数字电子技术项目教程（第2版）教案 项目6　数字电压表的制作

教师备课纸第页课题6.1模数转换器（ADC）6.2数模转换器（DAC）课型理实一体授课班级集成电路23C1授课时数2教学目标1. 掌握 A/D 和 D/A 转换的基本原理和典型电‍路。2. 掌握 A/D 转换器和 D/A 转换器的主要参数指‍标。教学重点A/D 和 D/A 转换的基本原理和典型电‍路教学难点 A/D 和 D/A 转换的基本原理和典型电‍路学情分析学生有一定的电路知识教学效果一般教后记这部分内容比较枯草，学生不太感兴趣。一、模数转换器（ADC）完成模数转换的电路称为模数转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）。模数转换器（ADC）基本功能是将与 N 位的数字量 D 相对应的模拟信号 A 转换成 N 位的数字量 D（数字电流或数字电‍压）。（一）A/D 转换器的基本原理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。A/D 转换需经过采样、保持、量化、编码这 4 个过程，下图 为 A/D 转换器原理框‍图。图A/D 转换器原理框图1. 采样与保持所谓采样，就是在一个微小的时间内对模拟信号进行取样。下图 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 截止时，电容 C 上的电压保持不变，这是保持过‍程。2. 量化与编码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。例如，用 3 位二进制数来表示，则只有 8 种状态，也就是只有 000～111 共 8 个离散的取值。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。量化一般有以下两种方‍法。图采样-保持电路和采样波形（1）四舍五入法把小于/2 的电压作为“”处理，把大于等于/2 且小于 3/2 的电压作为“”处‍理；（2）舍去小数法把小于的电压作为“”处理，把大于等于而小于的电压作为“”处‍理。例如：设，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：，，，；如果采用舍去小数法，则量化结果为：，，，。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。把上述量化结果用代码表示称为编码。3 位代码可表示～；4 位代码可表示～；8 位代码可表示～；n 位代码可表示～。0～1V 模拟信号转换为 3 位二进制代码，划分量化电平的两种方法如下图 所‍示。图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。这些二进制代码就是 A/D 转换的输出结果。两种不同量化编码位数越多，量化误差越小，准确度越‍高。（二）A/D 转换器的常用类型根据 A/D 转换器的原理可以将 A/D 转换器分为两大类：一类是直接转换型 A/D 转换器，另一类是间接型 A/D 转换器。在直接型 A/D 转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量。而在间接型 A/D 转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这些中间变量转换为数字代码输‍出。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。下面简单介绍这两种 A/D 转换器的基本原‍理。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。图三位逐次逼近型 AD 转换器逻辑图逐次逼近型 ADC 是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。转换前先将寄存器清零。转换开始后，控制逻辑将寄存器的最高位置为 1，使其输出为 100…0。这个数码被 D/A 转换器转换成相应的模拟电压，送到比较器与输入进行比较。若＞，说明寄存器输出数码过大，故将最高位的 1 变成 0，同时将次高位置 1；若≤，说明寄存器输出数码还不够大，则应将这一位的 1 保留，依次类推将下一位置 1 进行比较，直到最低位为‍止。比较结束，寄存器中的状态就是转化后的数字输出，此比较过程与天平称量一个物体重量时的操作一样，只不过使用的砝码重量依次减‍半。例 7-1一个 4 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？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=0.2V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。这种电路完成一次转换所需时间为（n+2）TCP。式中，n 为 ADC 的位数，TCP 为时钟脉冲周‍期。2. 双积分型 A/D 转换器双积分型 A/D 转换器属于间接型 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）。下图给出的是 VT 型双积分型 A/D 转换器的原理‍图。图双积分型 AD 转换器的框图转换开始前，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。整个转换过程分两阶段进‍行。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：可见积分器的输出 UO1 与 UI 成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。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。采样阶段结束时，一方面因参考电压−VREF 的极性与 UI 相反，积分器向相反方向积分。计数器由 0 开始计数，经过 T2 时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电路使开关 S1 与 UI 相接，重复第一步，如图 7.5 所示。因此得‍到：即 可见，反向积分时间 T2 与输入模拟电压成正‍比。在 T2 期间计数门 G 打开，标准频率为 fCP 的时钟通过 G，计数器对 UG 计数，计数结果为 D，则计数的脉冲数为计数器中的数值就是 AD 转换器转换后数字量，至此即完成了 VT 转换。若输入电压 UI1<UI，U¢O1<UO1，则 T2′<T2，它们之间也都满足固定的比例关系，如图 所‍示。图双积分型 AD 转换器波形图双积分型 A/D 转换器若与逐次逼近型 A/D 转换器相比较，因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出的优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强。由以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果与 RC 无关，所以，该电路对 RC 精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。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 1ms。不过在工业控制系统中的许多场合，毫秒级的转换时间已经足足有余，双积分型 A/D 转换器的优点正好有了用武之‍地。（三）A/D 转换器的主要技术指标1．分辨率它是指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。常以输出二进制码的位数n来表示。分辨率=式中FSR是输入的满量程模拟电压。位数越多，对输入模拟信号的分辨能力越强。转换精度它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。转换速度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。（四）集成 A/D 转换器的功能及使用图ADC0809 的芯片引脚排列图ADC0809 八位逐次逼近型 A/D 转换器是一种单片 CMOS 器件，它内部包含 8 位的数模转换器、8 通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。8 通道多路转换器直接连接 8 个单端模拟信号中的任意一个。芯片引脚排列图如右图 所‍示。ADC0809 各引脚功能介绍如‍下。（1）IN0～IN7：8 路输入通道的模拟量输入端‍口。（2）2−1～2−8：8 位数字量输出端‍口。（3）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。（4）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。（5）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。一般 REF（+）与 VCC 连接在一起，REF（−）和 GND 连接在一‍起。（6）CLK：时钟输入‍端。（7）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，其对应关系见下表。表地址输入与模拟输入通道的选通关系选通模拟通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7地址C00001111B00110011A01010101如下图 所示为 ADC0809 内部结构‍图。图ADC0809 内部框图图ADC0809 工作时序图二、数模转换器（DAC）完成数模转换的电路称为数模转换器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）。数模转换器（DAC）基本功能是将 N 位的数字量 D 转换成与 N 位的数字量 D 相对应的模拟信号 A 输出（模拟电流或模拟电‍压）。（一）D/A 转换器的基本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。如下图 所示，表示一个双极性输出型有 4 位数字输入的 DAC 转换特‍性。图有 4 位数字输入的 DAC 转换特性由上图 可知，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。DAC 的分辨率取决于数字输入的位数，通常不超过 16 位，则分辨率为满刻度的。而 DAC 的精度则与转换器的所有元件的精度和稳定度、电路中的噪声和漏电等因素有关。例如，一个 16 位的 DAC 转换器，它的最大输出电压为 10V，则对应于最低位的电压为 152μV（分辨率），即为总电压的 0.00152%。由此可见，为了达到 16 位 DAC 的分辨率，要求所有元器件有极精密的配合，并且严格地屏蔽干扰，彻底的杜绝漏‍电。如下图 所示为 n 位 DAC 的组成框‍图。图n 位 DAC 的组成框图（二）D/A 转换器的类型D/A 转换器根据工作方式的不同分为:电压相加型和电流相加型。根据译码网络的不同分为：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。下面以 n 位倒 T 电阻网络型 D/A 转换器为例阐述 D/A 转换的原理。由下图可知，电阻网络中只有 R 和 2R 两种阻值的电‍阻。图倒 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。按照虚短、虚断的近似计算方法，求和放大器反相输入端的电位为虚地，所以无论开关合到哪一边，都相当于接到了“地”电位上。在图示开关状态下，电流 I 的表达式为只要 VREF 选定，电流 I 为常数。流过每个支路的电流从右向左，分别为…。当输入的数字信号为“1”时，电流流向运放的反相输入端，当输入的数字信号为“0”时，电流流向地，可写出的表达‍式：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：倒 T 电阻网络型的特‍点：（1）电路中电阻的种类很少，便于集成和提高精‍度。（2） 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。（三）D/A 转换器的主要技术指标1. 分辨率D/A 转换器的分辨率指电路所能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比式中，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。DAC 误差产生的原因有基准电压的波动、运算放大器中的零点漂移、电阻网络中电阻值的偏差及非线性失真等。要使 DAC 的精度高，不仅要选位数多的 DAC，还要选稳定度高的基准电压源和低温漂的运放与其配‍合。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。（四）集成 D/A 转换器的功能及使用常用的集成 DAC 有 DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408 等，DAC0832 是 DAC0830 系列中的一款采用 CMOS 工艺制成的单片电流输出型 8 位数/模转换器，是 8 位倒 T 电阻网络型转换器。DAC0832 是 8 位数据输入，它与单片机、CPLD、FPGA 可直接连接，且接口电路简单，转换控制容易且使用方便，在单片机及数字系统中得到广泛应用。DAC0832 的结构框图和引脚排列图分别如下图 所‍示。图DAC0832 结构框图图图DAC0832 引脚排列图1. DAC0832 的引脚功能DAC0832 由 8 位输入寄存器、8 位 DAC 寄存器和 8 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，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，使用时需外接运放。DAC0832 的引脚含义说明如‍下。（1）ILE：输入锁存允许信号，输入高电平有‍效。（2）：片选信号，输入低电平有‍效。（3）：输入数据选通信号，输入低电平有‍效。（4）：数据传送选通信号，输入低电平有‍效。（5）：数据传送选通信号，输入低电平有‍效。（6）D7～D0：8 位输入数据信‍号。（7）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。（8）Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线‍端。（9）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。（10）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。（11）VCC：电源输入端（+5～+15V，一般取+5V）。（12）DGND：数字‍地。（13）AGND：模拟‍地。D/A 转换芯片输入的是数字量，输出的是模拟量。模拟信号很容易受到电源和数字信号等干扰引起波动。为提高输出的稳定性和减少误差，模拟信号部分必须采用高精度基准电源和独立的地线，一般数字地和模拟地分‍开。DAC0832 是电流输出型，即它本身输出的模拟量是电流，应用时需外接运算放大器使之成为电压型输‍出。2. DAC0832 的工作方式DAC0832 有三种工作方式：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。（1）直通方式在直通方式下，输入寄存器和 DAC 寄存器处于不锁存（直通）状态。此时，输入数字量可直接送入 D/A 转换器转换并输出。该方式适用于输入数字量变化缓慢的场合。当输入数据变化速度较快，或系统中有多个设备共用数据线时，为保证 D/A 转换器工作正常，需要对输入数据进行锁存。直通工作方式接法如下图（a）所‍示。（2）单缓冲方式单缓冲方式是在输入数字量送入 D/A 转换器进行转换的同时，将该数字量锁存在 8 位输入寄存器中，以保证 D/A 转换级输入稳定，转换正常。这种方式只需执行一次写操作，即可完成 D/A 转换。