持电路，模拟开关S在取样脉冲us的控制下，每隔一定的时间就接通，对输入的模拟信号ui进行取样，并通过电容C的存储作用保持取样的电压值，从电压跟随器输出的是阶梯波电压uo，如图b所示。362363取样与保持a)电路图b)波形图2.量化和编码模拟信号经取样、保持电路后，得到的只是连续模拟信号在取样时间内的瞬时值，还不是数字信号，要将其转换为相应的数字量，还必须先确定一个最小数量单位，然后再将取样电压用这个最小数量单位的整数倍来表示，这一过程称为量化。所规定的最小数量单位称为量化单位，用Δ表示。显然，数字信号最低有效位中1所代表的模拟电压就是量化单位Δ。将量化的结果用二进制代码表示，称为编码。但模拟信号的取样值不一定是Δ的整数倍，在量化过程中不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。364对于模拟量小于一个量化单位的部分，一般采用以下两种方法处理：（1）只舍不入法（舍尾取整法）（2）有舍有入法（四舍五入法）365二、逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器是目前应用最多的A/D转换器之一，它是用一系列按8、4、2、1比例分级递减的基准电压与被测电压进行逐次比较，直至逼近被测电压值。其工作原理和用物理天平称量重物相似。366逐次逼近型A/D转换器原理框图设输入模拟电压为543mV，基准电压分别为0.8V，0.4V，0.2V，0.1V，…，8mV，4mV，2mV，1mV。逐次逼近比较过程如图所示。367逐次逼近测电压过程三、ADC0809A/D转换器ADC0809是8位逐次比较型A/D转换器，为28个引脚双列直插式封装。1.引脚排列ADC0809A/D转换器的实物图和引脚排列如图所示。368ADC0809A/D转换器a)实物图b)引脚排列ADC0809的引脚功能如下：IN0～IN7：8路模拟信号输入端。A2、A1、A0：8路模拟信号的选择器地址码输入端，根据其值选择8路模拟信号中的一路进行A/D转换。D0～D7：8路数字信号输出端。START：启动端。启动脉冲上升沿使ADC0809复位，下降沿启动A/D转换过程。ALE：通道地址锁存信号输入端，高电平有效。当ALE=1时，选中A2A1A0选择的一路，并将其代表的模拟信号接入A/D转换器中。369OE：允许输出控制端，高电平有效。OE=1，允许输出；OE=0，输出呈高阻状态。EOC：转换结束信号输出端。当完成A/D转换时，发出一个高电平信号，表示转换结束。只有在EOC=1后，才可以使OE为高电平，这时读出的数据才是正确的转换结果。CP：时钟脉冲输入端。外接时钟脉冲频率一般为500kHz。UREF(+)、UREF(-)：基准电压端。一般UREF(+)端接+5V，UREF(-)端接地。VCC：电源端，一般接+5V。GND：接地端。3702.功能测试A/D转换器ADC0809的测试电路如图所示。其测试步骤如下：371A/D转换器ADC0809的测试电路（1）由+5V直流电源供电。（2）CP脉冲由脉冲信号源提供，可取fs=100kHz。（3）接通电源后，在启动端（START）加以正单次脉冲，则A/D转换开始。（4）按表的要求观察，记录IN0～IN78路模拟信号的转换结果，将转换结果换算成十进制数表示的电压值，并与数字电压表的实测值进行比较