《电工电子技术》课件第13章

*第13章模拟量和数字量的转换13.1数-模转换器13.2模-数转换器小结习题

13.1数-模转换器

13.1.1数-模转换器的工作原理

图13-1所示为一个4位DAC的电路原理图。图中，由R和2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络，网络的输出端接到运算放大器的反相输入端。

(1)输入寄存器：在接收指令的作用下，将输入数字信号存入寄存器。

(2)电子模拟开关：S0、S1、S2、S3，这些电子开关分别由数码寄存器存放的4位二进制数的相应位数码d0、d1、d2、d3控制，根据它是“1”或“0”决定电阻网络中的电阻是接参考电压(也称基准电压)UR还是接地。图13-1

T形电阻网络数-模转换器

(3)T形电阻网络：当输入的数字信号的某一位为“1”时，开关接到参考电压UR上；当某一位为“0”时，接地。T形电阻网络开路时的输出电压UA(未接运算放大器时)可以应用叠加原理进行计算，即分别计算当d0＝1、d1＝1、d2＝1、d3＝1

(其余位为0)时的电压分量，而后叠加得到UA。只有当d0＝1，即d3d2d1d0＝0001时，其电路如图13-2所示，应用戴维宁定理可将00′左边部分等效为电压为

的电源与电阻串联的电路，而后分别在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，即等效电源的内阻均为(2R)∥(2R)＝R。由此可得出最后的等效电路，通过计算可以求出当d0＝1时网络的开路电压，即为等效电源电压图13-2计算T形电阻网络的输出电压(d3d2d1d0＝0001)同理，再分别对d1＝1、d2＝1、d3＝1(其余位为0)时

重复上述计算过程，得出的网络开路端电压各为

应用叠加原理将这四个电压分量叠加，可得出T形电阻网络开路时的输出电压UA为运算放大器接成反相比例运算电路，T形电阻网络输出的等效电压UA作为信号源，加到集成运放的输入端，等效电路图如图13-3所示。图13-3

T形电阻网络与运算放大器连接的等效电路这时集成运放的输出模拟电压为

如果输入的是n位二进制数，则当取RF＝3R时，上式为

式中，括号内的是n位二进制数按“权”的展开式。可见，输入的数字量被转换为模拟电压，两者成正比。例如，对4位的数-模转换器而言：

R－2RT形电阻网络数-模转换器的优点是只需R和2R两种阻值的电阻，这对选用高精度电阻和提高转换器的精度都是有利的。

倒T形电阻网络数-模转换器也是比较常用的。图13-4为

其电路图。图中，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，当为0时接“地”。

图13-4倒T形电阻网络数-模转换器首先计算电阻网络的输出电流Io1，观察电路图可知：

(1)电路的任一端口00′、11′、22′、33′，其左边部分电路的等效电阻均为R。

(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”(即不论输入信号是1还是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然后根据电流分流公式得出各支路的电流：

由此可得出电阻网络的输出电流：运算放大器输出的模拟电压为

如果输入的是n位二进制数，则

当RF＝R时，上式为

与T形电阻网络的输出电压相同。13.1.2数-模转换器的主要技术指标

1．分辨率

分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。当输入的数字量为1(仅最低位为1，其余各位全部为0)时，输出最小；当输入的数字量各位全部为1时，输出最大。此二者之比即为分辨率。例如，10位D/A转换器的分辨率为

有时也用输入信号的有效位数来表示分辨率，有效位数越多，分辨率就越高。显然，分辨率越高，转换的精度就越高，但分辨率越高，其转换电路就越复杂。

表13-1列出的是不同D/A转换器的分辨率。

2．转换精度和线性度

转换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。该误差是由运放的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等原因引起的。

线性度是指转换器的非线性误差。非线性误差一般是由于各模拟通路的偏差和压降不同造成的。

3．输入数字电平和输出电平

输入数字电平是指输入的数字信号分别为0和1时所对应的输入高、低电平的值。对于不同的转换器，该值略有区别。输出电平是指输出电压的最大值。对于不同型号的转换器，该值相差较大，其中电压输出型的可达30V，电流输出型的可达3A。

4．工作温度范围

温度的高低会直接影响到转换器的精度指标。好的产品其工作温度在－40~150℃之间。13.1.3数-模转换器的主要产品介绍

1．DAC0830系列

DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC转换电路，包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主要由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换电路和转换控制电路构成，采用20脚双列直插封装，芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后变成电压信号输出。

DAC0830系列的外引线排列图如图13-5所示。图13-5

DAC0830系列的外引线排列图

2．集成DA7520

集成DA7520和DAC0830系列不同的是，其电路只包含转换网络和模拟电子开关，是10位CMOS电流开关型转换器，其结构简单，通用性好。DA7520的外引线排列图如图13-6所示，对于其引脚功能，读者可参考英文名称和DAC0830系列自行分析。图13-6

DA7520的外引线排列图13.2模-数转换器

13.2.1模-数转换器的基本原理

在ADC中，输入的模拟量在时间和幅值上都是连续变化的，而输出的数字信号在时间和幅值上都是离散的。将模拟量转换为数字量分为四个步骤，即采样、保持、量化、编码。前两个步骤在采样保持电路中完成，后两个步骤在ADC转换电路中完成。图13-7是ADC的工作原理图。图13-7

ADC的工作原理13.2.2模-数转换器的主要技术指标

1．分辨率和量化误差

ADC的分辨率以输出的二进制数的位数来表示，在最大输入电压一定时，输出位数越多，则量化单位越小，分辨率越高。例如，将模拟信号转换为10位二进制数输出，如果最大输入电压为5V，则该转换器所能分辨的最小输入电压为

转换为输出最低位的1。量化误差是由于ADC有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样而引起的误差，其大小在理论上为一个单位分辨力，所以量化误差与分辨率是统一的，提高分辨率即可减小量化误差。

2．转换精度

转换精度和误差一般以输出误差的最大值来表示，它表示ADC实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想ADC也存在量化误差，因而ADC转化精度所对应的误差指标是不包含量化误差在内的。

转换精度有时以综合误差指标的表达方式给出，有时又以分项误差指标的表达方式给出。通常给出的分项误差指标有偏移误差、满刻度误差、非线性误差和微分非线性误差等。偏移误差是指输出为零时，输入不为零的值，所以有时又称为零点误差。偏移误差通常是由放大器的偏移电压或偏移电流引起的。一般可以通过在转换器外加接调节电位器，将偏移误差调至最小。

满刻度误差也称增益误差，是指转换器满刻度输出时的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差。满刻度误差一般是由参考电压、放大器的放大倍数和电阻网络误差等引起的。满刻度误差也可以通过外部电路来修正。

非线性误差是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。

注意：非线性误差不包括量化误差、偏移误差和满刻度误差。

微分非线性误差是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压(1LSB)之间的差值。为保证转换器的单调性能，转换器的微分非线性误差一般不大于1LSB。

非线性误差和微分非线性误差在使用中很难进行调整。

3．转换速度和速率

转换速度是指完成一次转换所需时间的长短，是指从转换控制信号到来至输出端得到稳定的输出数字信号所经过的时间的长短。转换速率是指转换器在每秒所能完成的转换次数。转换速度和转换速率互为倒数。ADC的转换速度和转换电路的类型有关，不同类型的转换器其转换速度相差很大，转换速度快的并行比较型可将一次转换时间控制在50ns以内。

4．电源抑制

当输入模拟电压不变时，如果转换电路的供电电源电压发生变化，则对输出的数字信号也会产生影响。电源抑制可用输出数字量的绝对变化量来表示。13.2.3常用模-数转换器简介

1．ADC0800系列

ADC0800系列属逐次逼近型转换器，如ADC0801、ADC0804、ADC0809等，可把输入模拟信号转换为8位数字信号输出。

ADC0809片内有带锁存功能的8路模拟开关，可实现对8路输入模拟电压进行分时转换，输出采用TTL三态锁存缓冲器，可直接与外部数据总线连接。ADC0809采用28脚双列直插封装，其外引线排列图如图13-8所示。图13-8

ADC0809的外引线排列图

2．ICL7109转换器

ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移且价格便宜的

12位双积分型转换器，其内部由模拟电路和数字电路两部分组成，采用40脚双列直插式封装。ICL7109的外引线排列图如图13-9所示。图13-9

ICL7109的外引线连接图13.2.4模-数转换器在智能仪器的数据采集系统中的应用

数据采集系统是计算机、智能仪器与外界联系的桥梁，是获取信息的主要途径，用于对整个系统进行控制和数据处理。它的核心是计算机，而计算机所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行A/D转换，以将连续的模拟信号量化。图13-10是多通道并行数据采集系统的结构框图。图13-10多通道并行数据采集系统的结构框图小结

一、基本要求

1.掌握ADC和DAC的特点。

2.了解ADC和DAC的技术参数。

3.了解ADC和DAC的芯片。

二、内容提要

1.ADC和DAC是现代数字系统中的重要部件，其应用不仅广泛而且日益增多。两者的主要参数都是转换精度和速度。目前，ADC和DAC的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口等。

2.数-模转换装置输入的信号是数字信号，输出的信号则是与输入的数字信号成比例的模拟电压或电流。数-模转换电路有多种方式，最常用的是电阻网络转换器。其中，较常见的有权电阻网络、T形电阻网络和倒T形电阻网络等。

3.模-数转换一般要经过采样、保持、量