《电工电子学》课件第16章

第16章模拟量和数字量的转换

16.1

D/A转换器

16.2

A/D转换器在现代控制、通信和检测技术领域中，广泛采用计算机对信号进行运算和处理。实际的控制对象大多数是模拟量，如将压力、温度、湿度、速度等非电量利用各种传感器转换

为电信号，这些电信号都属于模拟量。为了使计算机和数字仪表能识别这些信号，必须先把要控制的模拟信号转换为数字信号输入计算机内，而经过计算机处理后的数字信号又必须再转换为模拟信号，才能控制驱动装置以实现对被控对象的控制。图16-1实际系统A/D和D/A转换过程

16.1

D/A转换器

16.1.1

D/A转换器的组成和工作原理

D/A转换器的基本思想是将数字量转换成与它等值的十进制数成正比的模拟量。D/A转换器的种类很多，在集成D/A转换器中，权电流型D/A转换器的转换速度快，转换精度高，是较常用的一种转换器。下面以四位T型电阻网络D/A转换器为例，说明D/A转换器的组成和原理。

1.D/A转换器的组成

图16-2所示为四位T型电阻网络D/A转换器的原理图，它的核心部分是由精密电阻组成的R-2R型网络和电子双向开关。整个电路由许多相同的环节组成，每个环节都有一个

2R电阻和一个电子双向开关。相邻两环节之间通过电阻R联系起来。每个环节反映二进制数的一位数码。图16-2

T型电阻网络数/模转换器

2.D/A转换器的原理

图16-2中的运算放大器接成了反向比例运算电路，则对从A点左侧的T型电阻网络进行等效化简，应用戴维南定理和叠加定理可计算出电路中A点的电位UA。

(1)当只有d0=1时，即d3d2d1d0=0001，其电路可等效为图16-3(a)所示。应用戴维南定理可将00′左边部分等效为电压为UR/2的电源与电阻R串联的电路。而后再分别在11′、

22′、33′处计算它们左边部分的等效电路，其等效电源的电压依次被除以2，即UR/4、UR/8、UR/16，而等效电源的内阻均为2R∥2R=R。由此，可得出33′左边部分，即最后的等效电路，如图16-3(b)所示。可见，当d0=1时的网络开路电压即为等效电源电压UR/24·d0。图16-3计算T型电阻网络的输出电压

(2)同理，再分别对d1=1，d2=1，d3=1，其余为0时重复上述计算过程，得出的网络开路电压为UR/23·d1，UR/22·d2，UR/21·d3。

对图16-2中A点的电压应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出T型电阻网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE为

(16-1)

其等效电路如图16-4所示，等效电源的内阻仍为R。图16-4

T型电阻网络的等效电路在图16-2中，T型电阻网络的输出端经2R接到运算放大器的反相输入端，其等效电路如图16-5所示。运算放大器输出的模拟电压为

(16-2)图16-5

T型电阻网络与运算放大器连接的等效电路如果输入的是n位二进制数，则

(16-3)

当取RF=3R时，则上式为

(16-4)式(16-4)说明，D/A转换器输出的模拟量与输入的数字量成正比。例如，用D/A转换器将8位二进制数10101010转换为模拟量，设UR=8V，则其转换结果为此外，也常用倒T型电阻网络D/A转换器，其电路如图16-6所示。图中的电子模拟开关也由输入数字量来控制，当二进制数码为1时，开关接到运算放大器的反相输入端，为

0时接“地”。图16-6倒T型电阻网络D/A转换器电路我们可先计算电阻网络的输出电流IO1。计算时要注意两点：①00′、11′、22′、33′左边部分电路的等效电阻均为R(如图16-7所示)；②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)或接“地”(也就是不论输入数字信号是1或0)，各支路的电流是不变的。因此，从参考电压端输入的电流为而后根据分流公式得出各支路电流为图16-7计算倒T型电阻网络的输出电流由此可得出电阻网络的输出电流为

(16-5)

运算放大器输出的模拟电压UO为

(16-6)如果输入的是n位二进制数，则

(16-7)

当取RF=R时，则上式为

(16-8)

此式与式(16-4)相同。随着集成电路技术的发展，数/模转换器集成电路芯片种类很多。按输入的二进制数的位数分类有八位、十位、十二位和十六位等。例如AD7520，它是十位CMOS数/模转换器，其电路采用倒T型电阻网络。模拟开关是CMOS型的，也同时集成在芯片上。但运算放大器是外接的。AD7520的外引线排列及连接电路如图16-8所示。图16-8

AD7520的外引线排列及连接电路16.1.2

D/A转换器的主要技术指标

1.分辨率

D/A转换器的分辨率是用其输出的最小模拟电压(对应的输入二进制数为1)与最大模拟电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比来表示的。由于输出的模拟量与输入的数字量成正比，因此也可以用两个数字量的比来表示分辨率。例如，十位进制数进行D/A转换的分辨率为

2.精度

D/A转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。该误差是由于参考电压偏离标准值、运算放大器的零点飘移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等原因所引起的。

3.线性度

通常用非线性误差的大小表示数/模转换器的线性度。产生非线性误差有两种原因：一是各位模拟开关的压降不一定相等，而且接UR和接“地”时的压降也未必相等；各个电阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的电阻阻值的偏差对输出模拟电压的影响又不一样。

4.输出电压(或电流)的建立时间

从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间，称为建立时间。建立时间包括两部分：一是距运算放大器最远的那一位输入信号的传输时间；二是运算放大器

到达稳定状态所需时间。由于T型电阻网络数/模转换器是

并行输入的，其转换速度较快。目前，像十位或二十位单

片集成数/模转换器(不包括运算放大器)的转换时间一般不超过1μs。

5.电源抑制比

在高质量的数/模转换器中，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。输出电压的变化与相对应的电源电压变化之比，称为电源抑制比。

此外，还有功率消耗、温度系数以及输入高、低逻辑电平的数值等技术指标。

16.2

A/D转换器

A/D转换器的种类也很多，总的来说可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。前者可将模拟量直接转换成数字量；后者则需经过某个中间变量才将模拟量转换成数

字量。16.2.1逐次逼近型A/D转换器

A/D转换与D/A转换相反，就是要将模拟量转换成与其相当的数字量。逐次逼近型A/D转换器是直接A/D转换器的一种，其基本原理是先在最高位设定一个数字量1，经D/A转换器将它转换成模拟量后与待转换的模拟量比较，根据比较结果，修改设定量；然后在次高位再设定一个数字量1，再比较，再修改；再在下一位设定、修改……逐次逼近，直

到设定的数字量与待转换的模拟量之间的误差小于最低1位数字量为止。这时设定的数字量即是由模拟量转换而来的数字量。这好比用四个分别重8g、4g、2g、1g的砝码去秤重13g的物体，秤量顺序如表16-2所列。逐次逼近型A/D转换器的工作过程与上述秤物过程十分相似。逐次逼近型A/D转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、D/A转换器和电压比较器等几部分组成，其原

理框图如图16-9所示。图16-9逐次逼近型A/D转换器原理框图

1.逐次逼近型A/D转换器的电路组成

下面结合图16-10所示的具体电路来说明逐次逼近的

过程。图16-10四位逐次逼近型模/数转换器原理图

2.逐次逼近型A/D转换器的工作原理

下面分析电路的转换过程，并设D/A转换器的参考电压UR=+8V，输入模拟电压UI=5.52V。

转换开始前，先将触发器F3、F2、F1、F0清零，并置顺序脉冲Q4Q3Q2Q1Q0=10000状态，使F3的S端置1。当第一个时钟脉冲C的上升沿到来时，因F3被置位，使逐次逼近寄存器的输出d3d2d1d0=1000，加在数/模转换器

上。由式(16-1)可知，此时D/A转换器的输出电压为

因UA<UI，故比较器的输出为“0”。同时，顺序脉冲右移一位,变为Q4Q3Q2Q1Q0=01000状态。因Q3为1，使F2的S端置1。当第二个时钟脉冲C的上升沿到来时,使d3d2d1d0=1100。此时

UA>UI，故比较器的输出为“1”，使控制逻辑门打开。同时，顺序脉冲右移一位，变为Q4Q3Q2Q1Q0=00100状态。因Q2为1，对应的控制逻辑与门输出为1，通过或门，使F2的R端置1，同时Q2使F1的S端置1。

当第三个时钟脉冲C的上升沿到来时，因F2被复位，F1被置位，使d3d2d1d0=1010。此时

UA<UI，故比较器的输出为“0”。同时，顺序脉冲右移一位，变为Q4Q3Q2Q1Q0=00010状态。因Q1为1，使F0的S端置1。当第四个时钟脉冲C的上升沿到来时，因F0被置位，使d3d2d1d0=1011，此时UA≈UI，故比较器的输出为“0”。同时顺序脉冲右移一位，变为Q4Q3Q2Q1Q0=00001状态。

当第五个时钟脉冲C的上升沿到来时，d3d2d1d0=1011保持不变，此即为转换结果。此时，若在E端输入一个正脉冲，即E=1，则将四个读出“与”门打开，d3d2d1d0得以输出。同时，Q4Q3Q2Q1Q0=10000，返回原始状态。这样就完成了一次转换。转换过程如表16-3和图16-11所示。图16-11

UA逼近UI的波形上例转换误差为0.02V。误差取决于转换器的位数，位数越多，误差越小。

目前，经常使用的是单片集成模/数转换器，其种类很多，例如AD571、ADC0801、ADC0804、ADC0809等。下面以ADC0809为例，简单介绍其结构和使用。ADC0809是CMOS八位逐次逼近型模/数转换器，它的结构框图和外引线排列分别如图16-12和图16-13所示。图16-12

ADC0809的结构框图图16-13

ADC0809的外引线图16.2.2

A/D转换器的主要技术指标

1.分辨率

A/D转换器的分辨率是指输出二进制数的位数，位数越多，误差越小，转换精度越高。

2.相对精度

转换器的相对精度是指各个转换点偏离理想特性的误差。在理想情况下，所有的转换点应在一条直线上。