1、1第第12章章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换12.1 D/A转换器转换器12.2 A/D转换器转换器2 数数/模与模模与模/数转换器是计算机与外部设数转换器是计算机与外部设备的重要接口备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统也是数字测量和数字控制系统的重要部件。的重要部件。D/A（数（数/模）转换器：模）转换器：能将数字量转换为模拟量的装置。能将数字量转换为模拟量的装置。A/D（模（模/数）转换器：数）转换器：能将模拟量转换为数字量的装置。能将模拟量转换为数字量的装置。概述概述3D/A（数（数/模）转换器：模）转换器：(DAC)输入：输入：n位二进制数位二进制数N输出：与输入二进制
2、数输出：与输入二进制数N成正比的模拟信号成正比的模拟信号（电压或电流）（电压或电流）A（N）2=d n-12 n-1+d n-22 n-2+d 12 1+d 02 0 A=KN=K（d n-12 n-1+d n-22 n-2+d 12 1+d 02 0）由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权权”，因此为，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构量相加即可得到与该数字
3、量成正比的模拟量，这就是构成成D/A变换器的基本思想。变换器的基本思想。12.1 D/A 转换器转换器4模拟电子开关模拟电子开关倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络运放运放倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络DACd0d1d2d3+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IR电路：电路：基准电压源基准电压源待转换数字量待转换数字量12.1.1 D/A转换器的组成和工作原理转换器的组成和工作原理1、D/A转换器组成转换器组成5+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di为为1 Si与运放的反相输入端
4、连接与运放的反相输入端连接 uo=-IO1 RFdi为为0 Si与地连接与地连接IO1=？与哪些量有关？与哪些量有关？2.D/A转换器的原理转换器的原理6倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00 11 22 33 RRRRIR=UR/RI3=IR 21 =21URRI2=IR 41 =22URRI1=IR 81 =23URRI0=IR 161 =24URRIO1IO1=d3I3+d2I2+d1I1+d0I07+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3I3+d2I2+d1I1
5、+d0I0I1I2I3I0=（d323+d2 22+d1 21+d0 20）24URRUO1=-IO1RF=（d323+d2 22+d1 21+d0 20）24UR RFR8UO1=-IO1RF=（d323+d2 22+d1 21+d0 20）24UR RFR若为若为n位二进制数，则位二进制数，则UO1=（dn-12n-1+dn-2 2n-2+d0 20）2nUR RFR若若RF=R，则，则UO1=（dn-12n-1+dn-2 2n-2+d0 20）2nUR即输出电压的大小正比于输入二进制数即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换的大小，实现了数字量和模拟量的转换9
6、集成集成DAC集成集成DAC的种类：的种类：按电路结构分：按电路结构分：权电阻权电阻DAC、梯形、梯形DAC、倒、倒T形形DAC等等按输入二进制数位数分：按输入二进制数位数分：八位、十位八位、十位、十二位、十六位等、十二位、十六位等例：例：AD7520：十位倒十位倒T形电阻网络形电阻网络DAC10特点：特点：管脚排列及外接电路：管脚排列及外接电路：运算放大器外接运算放大器外接5G752012345678910111213141516d0d1d2d3d4d9d8d7d6d5GND+UDD321511614正电源端正电源端接地端接地端413十位数字量输入端十位数字量输入端模拟电流模拟电流IO1输出
7、端输出端模拟电流模拟电流IO2输出端，输出端，一般接地一般接地参考电压接线端，参考电压接线端，UR可正可负可正可负内部电阻内部电阻RF的引出的引出端，另一端在芯片端，另一端在芯片内部接内部接IO1端端 uo UR11指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率、分辨率 2、转换精度、转换精度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。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。如十位如十位DAC分辨率：分辨率：210-11=102313、输出电压、输出电
8、压(电流电流)的建立时间的建立时间 从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。12.1.2 D/A转换器的转换器的主要技术指标主要技术指标 4、电源抑制比、电源抑制比指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。1212.2 A/D 转换器转换器 模拟量转换成数字量的电路。模拟量转换成数字量的电路。A/D转换器转换器输入：输入：连续变化的模拟量连续变化的模拟量输出：输出：大小与输入模拟量成正比的数字量大小与输入模拟量成正比的数字量13 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平秤重过
9、程作比喻来说明。若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步克，可以用下表步骤来秤量：骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论12.2.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器基本组成和工作原理转换器基本组成
10、和工作原理14顺序脉冲顺序脉冲发生器发生器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器DAC电压比电压比较器较器输出数字量输出数字量输入电压量输入电压量顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置由高到低依次将各位置“1”，再根据比较器的，再根据比较器的输出决定该输出决定该“1”的取舍。的取舍。数摸转换器数摸转换器 将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量电压量电压比较器电压比较器
11、将将DAC输出的模拟电压量与待转换的模输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍中该位的取舍1.基本组成基本组成15置数控制逻辑电路置数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 D/A转换器转换器 +-AUx数字量输出数字量输出Uod0d1dn-1原理图原理图设欲转换量设欲转换量UX1）给逐次逼近寄存器清零；）给逐次逼近寄存器清零；2）将逐次逼近寄存器最高位置）将逐次逼近寄存器最高位置“1”；即；即dn-1=1；3）DAC将逐次逼近寄存器输出将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量的数字量转换为模拟量UO；4）当）当UO UX
12、，置数控制逻辑电路使该位，置数控制逻辑电路使该位“1”去掉；去掉；5）将逐次逼近寄存器次高位置）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即；即dn-2=1；直至确定直至确定d02.工作原理工作原理16置数控制逻辑电路置数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 D/A转换器转换器 +-AUx数字量输出数字量输出Uod0d1dn-1例：四位逐次逼近例：四位逐次逼近DAC已知：已知：UX=5.52VDAC的的UR=8V试分析转换过程。试分析转换过程。1）清零：）清零：d3 d2 d1 d0=0000 2）将最高位置）将最高位置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1000；3）DAC将逐次逼近寄存器输出
13、的数字量将逐次逼近寄存器输出的数字量1000转换为模拟量转换为模拟量UO；4）UO UX，置数控制逻辑电路使，置数控制逻辑电路使d2=1去掉，使去掉，使d2=0；UO=8/16（123+1 22+0 21+0 20）=6Vd3 d2 d1 d0=10008）将）将d1置置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1010；10）UO UX，置数控制逻辑电路使，置数控制逻辑电路使d1=1保留；保留；UO=8/16（123+0 22+1 21+0 20）=5Vd3 d2 d1 d0=10109）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量将逐次逼近寄存器输出的数字量1010转换为模拟量转换为模拟量UO；1811
14、）将）将d0置置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1011；10）UO UX，置数控制逻辑电路使，置数控制逻辑电路使d0=1保留；保留；UO=8/16（123+0 22+1 21+1 20）=5.5Vd3 d2 d1 d0=101112）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量将逐次逼近寄存器输出的数字量1011转换为模拟量转换为模拟量UO；ADCUX=5.52Vd3 d2 d1 d0=1011转换误差转换误差=0.02V，输出位数越多，误差越小，输出位数越多，误差越小19 2、相对精度：、相对精度：以输出二进制代码的位数表示分辨率。以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换
15、精度越高位数越多，量化误差越小，转换精度越高完成一次完成一次A/D转换所需要的时间。即从它接到转换所需要的时间。即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间所需要的时间实际转换值和理想特性之间的最大偏差实际转换值和理想特性之间的最大偏差1、分辨率：、分辨率：3、转换速度：、转换速度：4、其它：电源抑制、功率、电压范围等。、其它：电源抑制、功率、电压范围等。12.2.2 A/D转换器转换器 的主要技术指标的主要技术指标20ADC0809 是八通道八位逐次逼近型模数是八通道八位逐次逼近型模数 转换器。转换器。A/D变换组件也有多种型号可供选
16、择，变换组件也有多种型号可供选择，使用者可根据任务要求进行选择。下面以使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0809 为例为例，介绍集成电路，介绍集成电路A/D变换器。变换器。集成集成ADCADC0809 是是28脚双列直插式模数转换器脚双列直插式模数转换器21八通道模拟量输入八通道模拟量输入结构框图结构框图8选选1 模拟量模拟量选择器选择器8位逐次位逐次逼近逼近ADC三态输三态输出锁存出锁存器器地址地址锁存器锁存器IN0IN7D0D7ABCALESTARTUR（-）UR（+）OECLOCKEOC8选选1模拟选择器的地址选择输入端模拟选择器的地址选择输入端八位数字量输出八位数字量输出地址
17、锁存信号输入端地址锁存信号输入端 高电平有效高电平有效输出允许端输出允许端高电平有效高电平有效启动信号输入端启动信号输入端启动脉冲下降沿启动脉冲下降沿开始转换开始转换外部时钟脉冲输入端外部时钟脉冲输入端转换结束信号端转换结束信号端 高电平有效高电平有效正负参考电压输入正负参考电压输入端该电压确定模拟端该电压确定模拟量的输入电压范围量的输入电压范围22管管脚脚功功能能D5D4D6UCCUR（+）OE1234567891014131211191817161520CLKSTARTUR(-)2122232425262728D1D2D7D3D0ALECBAIN0IN1IN2IN5IN4IN3IN7IN6EOCGNDADC0809选中通道与选中通道与地址码关系地址码关系选中选中通道通道地址码地址码C B AIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN70 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 123END
