1、第七章 数/模与模/数转换器7.1D/A转换器转换器7.1.1 权电阻型权电阻型D/A转换器转换器7.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器7.1.3 D/A转换器的主要参数转换器的主要参数7.1.4 集成集成AD7520及其应用及其应用概述概述概概 述述 D/A D/A转换器将输入的二进制代码转换成相应的输出转换器将输入的二进制代码转换成相应的输出模拟电压。它是数字系统和模拟系统的接口。图模拟电压。它是数字系统和模拟系统的接口。图7-17-1为为一个一个DACDAC的框图。一般包括的框图。一般包括基准电压基准电压、输入寄存器输入寄存器、电电子模拟开关子模拟开关、由数字代码所控制
2、的、由数字代码所控制的电阻网络电阻网络和和运算放大运算放大器器等几部分组成。等几部分组成。D/AD/A转换转换器的种类很多，器的种类很多，本节只介绍权本节只介绍权电阻型电阻型D/AD/A转转换器和倒换器和倒T T形形电阻网络电阻网络D/AD/A转换器的工作转换器的工作原理。原理。输出模拟量+-寄存器译码网络输入数字量R RF Fu uO O电子开关寄存器图图7-1 DAC7-1 DAC的框图的框图7.1.1 权电阻型权电阻型D/A转换器转换器电路组成电路组成图图7-27-2所示为所示为n n位权电阻型位权电阻型D/AD/A转换器，它主要由电子转换器，它主要由电子模拟开关模拟开关S S0 0S
3、Sn-1n-1、权电阻网络权电阻网络、基准电压基准电压U UREFREF和和求和运求和运算放大器算放大器等部分组成。构成权电阻网络的电阻的阻值，等部分组成。构成权电阻网络的电阻的阻值，与该位的位权值成反比。与该位的位权值成反比。图7-2 n位权电阻网络DACdi=0，Si接地接地di=1，Si接接UREF在图图7-27-2中，电子开关中，电子开关S S0 0S Sn-1n-1都接都接1 1端，根据理想运端，根据理想运放的放的“虚短虚短”“”“虚断虚断”的概念的概念，0121IIIIinnFRURURURUnn1REF2REF1REF0REF222201REF12REF21REF1REF222d
4、RUdRUdRUdRUinnnnF001122111REF22222ddddRUnnnnn101REF22niiindRU模拟开关模拟开关S Si i受受d di i控制，因此控制，因此 式中式中001122111022222dddddnnnnniii 故运算放大器的输出电压为故运算放大器的输出电压为FFRiuo001122111REFF22222ddddRURnnnnn101REFF22niiindRUR由式（由式（7.1.37.1.3）可看出，）可看出，输出模拟电压的大小直接输出模拟电压的大小直接与输入二进制代码的大小成正比，从而实现了数字量到与输入二进制代码的大小成正比，从而实现了数字量
5、到模拟电压的转换模拟电压的转换。权电阻权电阻D/AD/A转换器的优点是结构比较简单，直观，转换器的优点是结构比较简单，直观，转换速度也比较快；它的缺点是输入二进制数代码的位转换速度也比较快；它的缺点是输入二进制数代码的位数较多时，各个电阻的阻值相差太大。因此，难以保证数较多时，各个电阻的阻值相差太大。因此，难以保证对电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，对电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，也不利于集成化。也不利于集成化。7.1.2 7.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器电路组成电路组成I=UREF/RRRR2R2R2R2R2R0 00 00
6、00 01 11 11 11 1d d0 0d d1 1d d2 2d d3 3R RF FiI0I1I2I3S0S1S2S3uo+-Fi+UREFBACD图图7-3 4位倒位倒T型电阻网络型电阻网络DAC 主要由电子模拟开关主要由电子模拟开关S S0 0S S3 3、R-2RR-2R倒倒T T形形电阻网络电阻网络、基基准电压准电压和和求和运算放大器求和运算放大器等部分组成。等部分组成。工作原理工作原理电子开关电子开关S S0 0S S3 3由输入二进制代码控制，如由输入二进制代码控制，如i i位代码位代码d di i=1=1时，时，S Si i接接1 1端，将电阻端，将电阻2R2R接运算放大
7、器的虚地点接运算放大器的虚地点；如如d di i=0=0时，时，S Si i接接0 0端，电阻端，电阻2R2R直接接地。因此，无论直接接地。因此，无论S Si i处处于何处，电阻于何处，电阻2R2R上端电位为上端电位为0 0。因此，从。因此，从A A、B B、C C、D D各处各处向左看，对地等效电阻都为向左看，对地等效电阻都为R R。所以，。所以，U UREFREF流出的总电流流出的总电流是是I I=U UREFREF/R R，并且每经过一个节点，电流被分流一半。因，并且每经过一个节点，电流被分流一半。因此，此，2R2R上流过的电流上流过的电流 （从数字量高位到低位）分别为（从数字量高位到低
8、位）分别为I I/2/2、I I/4/4、I I/8/8、I I/16/16。所以，流入求和运算放大器的输。所以，流入求和运算放大器的输入电流为入电流为012316842dIdIdIdIi00112233422222ddddIOddddRU01122334REF22222 所以，运算放大器的所以，运算放大器的输出电压输出电压为为 FFFRiRiuo001122334REFF22222ddddRUR 对于对于n位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，其输出电压为转换器，其输出电压为00112211REFF22222ddddRURunnNnno 若取若取R RF F=R R，则，则10REF2
9、2niiinodUu 由上式可看出：由上式可看出：输出模拟电压与输入数字量成正比输出模拟电压与输入数字量成正比。倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器中各支路的电流恒定不变，转换器中各支路的电流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差，有效地减小了动态误差，因而提高了转换速度；时间差，有效地减小了动态误差，因而提高了转换速度；并且，电阻只有并且，电阻只有R R、2R2R两种，为集成电路的设计和制作带两种，为集成电路的设计和制作带来了很大的方便。来了很大的方便。例例7-17-1 在图在图7-3所示电路中，所示电
10、路中，RF=R，UREF=5V。试计算：。试计算：（）输入（）输入d3d2d1d0每一位为每一位为1 1时输出电压；时输出电压；（）输入（）输入d3d2d1d0全为全为1 1时的输出电压。时的输出电压。解：图解：图7-3电路是电路是4位倒位倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，其输出电压为转换器，其输出电压为因为因为RF=R，UREF=5V，所以，所以001122334REFF22222ddddRURuo001122334222225dddduoV.uo52020202122501234V.uo251020212022501234V.uo6250021202022501234V.uo31250
11、120202022501234V.uo68754121212122501234（1）d3d2d1d0=1000 d3d2d1d0=0100 d3d2d1d0=0010 d3d2d1d0=0001（2）d3d2d1d0=1111 7.1.3 D/A7.1.3 D/A转换器的主要参数转换器的主要参数1.1.转换精度转换精度 在在D/AD/A转换器中，一般用分辨率和转转换器中，一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。换误差来描述转换精度。(1)(1)分辨率分辨率 分辨率是说明分辨输出最小电压的能力。分辨率是说明分辨输出最小电压的能力。它是指它是指D/AD/A转换器输入数字量只有最低位为转换器输入数字量
12、只有最低位为1 1时对应的输出时对应的输出模拟电压模拟电压U ULSBLSB与最大数字量与最大数字量(11111111)对应的最大输出电压对应的最大输出电压U UFSRFSR的比值。因此，的比值。因此，n n位位D/AD/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为121FSRLSBnUUV03922.025510101218V009775.01012110 如果输出模拟电压满量程为如果输出模拟电压满量程为10V10V，那么，那么，8 8位位D/AD/A转换转换器能够分辨的最小电压为器能够分辨的最小电压为如果是如果是1010位位D/AD/A转换器，则能够分辨的最小电压为转换器，则能够分辨的最小电压为(2
13、)转换误差转换误差 转换误差是指转换误差是指D/A转换器实际输出模转换器实际输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。这个这个转换误差转换误差是一个综合性误差，它包括基准电压是一个综合性误差，它包括基准电压UREF的波动、运算的波动、运算放大器的零点漂移、倒放大器的零点漂移、倒T形电阻网络中的电阻阻值的误差形电阻网络中的电阻阻值的误差等多种因素。因此，要获得高精度的等多种因素。因此，要获得高精度的D/A转换器，应选转换器，应选用低温漂高精度的运算放大器，采用高稳定度的用低温漂高精度的运算放大器，采用高稳定度的UREF和和选用高分辨率的选用高分辨率的D/A转换
14、器。转换器。2.2.转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指D/AD/A转换器从输入数字转换器从输入数字信号起到输出模拟电压达到稳定值所需的时间，也叫建信号起到输出模拟电压达到稳定值所需的时间，也叫建立时间。这个时间越短，工作速度越高。立时间。这个时间越短，工作速度越高。可见，可见，D/AD/A转换器的位数转换器的位数n n越多，能分辨的最小输越多，能分辨的最小输出模拟电压就越小。出模拟电压就越小。7.1.4 7.1.4 集成集成D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520及其应用及其应用集成集成D/AD/A转换器品种很多，其中转换器品种很多，其中R-2RR-2R倒倒T T型电阻网型电阻
15、网络络DACDAC较常见。较常见。1010位位D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520就是就是R=10KR=10K的的倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器，内有反馈电阻转换器，内有反馈电阻R RF F=R=R。使用。使用时须外接运算放大器和基准电压时须外接运算放大器和基准电压REFREF。1 1、功能、功能AD7520AD7520各引脚功能各引脚功能见图见图7-4 7-4，其中，其中D D0 0D D9 9为为数码输入端；数码输入端；I Iout1out1和和I Iout2out2为电流输出端；为电流输出端；R RF F为内为内部反馈电阻输出端；部反馈电阻输出端；U URE
16、FREF为基准电压输入端；为基准电压输入端；+V+VDDDD为芯片工作电源。为芯片工作电源。图7-4 AD7520的引脚图 13161021131241415165789AD7520AD7520Iout1Iout2GNDRFUREF+VDDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0+-Ad9地d8d7d6d5d4d3d2d1d0UREFVDDRFIout1Iout2AD7520AD7520+10VuOuI2 2、应用、应用 在图在图7-57-5中，中，输入模拟电压接输入模拟电压接到到AD7520AD7520的基准的基准电压端，则构成电压端，则构成电压放大电路。电压放大电路。它的电压放大倍它的电压
17、放大倍数，数，由数码输入由数码输入端端d d0 0d d9 9的值决的值决定，故构成增益定，故构成增益可编程放大器。可编程放大器。图图7-5 7-5 增益可编程放大器增益可编程放大器 (1)增益可编程放大器增益可编程放大器 在图在图7-67-6中，输出模拟中，输出模拟电压的值随计电压的值随计数器数器74LS16174LS161的的Q Q3 3、Q Q2 2、Q Q1 1、Q Q0 0的变化而发的变化而发生周期性的变生周期性的变化，故构成波化，故构成波形发生器。形发生器。图图7-6 7-6 波形发生器波形发生器 (2)(2)波形发生器波形发生器7.A/D转换器转换器7.1 A/D转换器的转换步骤
18、转换器的转换步骤7.2 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 7.3 双积分型双积分型A/D转换器转换器 7.4 AD转换器的主要参数转换器的主要参数7.2.5 7.2.5 集成集成A/DA/D转换器转换器ADC0801ADC0801及其应用及其应用7.2.1 A/D转换器的转换步骤转换器的转换步骤在进行在进行A/DA/D转换时，输入的模拟信号是在时间上是连转换时，输入的模拟信号是在时间上是连续的续的 ，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入信号取样，然后再把这些能在一系列选定的瞬间对输入信号取样，然后再把这些取样的值
19、转换为输出的数字量。因此一般的取样的值转换为输出的数字量。因此一般的A/DA/D转换过程转换过程要经过要经过取样取样、保持保持、量化量化和和编码编码这四个步骤进行。前两这四个步骤进行。前两个步骤在取样个步骤在取样-保持电路中完成，后两个步骤在保持电路中完成，后两个步骤在A/DA/D转换转换器中完成。器中完成。1.1.取样定理取样定理 取样是对时间上和量值上连续变化取样是对时间上和量值上连续变化的模拟量按一定的时间间隔采取样值，将其转换为在时的模拟量按一定的时间间隔采取样值，将其转换为在时间上断续变化的、在幅度上等于取样期间模拟信号大小间上断续变化的、在幅度上等于取样期间模拟信号大小的一串脉冲。
20、为了能较好地恢复原来的模拟信号，取样的一串脉冲。为了能较好地恢复原来的模拟信号，取样信号必须有足够高的频率。信号必须有足够高的频率。取样信号的频率必须大于等取样信号的频率必须大于等于输入模拟信号频谱中最高频率的于输入模拟信号频谱中最高频率的2 2倍倍，即，即 max2iSff 2.2.取样取样-保持电路保持电路 图图7-77-7所示为取样所示为取样-保持电路。保持电路。其中，增强型其中，增强型NMOSNMOS管，受取样脉冲信号管，受取样脉冲信号u uS S的控制，运算的控制，运算放大器构成电压跟随器。放大器构成电压跟随器。+-uSuouCuI-C图图7-77-7取样取样-保持电路保持电路 工作
21、过程如下：工作过程如下：当取当取样脉冲样脉冲u uS S为为高高电平时，电平时，NMOSNMOS管管导通导通，存储电容，存储电容C C迅速迅速充充电电，使电容，使电容C C上的电压上的电压u uC C跟跟上输入电压上输入电压u uI I变化；当变化；当u uS S为为低低电平时，电平时，NMOSNMOS管管截止截止，C C上的电压在此期间上的电压在此期间保持不变保持不变，直到下一个取样脉冲的到直到下一个取样脉冲的到来。来。电压跟随器的输出电压始终跟随存储电容上电压电压跟随器的输出电压始终跟随存储电容上电压变化变化。该电路在每次取样结束后。该电路在每次取样结束后A/DA/D转换器输出电压保持转换
22、器输出电压保持一段时间，以便进行量化和编码。输入电压、取样脉冲一段时间，以便进行量化和编码。输入电压、取样脉冲信号和信号和A/DA/D转换器的输出电压波形如图转换器的输出电压波形如图7-87-8所示。所示。Out(c)SuIutt(a)(b)TStW000图图7-8 7-8 取样取样-保持电保持电路工作波形图路工作波形图3.3.量化和编码量化和编码 要将取样要将取样-保持电路输出的取保持电路输出的取样电压转换成与其成正比的数字样电压转换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量，还必须对样值电压进行量化量化和和编码编码。通常用数字信号最低位。通常用数字信号最低位（LSBLSB）1 1所代表的
23、模拟电压作为所代表的模拟电压作为量化单位量化单位。将取样电压表示为这。将取样电压表示为这个量化单位的整数倍的过程称为个量化单位的整数倍的过程称为量化。将量化的结果用二进制代量化。将量化的结果用二进制代码表示，称为编码。在量化时，码表示，称为编码。在量化时，取样电压一般不能被整除，因而取样电压一般不能被整除，因而量化过程不可避免地会引入误差，量化过程不可避免地会引入误差，这个误差称为量化误差。这个误差称为量化误差。A/DA/D转换转换器的位数越多，量化单位越小，器的位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小。量化与编码则量化误差也越小。量化与编码由由A/DA/D转换器完成。转换器完成。7.2.2
24、7.2.2 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理与用天平称一个物转换器的工作原理与用天平称一个物体的重量相似。先放一个最重的砝码与被称物体重量进体的重量相似。先放一个最重的砝码与被称物体重量进行比较，如砝码比物体轻，则保留该砝码；如砝码比物行比较，如砝码比物体轻，则保留该砝码；如砝码比物体重，则去掉，换上一个次重量的砝码，再与被称物体体重，则去掉，换上一个次重量的砝码，再与被称物体的重量进行比较，保留或去掉。依此类推，直调整到最的重量进行比较，保留或去掉。依此类推，直调整到最轻的砝码为止。所有的砝码重量总和，就是最接近被称轻的砝码为止。所
25、有的砝码重量总和，就是最接近被称物体重量的值。根据这个思路可构成逐次逼近型物体重量的值。根据这个思路可构成逐次逼近型A/DA/D转换转换器。器。图图7-97-9所示为所示为3 3位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器的电路原理转换器的电路原理图。它主要由图。它主要由3 3位位D/AD/A转换器转换器，电压比较器电压比较器，数码寄存数码寄存器器FFFFA A、FFFFB B、FFFFC C，触发器，触发器FFFF1 1FFFF5 5和门电路和门电路G G1 1G G9 9组成组成控制逻辑电路。控制逻辑电路。1.1.电路组成电路组成d0C11DC11DC11DC11DC11D&11FF5FF1
26、FF2FF3FF41R1SC11R1SC11R1SC1&+-D/A转换器Q1Q2Q3Q4Q5G1G2G3G4G5G6G7G8G9FFCFFAFFBQCQAQBd2d1uSCPuouCuI图图7-9 37-9 3位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器转换器 转换开始转换开始前前，先将数码寄存器，先将数码寄存器FFFFA A、FFFFB B、FFFFC C置零，置零，Q QA AQ QB BQ QC C=000=000，同时将，同时将FFFF1 1FFFF5 5组成的环行移位寄存器置成组成的环行移位寄存器置成Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=10000=10000状
27、态。因状态。因Q Q5 5=0=0故无数码输出，即故无数码输出，即d d2 2d d1 1d d0 0=000=000。转换控制信号转换控制信号u uS S为高电平时，转换开始：为高电平时，转换开始：(1)(1)第一个第一个CPCP到来时到来时，由于初态，由于初态Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=10000=10000，使使FFFFA A置置1 1，FFFFB B、FFFFC C保持保持 0 0 状态不变，数码寄存器状态不变，数码寄存器Q QA AQ QB BQ QC C=100=100状态，经状态，经D/AD/A转换器后输出的电压转换器后输出的电压u u送到电压送
28、到电压比较器与输入的被测电压比较器与输入的被测电压u uI I进行比较。环行移位寄存器进行比较。环行移位寄存器中的数码向右移一位，其状态为中的数码向右移一位，其状态为Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=01000=01000。由于。由于Q Q5 5=0=0，因此，无数码输出，因此，无数码输出，d d2 2d d1 1d d0 0=000=000。2.2.工作原理工作原理 (2)(2)第二个第二个CPCP到来时到来时，由于初态，由于初态Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=01000=01000，使使FFFFB B置置1 1，FFFFC C保持保
29、持0 0状态不变。而状态不变。而FFFFA A状态与状态与u uC C有关，如有关，如原来的原来的u uC C=0=0，则，则FFFFA A保留保留1 1状态；反之如原来的状态；反之如原来的u uC C=1=1，则，则FFFFA A被置被置0 0。比较器的输出。比较器的输出u uC C根据此时的比较结果决定。根据此时的比较结果决定。同时，环行移位寄存器中的数码向右移一位，同时，环行移位寄存器中的数码向右移一位，Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=00100=00100。因。因Q Q5 5=0=0，亦无数码输出，亦无数码输出，d d2 2d d1 1d d0 0=000
30、=000。(3)(3)第三个第三个CPCP到来时到来时，由于初态，由于初态Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=00100=00100，使使FFFFC C置置1 1。而。而FFFFB B状态与状态与u uC C有关，如原来的有关，如原来的u uC C=0=0，则，则FFFFB B保保留留1 1状态；反之如原来的状态；反之如原来的u uC C=1=1，则，则FFFFB B被置被置0 0。比较器的。比较器的输出输出u uC C根据此时的比较结果决定。同时，环行移位寄存根据此时的比较结果决定。同时，环行移位寄存器状态为器状态为Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q
31、 Q5 5=00010=00010。这时。这时Q Q5 5=0=0，仍无数码输出，仍无数码输出，d d2 2d d1 1d d0 0=000=000。(4)(4)第四个第四个CPCP到来时到来时，根据，根据u uC C的状态确定的状态确定FFFFC C的的1 1状态状态是否保留。这时，是否保留。这时，FFFFA A、FFFFB B、FFFFC C的状态就是所要求转换的状态就是所要求转换的结果。同时，环行移位寄存器状态为的结果。同时，环行移位寄存器状态为Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=00001=00001状态。由于状态。由于Q Q5 5=1=1，因此，因此，FFF
32、FA A、FFFFB B、FFFFC C的状态通过的状态通过G G7 7、G G8 8、G G9 9输出，即输出，即d d2 2d d1 1d d0 0=Q QA AQ QB BQ QC C。(5)(5)第五个第五个CPCP到达后到达后，环行移位寄存器中的数码又，环行移位寄存器中的数码又移一位，使移一位，使电路返回到初始状态电路返回到初始状态Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5=10000=10000。由于。由于Q Q5 5=0=0，G G7 7、G G8 8、G G9 9重新被封锁，输出的数码信号消失，重新被封锁，输出的数码信号消失，d d2 2d d1 1d d0
33、0=000=000。可见，可见，3 3位逐次渐进型位逐次渐进型A/DA/D转换器完成一次转换需要转换器完成一次转换需要5 5个个CPCP信号周期的时间。如果是信号周期的时间。如果是n n位，则需要位，则需要n+2n+2个个CPCP信号信号周期的时间。周期的时间。7.2.3 7.2.3 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器1.1.电路组成电路组成 图图7-107-10所示为双积分型所示为双积分型A/DA/D转换转换器的原理图，器的原理图，它由它由积分器积分器、过零比较器过零比较器、计数器计数器、定时触发器定时触发器、基准电压基准电压UREF、控制电路控制电路等部分组成。等部分组成。双积分型双
34、积分型A/DA/D转换器转换器在一次转换过程中要进行两在一次转换过程中要进行两次积分次积分：第一次，积分器对模拟电压进行定时积分；第一次，积分器对模拟电压进行定时积分；第二次，对基准电压进行定值积分。第二次，对基准电压进行定值积分。故称双积分型故称双积分型A/DA/D转换器。转换器。2.2.工作原理工作原理+-+-&CPRDC11J1KQRD过零比较器积分器G2S2S1uouI-UREFuCiCCRuS定时触发器时钟控制门FFG1d1d0dn-1RRCPn位二进制计数器&uI图图7-10 7-10 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器(1)(1)转换开始前转换开始前，转换控制信号，转换控制
35、信号u uS S=0=0，计数器和定，计数器和定时触发器均被置时触发器均被置0 0，驱动电路将开关，驱动电路将开关S S1 1接入采样保持电压接入采样保持电压u uI I。同时，。同时，G G2 2输出输出1 1，驱动电路使开关，驱动电路使开关S S2 2闭合，令电容闭合，令电容C C充充分放电。分放电。(2)(2)第一次积分第一次积分（采样阶段）当转换控制信号（采样阶段）当转换控制信号u uS S由由0 0变为变为1 1，G G2 2输出输出0 0，开关，开关S S2 2断开，开关断开，开关S S1 1接入采样保持接入采样保持电压电压u uI I一侧，积分器开始对一侧，积分器开始对u uI
36、I进行定时积分（第一次积进行定时积分（第一次积分）。积分结束时，积分器的输出电压分）。积分结束时，积分器的输出电压u uo1o1(t t)为为 10IIo111)(TRCudtRuCtuT可见，可见，u uo1o1(t t)以以u uI I/RCRC的斜率随时间下降的斜率随时间下降。见图。见图7-117-11所示。所示。00000uoQnuCCPuIttttt2nTCT1T2uo1t1t2uIUREFNTC图图7-11 7-11 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器工作波形工作波形 由于积分器输出电压是自由于积分器输出电压是自零开始向负方向变化，过零比零开始向负方向变化，过零比较器输出较器
37、输出u uC C=1=1。这期间，时钟。这期间，时钟控制门控制门G G1 1一直打开，计数器对一直打开，计数器对脉冲周期为脉冲周期为T TC C的时钟脉冲的时钟脉冲CPCP从从零开始计数。直到计数器计满零开始计数。直到计数器计满2 2n n个个CPCP脉冲后，计数的各触发脉冲后，计数的各触发器自动返回器自动返回0 0状态，同时给定状态，同时给定时触发器时触发器FFFF送出一个进位信号，送出一个进位信号，令令Q Q=1=1，使开关，使开关S S1 1接到接到-U UREFREF一一侧，第一次积分结束。侧，第一次积分结束。这段时间就是第一次积分时间这段时间就是第一次积分时间1 1，显然，显然n n
38、。所以所以 可见，可见，输出电压与输入输出电压与输入u uI I成正比成正比。I111)(uRCTtuOIC2uRCTn(3)(3)第二次积分第二次积分（比较阶段）第一次积分结束，（比较阶段）第一次积分结束，S S1 1接基准电压接基准电压-U UREFREF，电容，电容C C开始放电，积分器对开始放电，积分器对-U UREFREF进进行反向积分（第二次积分），计数器从行反向积分（第二次积分），计数器从0 0开始第二次计开始第二次计数，直到积分器输出电压上升到数，直到积分器输出电压上升到u uo o(t)(t)时，由于过零比时，由于过零比较器输出较器输出u uC C=0 0，G G1 1封锁，
39、计数器停止计数。此时，比较封锁，计数器停止计数。此时，比较阶段结束，计数器中所存的数码即为所要转换的数字阶段结束，计数器中所存的数码即为所要转换的数字输出量。输出量。第二次积分的时间第二次积分的时间T T2 2=t t2 2-t t1 1。这时，输出电压为。这时，输出电压为 0)(1)()(21REF1122dtURCtututtoo2REFREFC2TRCUuUTInIREFC22uUTTn 可见，可见，第二次积分时间与输入信号第二次积分时间与输入信号u uI I是成正比的是成正比的。所以所以 如在如在时间内，计数器对固定频率时间内，计数器对固定频率f fC C=1/=1/T TC C的的C
40、PCP信信号计数，且计数结果为号计数，且计数结果为D D，则，则C2DTT IREF2uUDn所以所以 由上式可知：由上式可知：计数器统计的计数结果与输入电压计数器统计的计数结果与输入电压u uI I是成正比，从而实现了模拟量到数字量的转换是成正比，从而实现了模拟量到数字量的转换。计。计数器的数器的位数位数就是就是A/DA/D转换器输出数字量的转换器输出数字量的位数位数。双积分双积分A/DA/D转换器的转换器的主要优点主要优点是工作稳定，抗干扰是工作稳定，抗干扰能力强，转换精度高；它的主要缺点是工作速度低。能力强，转换精度高；它的主要缺点是工作速度低。由于双积分型由于双积分型A/DA/D转换器
41、的优点突出，所以，在工作速转换器的优点突出，所以，在工作速度要求不高时，应用十分广泛。度要求不高时，应用十分广泛。7.2.4 A/D转换器的主要参数转换器的主要参数1.1.转换精度转换精度 转换精度包括分辨率和转换误差。转换精度包括分辨率和转换误差。(1)(1)分辨率分辨率 分辨率有时也称分解度，它为分辨率有时也称分解度，它为A/DA/D转换器输出最低位（转换器输出最低位（LSBLSB）变化一个数码对应输入模）变化一个数码对应输入模拟量的变化量。拟量的变化量。A/DA/D转换器的位数越多，分辨率也越转换器的位数越多，分辨率也越高。高。(2)(2)转换误差转换误差 转换误差是指转换误差是指A/D
42、A/D转换器实际输转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差值，通常以相出的数字量与理论输出数字量之间的差值，通常以相对误差的形式出现。例如，给出相对误差对误差的形式出现。例如，给出相对误差(1/2)LSB(1/2)LSB，则说明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字则说明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差不大于最低位量之间的误差不大于最低位1 1的一半。的一半。2.2.转换速度转换速度 转换速度是指转换速度是指A/DA/D转换器转换器完成一次完成一次转换所需的时间转换所需的时间。所谓转换时间，是指从接到转换控。所谓转换时间，是指从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的
43、数字量输出为止所需制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出为止所需时间。转换时间短，转换速度就高。不同的转换电路，时间。转换时间短，转换速度就高。不同的转换电路，其转换速度的差别是很大的。逐次渐进型其转换速度的差别是很大的。逐次渐进型A/DA/D转换器转换器比双积分型比双积分型A/DA/D转换器转换速度高。转换器转换速度高。7.2.5 7.2.5 集成集成A/DA/D转换器转换器ADC0801ADC0801及其应及其应用用 集成集成A/DA/D转换器品种很多，其中逐次渐进型转换器品种很多，其中逐次渐进型ADCADC较常见。较常见。集成集成ADC0801ADC0801是中速、廉价的单通道八位全是中
44、速、廉价的单通道八位全MOS A/DMOS A/D转换器，转换器，内部含时钟电路，只要外接一个电阻和一个电容就可由自内部含时钟电路，只要外接一个电阻和一个电容就可由自身提供时钟信号，允许模拟信号是差动的或不供地的电压身提供时钟信号，允许模拟信号是差动的或不供地的电压信号。信号。如图如图7-13,7-13,在在CLKRCLKR和和CLKICLKI间接入电容和电阻，间接入电容和电阻，V VIN+IN+端引入模拟电压信号，则在端引入模拟电压信号，则在D D0 0D D7 7端可得到数码输出。端可得到数码输出。1 1功能功能 ADC08010 ADC08010各引脚功能各引脚功能见图见图7-127-1
45、2所所示。示。2 2应用应用图图7-12 ADC0801引脚图引脚图 图图7-13 ADC0801应用电路应用电路 实验、实训建议实验、实训建议D/AD/A、A/DA/D转换器的应用训练转换器的应用训练目的目的：加强对的理解，学会集成的简单应用加强对的理解，学会集成的简单应用内容内容：（1 1）用）用D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520实现数字量到模拟量的实现数字量到模拟量的转换（参考转换（参考7-57-5的电路）。的电路）。（2 2）用）用A/DA/D转换器转换器ADC0801ADC0801实现模拟量到数字量实现模拟量到数字量的转换（参考的转换（参考7-137-13的电路）。的电
46、路）。本章总结本章总结A/DA/D和和D/AD/A转换器是数字系统和模拟系统的转换器是数字系统和模拟系统的接口电路接口电路，它的两个重要指标是转换精度和转换速度。它的两个重要指标是转换精度和转换速度。D/AD/A转换器转换器是将输入的数字量转换成与之成正比的模是将输入的数字量转换成与之成正比的模拟电压信号。其种类较多，其中，倒拟电压信号。其种类较多，其中，倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转转换器只须换器只须R R、2R2R两种电阻，转换速度快，有利于集成化。两种电阻，转换速度快，有利于集成化。A/DA/D转换器转换器是将输入的模拟电压信号转换成与之成正是将输入的模拟电压信号转换成与之成
47、正比的数字量输出。比的数字量输出。A/DA/D转换须取样、保持、量化和编码四转换须取样、保持、量化和编码四个步骤来完成，前两步在取样个步骤来完成，前两步在取样-保持电路里完成，后两步保持电路里完成，后两步在在A/DA/D转换器中完成。对模拟信号取样时须满足取样定理。转换器中完成。对模拟信号取样时须满足取样定理。题题7-17-1 D/A D/A转换器的作用是什么？转换器的作用是什么？D/AD/A转换器的位数与分辨率有什么关转换器的位数与分辨率有什么关系？系？题题7-27-2 在图在图7-27-2权电阻型权电阻型D/AD/A转换器中，转换器中，U UREFREF=+10V=+10V，R=2KR=2
48、K，R RF F=1K=1K。输入输入8 8位二进制数位二进制数D=D=1010011110100111，试求出输出模拟电压。，试求出输出模拟电压。题题7-37-3 八位倒八位倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器中，转换器中，U UREFREF=+10V=+10V，（参考图，（参考图7-37-3）。）。试求，输入试求，输入8 8位如下二进制数时的输出电压值。（位如下二进制数时的输出电压值。（1 1）各位全为）各位全为1 1；（；（2 2）只有）只有最低位为最低位为1 1；（；（3 3）只有最高位为）只有最高位为1 1。题题7-47-4 A/D A/D转换器的作用是什么？实现转换器的作
49、用是什么？实现A/DA/D转换要经过哪几个步骤？转换要经过哪几个步骤？题题7-57-5 A/D A/D转换器中，输入模拟信号有转换器中，输入模拟信号有200H200HZ Z、600H600HZ Z、3KH3KHZ Z、5KH5KHZ Z等频等频率的信号。试问取样信号的频率怎么取？率的信号。试问取样信号的频率怎么取？题题7-67-6 一个一个8 8位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器完成一次转换需要多少个转换器完成一次转换需要多少个CPCP脉冲？脉冲？题题7-77-7 双积分型双积分型A/DA/D转换器中，如果计数器为转换器中，如果计数器为8 8位二进制，位二进制，CPCP信号频率信号频率为为1MH1MHZ Z，试计算转换器的最大转换时间是多少？，试计算转换器的最大转换时间是多少？题题7-87-8 在双积分型在双积分型A/DA/D转换器中，输入电压的绝对值可否大于参考电压转换器中，输入电压的绝对值可否大于参考电压的绝对值？的绝对值？思考题与习题思考题与习题部分习题答案部分习题答案题题7-2。题题7-3 （1）-19.92V（2）-0.078V（3）-10V。题题7-5。题题7-6 需要需要10个个CP脉冲。脉冲。题题7-7 最大转换时间为最大转换时间为。VuO52.6ZISKHff102(max)ssTCn5121022269
