数字电子技术项目教程（第2版）课件 项目七 数字电压表的设计与制作-模数转换器（ADC）

2024/12/12项目七、数字电压表的设计与制作——模数转换器（ADC）

2024/12/121.A/D转换器的基本工作原理

A/D 转换是将时间和数值上连续变化的模拟量转换成时间和数值上都是离散的数字量。需经过采样、保持、量化、编码这 4 个过程。A/D 转换器原理框图2024/12/12（1）采样与保持采样就是在一个微小的时间内对模拟信号进行取样。

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上图是常见的采样-保持电路和采样波形。当采样信号uS为高电平，使T导通时为采样时间，输入模拟量ui对电容C充电，这是采样过程；采样信号uS为低电平，使T截止，电容 C 上的电压保持不变，这是保持过‍程。（2）量化与编码

2024/12/12采样和保持后的信号仍然是时间上离散的模拟信号，它的取样信号的取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散的。因此要实现幅度的离散化，就要用具体的数字量来近似地表示对应的模拟值。任意一个数字量的大小都是以某个最小数量单位的整数倍来表示的，这个最小的数量单位称为量化单位，用Δ表示，采样信号和量化单位比较而转换为量化单位整数倍的过程称为量化。2024/12/12（3）量化方法①四舍五入法：把＜δ/2的电压作为“0δ”处理，把≥δ/2而＜3/2δ的电压作为“1δ”处理。②舍去小数法：把＜δ的电压作为“0δ”处理，把≥δ而＜2δ的电压作为“1δ”处理。

例如：设δ=1，采样值分别为：2V、4.4V、4.5V和5.7V，如果采用四舍五入法，则量化结果为：2V=2δ、4.4V=4δ、4.5V=5δ、5.7V=6δ如果采用舍去小数法，则量化结果为2V=2δ、4.4V=4δ、4.5V=4δ、5.7V=5δ显然，采用不同量化方式其结果存在差异，而且上述量化结果与采样值之间存在误差，这种误差称为量化误差。2024/12/122024/12/12划分量化电平的两种方法用数字代码表示量化结果的过程，就是编码。两种不同量化编码位数越多，量化误差越小，准确度越‍高。2024/12/122.A/D 转换器的常用类型A/D 转换器的类型很多，但目前应用较广泛的主要有两种类型：逐次逼近型 A/D 转换器和双积分型 A/D 转换器。2024/12/12（1）逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型 ADC 的结构框图如下图所示，包括 4 个部分：比较器、DAC、寄存器和控制逻‍辑。三位逐次逼近型 AD 转换器逻辑图2024/12/12①工作原理

2024/12/12②举例

例1：一个四位逐次逼近型ADC电路，输入满量程电压为5V,现加入的模拟电压Ui=4.58V。求：（1）ADC输出的数字是多少？（2）误差是多少？2024/12/12解：（1）第一步：使寄存器的状态为1000，送入DAC,由DAC转换为输出模拟电压V因为Uo＜Ui,所以寄存器最高位的1保留。第二步：寄存器的状态为1100，由DAC转换输出的电压V因为Uo＜Ui,所以寄存器次高位的1也保留。第三步：寄存器的状态为1110，由DAC转换输出的电压V因为Uo＜Ui,所以寄存器第三位的1也保留。第四步：寄存器的状态为1111，由DAC转换输出的电压V因为Uo＞Ui，所以寄存器最低位的1去掉，只能为0。所以，ADC输出数字量为1110。(2)转换误差为4.58-4.38=0.2V2024/12/12逐次逼近型ADC的数码位数越多，转换结果越精确，但转换时间也越长。（2）双积分型A/D转换器

它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种A/D转换器多称为电压—时间变换型（简称VT型）。原理框图见下图。2024/12/122024/12/12①工作原理：转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。转换开始，断开S0。第一阶段，令开关S1置于输入信号UI一侧。积分器对UI进行固定时间T1的积分。积分结束时积分器的输出电压为：2024/12/12

在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到满量程N时，计数器由全“1”复“0”，这个时间正好等于固定的积分时间T1。计数器复“0”时，同时给出一个溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号，令开关S1转换至参考电压-VREF一侧，采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比例的时间间隔。2024/12/12双积分型 AD 转换器波形图2024/12/12双积分型A/D转换器与逐次逼近型A/D转换器相比较：双积分型A/D转换器的优点：工作性能比较稳定且抗干扰能力强，电路结构比较简单。双积分型A/D转换器属于低速型A/D转换器，一次转换时间在1～2ms，而逐次逼近型A/D转换器可达到1us。2024/12/123.A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率

分辨率是指当输出数字量的最低位变化一个单位时，输入模拟量的必须变化量。式中，n 为转换器的位数。位数越多，其量化误差越小，转换精度越高，分辨率也就越‍高。（2）转换误差

转换误差表示转换器输出的数字量和理想输出数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数来表‍示。2024/12/12（3）转换速度转换速度指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。转换时间越短，则转换速度越快。（4）电源抑制比在输入模拟信号不变的情况下，当转换电路的供电电源发生变化时，对输出也会产生影响。这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表‍示。

2024/12/124.集成 A/D 转换器的功能及使用（1）ADC0809框图它由比较器、逐次渐近寄存器、开关树、256R网络及控制和定时等部分组成。2024/12/12ADC0809 内部框图芯片引脚排列图2024/12/12

（2）ADC0809引脚功能IN0～IN7：8 路输入通道的模拟量输入端‍口。2−1～2−8：8 位数字量输出端‍口。START，ALE：START 为启动控制输入端口，ALE 为地址锁存控制信号端口。这两个信号连接在一起，当给一个正脉冲时，便立刻启动数模转‍换。EOC，OE：EOC 为转换结束信号脉冲输出端口，OE 为输出允许控制端口。这两个信号也可以连接在一起，表示转换结束。OE 端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线‍上。REF（+），REF（−），VCC，GND：REF（+）、REF（−）为参考电源输入端，VCC 为主电源输入端，GND 为接地端。2024/12/12

CLK：时钟输入‍端。

ADDA，ADDB，ADDC：8 路模拟开关 3 位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。ADC0809 工作时序图2024/12/12项目七、数字电压表的设计与制作——数模转换器（DAC）

1.工作原理

数模转换电路接收的是数字信息，而输出的是与输入数字量成正比的电压或电流。输入数字信息可以用任何一种编码形式，代表正、负或正负都有的输入值。一个双极性输出型有4位数字输入的DAC 转换特‍性如下图所示。输入数字信息的最高位为符号位，1表示负值，0表示正值。输入的数字信息是以原码表示‍的。2024/12/12

2024/12/12有 4 位数字输入的 DAC 转换特性2024/12/12n 位 DAC 的组成框图2.D/A 转换器的类型

根据工方作式的不同，D/A 转换器可分为电压相加型和电流相加型。根据译码网络的不同，可分为权电阻网络型 D/A 转换器、倒 T 电阻网络型 D/A 转换器等形式。在单片集成 D/A 转换芯片中采用最多的是倒T电阻网络型D/A转换器。n位倒T电阻网络型D/A 转换器的电路结‍构如下图所示。

倒 T 型电阻网络型 D/A 转换器的电路结构

当输入数字信号的任何一位是“1”时，对应开关便将2R电阻接到运放反相输入端，而当其为“0”时，则将电阻2R接地。

2.电流I的表达式为的表达式：

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在求和放大器的反馈电阻等于R的条件下，输出模拟电压为：特‍点：● 电路中电阻的种类很少，便于集成和提高精‍度。● 无论模拟开关如何变换，各支路中的电流保持不变，因此不需要电流建立时间，提高了转换速‍度。2024/12/12

3.D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率它指电路所能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率式中n表示输入数字量得位数。可见，n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。（2）转换误差D/A 转换误差是指它在稳定工作时，实际模拟输出值和理论值之间的最大偏差，其值等于 DAC实际输出模拟电压与理论输出模拟电压值之‍差。2024/12/12（3）转换速度通常以建立时间表征 D/A 转换器的转换速度。建立时间是指在输入数字量各位由全0变为全1，或由全1变为全0，输出电压达到某一规定值所需要的时间。建立时间又称为转换时间。（4）电源抑制比在高质量的转换器中，要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生变化时，对输出电压的影响非常小，输出电压的变化与对应的电源电压的变化之比，称为电压抑制比。2024/12/12

4.集成 D/A 转换器的功能及使用

（1）DAC0832结构框图和引脚排列2024/12/12DAC0832 结构框图DAC0832 引脚排列图DAC0832引脚功能ILE：输入锁存允许信号，输入高电平有效。：片选信号，输入低电平有效。：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。：数据传送选通信号，输入低电平有‍效。D7～D0：8位输入数据信号。VREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。VREF可在-10V至+10V范围内选择。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。2024/12/12

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。当DAC寄存器中的各位为1时，电流最大；为全0时，电流为0。IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。IOUT1和IOUT2满足如下关系：IOUT1+IOUT2=常数。VCC：电源输入端（+5～+15V，一般取+5V）。DGND：数字地。AGND：模拟地。

2024/12/12（2）工作方式DAC0832有三种工作方式即直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。实际应用时，要根据控制系统的要求来选择工作方‍式。三种工作方式的接法如下图所示。2024/12/123. 集成 D/A 转换芯片 DAC0832 的应用（a）单极性输出应用电路DAC0832 单极性输出时，输出模拟量和输入数字量之间的关系为。式中。其时序如下图所示。2024/12/12（b）双极性输出应用电路

双极性输出应用电路原理图如下图所示。2024/12/122024/12/12输出模拟电压的大小计算如下：

式中，D8 为补码，当最高位为

0 表示正数，直接代入计算即可。当最高位为

1 表示负数，后面各位按位取反最低位加

1，才为数值大小，代入上式才能得到转换结‍果。2024/12/12任务7-1

ADC0809 逻辑功能测试

2024/12/121、任务要求完成 A/D 转换器 0809 的逻辑功能测‍试。2、测试设备与器件

设备：数字电路实验箱 1 台，数字万用表 1 只。器件：ADC0809 芯片 1 块，连接导线若‍干。

2024/12/122024/12/123、集成电路外引脚排列图

外引脚排列图2024/12/12ADC0809 逻辑功能测试2024/12/124、测试内容及步骤（1）按上图接好电路。（2）接线完毕，检查无误，调节CP脉冲的频率约为1000KHz，用数字万用表测试IN0的数字，按表格要求调节可调电源的输入电压，按一下点脉冲输出板上的触发按钮，给单次正脉冲，观察发光二极管的状态，记录状态数据。（3）改变23,24,25引脚的电平状态，测试被选中模拟输入通道，记录数据。2024/12/12输入输出S1DCBAY0

Y1

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Y71000010011010101111001101111011111100010011010101111001101111011112024/12/12任务7-2

DAC0832 逻辑功能测试

2024/12/121、任务要求完成 D/A 转换器 0832 逻辑功能的测‍试。2、测试设备与器件

设备：数字电路实验箱 1 台，数字万用表 1 只。器件：LM324 芯片 1 块，DAC0832 芯片 1 块，连接导线若‍干。

2024/12/122024/12/123、集成电路外引脚排列图