1、第第1313章章 模/数和数/模转换器本章主要内容本章主要内容 (1)D/A和和A/D转换的基本知识转换的基本知识 (2)D/A 转换器的工作原理及主要技术指标转换器的工作原理及主要技术指标 (3)A/D 转换器的工作原理及主要技术指标转换器的工作原理及主要技术指标13.1 概述概述n计算机能够处理的是数字量信息。然而在现实世界中有很计算机能够处理的是数字量信息。然而在现实世界中有很多信息并不都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、多信息并不都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、压力、温度、位移和速度等，它们都是连续变化的物理量。压力、温度、位移和速度等，它们都是连续变化的物理量。这些连
2、续变化的物理量称为这些连续变化的物理量称为模拟量。模拟量。n计算机是处理计算机是处理数字量信息数字量信息的设备，要处理这些模拟量信息的设备，要处理这些模拟量信息就必须有一个模拟接口，通过这个模拟接口，将模拟量信就必须有一个模拟接口，通过这个模拟接口，将模拟量信息转换成数字量信息，以供计算机运算和处理；息转换成数字量信息，以供计算机运算和处理；n然后，再把计算机处理过的数字量信息转换为然后，再把计算机处理过的数字量信息转换为模拟量信息，模拟量信息，以实现对被控制量的控制。以实现对被控制量的控制。n将数字量转换成相应模拟量的过程称为数字将数字量转换成相应模拟量的过程称为数字/模拟转换，模拟转换，简
3、称数简称数/模转换，或模转换，或D/A转换转换，完成这种转换的装置叫做，完成这种转换的装置叫做D/A转换器（简称转换器（简称DAC）；n将模拟量转换成相应数字量的过程称为模拟将模拟量转换成相应数字量的过程称为模拟/数字转换，数字转换，简称模简称模/数转换，或数转换，或A/D转换转换,完成这种转换的装置叫做完成这种转换的装置叫做A/D转换器（简称转换器（简称ADC）。nA/D转换和转换和D/A转换在控制系统和测量系统中有非常广泛转换在控制系统和测量系统中有非常广泛的用途，的用途，如图如图13.1是一个计算机自动控制系统的方块图。是一个计算机自动控制系统的方块图。图图13.1 计算机自动控制系统计
4、算机自动控制系统n在生产或实验的现场，有多种物理量，如生产过程中的各在生产或实验的现场，有多种物理量，如生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等，它们先通过种参数，如温度、压力、流量等，它们先通过传感器传感器转换转换成电信号，然后经过成电信号，然后经过滤波放大滤波放大后送到后送到模模/数转换器数转换器去，在去，在那里模拟量被转换成数字量，再送给微型那里模拟量被转换成数字量，再送给微型计算机计算机。n微型计算机对这些数字量进行处理加工后，再由微型计算机对这些数字量进行处理加工后，再由数数/模转模转换器换器转换成模拟信号，在对这些模拟信号进行一定的调理转换成模拟信号，在对这些模拟信号进行一定的调
5、理后，由后，由执行部件执行部件产生相关的控制信号去控制生产过程或实产生相关的控制信号去控制生产过程或实验装置中的各种参数，这就形成了一个计算机闭环自动控验装置中的各种参数，这就形成了一个计算机闭环自动控制系统。制系统。14.2 D/A转换器转换器14.2.1 D/A转换器的工作原理转换器的工作原理nD/A转换器转换器(DAC)一般由基准电压源、电阻解码网络、运一般由基准电压源、电阻解码网络、运算放大器和数据缓冲寄存器等部件组成。各种算放大器和数据缓冲寄存器等部件组成。各种DAC都可用都可用图图13.2所示所示的结构框图来概括，其中的结构框图来概括，其中电阻解码网络电阻解码网络是其核是其核心部件
6、，是任何一种心部件，是任何一种DAC都必须具备的组成部分。都必须具备的组成部分。图图13.2 DAC 结构框图结构框图1.权电阻权电阻D/A转换器转换器（1）电路的构成及各部分的作用）电路的构成及各部分的作用n权电阻权电阻D/A转换器的电路原理图转换器的电路原理图如图如图13.3 所示，所示，它由双向它由双向电子开关、基准电压源、权电阻网络和运算放大器等部分电子开关、基准电压源、权电阻网络和运算放大器等部分组成。组成。双向电子开关双向电子开关Sn-1,Sn-2,S1 S0双向电子开关通常由场效应管构成，每位开关分别受对应双向电子开关通常由场效应管构成，每位开关分别受对应的输入二进制数码的输入二
7、进制数码bn-1,bn-2,b1 b0的控制。每一位二进制的控制。每一位二进制数码数码bi(0或或1)控制一个相应的开关控制一个相应的开关Si(i=0,1,n-1)。当当bi=1时，开关上合时，开关上合，对应的权电阻与基准电压源，对应的权电阻与基准电压源UR相接；相接；当当bi=0时，开关下合时，开关下合，对应的权电阻接，对应的权电阻接“地地”。数字量数字量bn-1,bn-2,b1b0 来自一个数据缓冲寄存器。来自一个数据缓冲寄存器。图图13.3 权电阻网络权电阻网络D/A转换器电路原理图转换器电路原理图 基准电压源基准电压源URnUR是一个稳定性很高的恒压源。是一个稳定性很高的恒压源。权电阻
8、网络权电阻网络R,2R,22R,23R,n流过权电阻网络中每个电阻的电流与对应位的流过权电阻网络中每个电阻的电流与对应位的“权权”成正成正比，这些分电流在权电阻网络的输出端比，这些分电流在权电阻网络的输出端处汇总加至运算处汇总加至运算放大器的反相端，总电流放大器的反相端，总电流I与输入数字量成正比。与输入数字量成正比。n 对应的位越高，相应的电阻值越小（对应的位越高，相应的电阻值越小（bn1为最高位，电阻为最高位，电阻值值20R最小）。由于电阻值和每一位的最小）。由于电阻值和每一位的“权权”相对应，所相对应，所以称为权电阻网络。以称为权电阻网络。运算放大器运算放大器n运算放大器和权电阻网络构成
9、反相加法运算电路。输出电运算放大器和权电阻网络构成反相加法运算电路。输出电压压UO与与I成正比，亦即与输入数字量成正比。成正比，亦即与输入数字量成正比。n运算放大器还能起缓冲作用，使运算放大器还能起缓冲作用，使UO输出端负载变化时不输出端负载变化时不影响影响I。n调节反馈电阻调节反馈电阻Rf 的大小，可以很方便地调节转换系数，使的大小，可以很方便地调节转换系数，使UO的数值符合实际需要。的数值符合实际需要。（2）定量分析）定量分析 (详见教材详见教材P334)例例13.1 设设UR=10V，试分别求出与二进制数码，试分别求出与二进制数码0001、0010、0100相对应的模拟输出量相对应的模拟
10、输出量UO。解解 （1）与）与0001相对应的模拟输出量为相对应的模拟输出量为 UO=10（0/210/220/231/24）=0.625V （2）与）与0010相对应的模拟输出量为相对应的模拟输出量为 UO=10（0/210/221/230/24）=1.25V （3）与）与0100相对应的模拟输出量为相对应的模拟输出量为 UO=10（0/211/220/230/24）=2.5V 可见，输出模拟量与输入数字量成正比。可见，输出模拟量与输入数字量成正比。2.倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器n这种电路只用这种电路只用R和和2R 两种电阻来接成倒两种电阻来接成倒T型电阻网络。型电阻网络。
11、4位倒位倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器如图如图13.4所示所示。图图13.4 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器n该电路的特点是：该电路的特点是：当输入数字量的任何一位为当输入数字量的任何一位为1时，对应的开关将时，对应的开关将2R电阻支电阻支路接到运算放大器的反相端；而当该位为路接到运算放大器的反相端；而当该位为0时，对应开关时，对应开关将将2R电阻支路接地。因此，无论输入数字信号每一位是电阻支路接地。因此，无论输入数字信号每一位是“1”还是还是“0”，2R电阻要么接地，要么虚地，其中流过电阻要么接地，要么虚地，其中流过的电流保持恒定，这就从根本上消除了在动态过程中产生
12、的电流保持恒定，这就从根本上消除了在动态过程中产生尖峰脉冲的可能性。尖峰脉冲的可能性。从每一节点向左看的等效电阻都是从每一节点向左看的等效电阻都是R。如从节点。如从节点1向左看向左看的等效电阻的等效电阻R12R/2RR；从节点；从节点2向左看的等效电阻向左看的等效电阻R2（RR）/2RR，。n利用分压原理，求得各节点电压为：利用分压原理，求得各节点电压为：U4UR U31/2 UR U21/4 UR U11/8 UR n各支路电流为：各支路电流为：I3U4/2RUR/2R I2U3/2RUR/4R I1U2/2RUR/8R I0U1/2RUR/16R n 流到流到点的总电流为：点的总电流为：I
13、I3I2I1I0 UR/24R（23b322b221b120b0）n若取若取RfR，则输出电压为：，则输出电压为：UOIRfUR/24（23b322b221b120b0）（UR/24）N 其中其中N23b322b221b120b0为数字量的按权展开式。为数字量的按权展开式。对于对于n位倒位倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，则可写出：转换器，则可写出：UOUR/2n1（2 n1b n12 n2b n221b120b0）n倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器是各种转换器是各种D/A转换器中速度最快的转换器中速度最快的一种，使用最为广泛。一种，使用最为广泛。13.2.2 D/A转换器的主要技术
14、指标转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率n分辨率是指分辨率是指D/A转换器的输出模拟量对输入数字量的敏感转换器的输出模拟量对输入数字量的敏感程度。一般有两种表示法，一种是用输入二进制位数来表程度。一般有两种表示法，一种是用输入二进制位数来表示，如分辨率为示，如分辨率为n位的位的D/A转换器就是输入的二进制代码转换器就是输入的二进制代码为为n位；位；n另一种方法是以最低有效位另一种方法是以最低有效位(LSB)所对应的模拟电压值来所对应的模拟电压值来表示。如果输入为表示。如果输入为n位，则最低有效位所对应的模拟电压位，则最低有效位所对应的模拟电压值是满量程电压的值是满量程电压的1/2n。若。若n=
15、12，则分辨率为，则分辨率为12位，或称位，或称分辨率为满量程电压的分辨率为满量程电压的1/4096，即，即12位位D/A转换器，其输转换器，其输出分辨率为：出分辨率为：1/2121/4096=0.0244%。2.精度精度(1)绝对精度绝对精度：绝对精度是指输入给定数字量时，其理论输：绝对精度是指输入给定数字量时，其理论输出模拟值与实际所测得输出模拟值之差。它是由出模拟值与实际所测得输出模拟值之差。它是由D/A转换转换器的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合因数引器的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合因数引起的。起的。(2)相对精度相对精度：相对精度是指满量程值校准以后，任一数字：相
16、对精度是指满量程值校准以后，任一数字输入的模拟量输出与它的理论值之差相对于满量程的百分输入的模拟量输出与它的理论值之差相对于满量程的百分数情况，有时也以最低有效位（数情况，有时也以最低有效位（LSB）的分数形式给出。）的分数形式给出。n注意，注意，精度和分辨率是两个截然不同的参数。精度和分辨率是两个截然不同的参数。分辨率是指分辨率是指其输出模拟量对输入数字量的敏感程度，它取决于转换器其输出模拟量对输入数字量的敏感程度，它取决于转换器的位数；而精度是表明的位数；而精度是表明D/A转换器工作的准确程度，它取转换器工作的准确程度，它取决于构成转换器的各个部件的精度和稳定性。决于构成转换器的各个部件的
17、精度和稳定性。3.建立时间建立时间nDAC的建立时间是指从输入数字信号起到输出电压（或电的建立时间是指从输入数字信号起到输出电压（或电流）达到稳定输出值所需要的时间。当输出形式是电流时，流）达到稳定输出值所需要的时间。当输出形式是电流时，这个时间很短；这个时间很短；n当输出形式是电压时，则建立时间取决于运算放大器所需当输出形式是电压时，则建立时间取决于运算放大器所需要的时间。建立时间一般为几十纳秒至几微秒。要的时间。建立时间一般为几十纳秒至几微秒。n除以上几个主要技术指标外，还有温度系数、功率消耗、除以上几个主要技术指标外，还有温度系数、功率消耗、零点误差、标度误差等，使用时可查阅有关资料。零
18、点误差、标度误差等，使用时可查阅有关资料。13.2.3 D/A转换器芯片转换器芯片1.D/A转换器芯片的基本组成转换器芯片的基本组成nD/A转换器芯片是由集成在单一芯片上的解码网络及其他转换器芯片是由集成在单一芯片上的解码网络及其他一些附加电路组成的，一些附加电路组成的，图图13.5给出了其简化功能结构图。给出了其简化功能结构图。图图13.5 D/A芯片的简化功能结构图芯片的简化功能结构图n图中数字缓冲寄存器接收图中数字缓冲寄存器接收CPU送来的数字量，由它们产生送来的数字量，由它们产生一组一组D/A转换电路内部的开关控制电平。转换电路内部的开关控制电平。nD/A转换电路是由电阻网络和由二进制
19、码控制的双向开关转换电路是由电阻网络和由二进制码控制的双向开关组成的，数字量在这里进行组成的，数字量在这里进行D/A转换。转换。n对于输出电路，有些对于输出电路，有些D/A转换芯片是转换芯片是电流输出电流输出，有些是把，有些是把电流经运算放大器电流经运算放大器OA转变成转变成电压输出电压输出。n精密基准电压部分产生精密基准电压部分产生D/A转换电路所需要的基准电压，转换电路所需要的基准电压，可以由外部提供，也有的做在芯片内部。可以由外部提供，也有的做在芯片内部。2.DAC 0832(1)芯片简介芯片简介nDAC 0832是一种常用的是一种常用的8位位D/A转换芯片，转换芯片，图图13.6是其内
20、是其内部结构及引脚图，它采用了二次缓冲输入数据方式（输入部结构及引脚图，它采用了二次缓冲输入数据方式（输入寄存器及寄存器及DAC寄存器）。这样可以在输出的同时，采集下寄存器）。这样可以在输出的同时，采集下一个数字量，以提高转换速度。一个数字量，以提高转换速度。n 能够用于需要同时输出多个参数的模拟量系统中。此时能够用于需要同时输出多个参数的模拟量系统中。此时对应于每一种参数需要一片对应于每一种参数需要一片DAC 0832，因而可构成多片，因而可构成多片DAC 0832同时输出模拟量的系统。同时输出模拟量的系统。图图13.6 DAC 0832内部逻辑结构和引脚图内部逻辑结构和引脚图nDAC 08
21、32的主要特性如下：的主要特性如下：n 分辨率：分辨率：8位位n 建立时间：建立时间：1sn 增益温度系数：增益温度系数：20 ppm/n 输入：输入：TTL电平电平n 功耗：功耗：20mW(2)引脚功能引脚功能 (详见教材详见教材P338)(3)DAC 0832的工作原理的工作原理n图图13.6中有两个独立的数据寄存器，即中有两个独立的数据寄存器，即“8位输入寄存器位输入寄存器”和和“8位位DAC寄存器寄存器”。n位输入寄存器直接与数据总线连接，当位输入寄存器直接与数据总线连接，当ILE、CS*和和WR1*有效时，有效时，8位输入寄存器的位输入寄存器的LE1*为高电平，此时该为高电平，此时该
22、寄存器的输出状态随输入状态变化；寄存器的输出状态随输入状态变化；n当当LE1*=0时，数据锁存在寄存器中，但此时还没有转换。时，数据锁存在寄存器中，但此时还没有转换。当当XFER*和和WR2*有效时，有效时，8位位DAC寄存器的寄存器的LE2*为高电为高电平，输入寄存器中的数据送到平，输入寄存器中的数据送到DAC寄存器并输出；寄存器并输出；n当当LE2*=0时，则将这个数据锁存在时，则将这个数据锁存在DAC寄存器中，并开寄存器中，并开始转换。始转换。(4)DAC 0832的模拟输出的模拟输出nDAC 0832的输出是电流型的，如果需要电压输出，只要的输出是电流型的，如果需要电压输出，只要使用运
23、算放大器即可实现，使用运算放大器即可实现，如图如图13.7所示所示。n其中其中VREF是稳定的直流电压，也可以是从是稳定的直流电压，也可以是从10V到到10V之间的可变电压。当为可变电压时，即可实现四象限乘。之间的可变电压。当为可变电压时，即可实现四象限乘。VOUT的极性与的极性与VREF相反，其数值由数字输入和相反，其数值由数字输入和VREF决定。决定。n 由于芯片内部有反馈电阻由于芯片内部有反馈电阻Rf，所以运算放大器外部不必，所以运算放大器外部不必再接另外的反馈电阻。再接另外的反馈电阻。图图13.7 DAC 0832的电压输出电路的电压输出电路13.2.4 D/A转换器与微处理器的接口转
24、换器与微处理器的接口nD/A转换器与微处理器接口时要考虑如下问题转换器与微处理器接口时要考虑如下问题:(1)数据锁存问题数据锁存问题nD/A转换器与微处理器的接口相对比较简单，它不需要应转换器与微处理器的接口相对比较简单，它不需要应答，微处理器可直接把数据输出给答，微处理器可直接把数据输出给D/A转换器。转换器。n若若D/A转换器芯片内有数据锁存器，则微处理器就把转换器芯片内有数据锁存器，则微处理器就把D/A转换器芯片当作一个并行输出端口；若转换器芯片当作一个并行输出端口；若D/A转换器内没有转换器内没有数据锁存器，则微处理器把数据锁存器，则微处理器把D/A转换器芯片当作一个并行转换器芯片当作
25、一个并行输出的外设，在两者之间还需增加并行输出的接口，该接输出的外设，在两者之间还需增加并行输出的接口，该接口实际上就是一个数据锁存器。口实际上就是一个数据锁存器。(2)其他问题其他问题nD/A转换器还需要考虑地址译码和信号组合等问题，个别转换器还需要考虑地址译码和信号组合等问题，个别的的D/A转换器还要考虑电平匹配问题。转换器还要考虑电平匹配问题。13.3 A/D转换器转换器13.3.1 基本概念基本概念nA/D转换器是把模拟量转换成二进制数字量的电路，这种转换器是把模拟量转换成二进制数字量的电路，这种转换过程通常分四步进行，即转换过程通常分四步进行，即采样、保持、量化和编码采样、保持、量化
26、和编码。前两步通常在采样保持电路中完成，后两步通常在前两步通常在采样保持电路中完成，后两步通常在A/D转转换电路中完成。换电路中完成。1.采样采样n所谓采样所谓采样(Sampling)是每隔一定的时间间隔，把模拟信是每隔一定的时间间隔，把模拟信号的值取出来作为样本，并让其代表原信号。或者说，采号的值取出来作为样本，并让其代表原信号。或者说，采样就是把一个时间上连续变化的模拟量转换为一系列脉冲样就是把一个时间上连续变化的模拟量转换为一系列脉冲信号，每个脉冲的幅度取决于输入模拟量，如图信号，每个脉冲的幅度取决于输入模拟量，如图13.8所示。所示。图图13.8 采样器的输入输出波形采样器的输入输出波
27、形n图图13.8（a）中采样器相当于一个受控的理想开关，）中采样器相当于一个受控的理想开关，S(t)是是采样脉冲，如图采样脉冲，如图13.8(b)所示。当所示。当S（t）=1时，开关合上，时，开关合上，fS（t）=f（t）；S（t）=0时，开关断开，时，开关断开，fS（t）=0，即，即 fS(t)=f(t)S(t)，S(t)=1 0 n采样定理：采样定理：当采样器的采样频率当采样器的采样频率fs大于或等于输入信号最大于或等于输入信号最高频率高频率fmax的两倍时，采样后的离散序列就能无失真地恢的两倍时，采样后的离散序列就能无失真地恢复出原始连续模拟信号。即采样频率复出原始连续模拟信号。即采样频
28、率fs和输入信号最高频和输入信号最高频率率fmax 须满足如下关系：须满足如下关系：fs 2 fmax 实际工程上常采用实际工程上常采用:fs=(35)fmax。2.保持保持n所谓所谓保持保持就是把采样结束前瞬间的输入信号保持下来，使就是把采样结束前瞬间的输入信号保持下来，使输出和保持的信号一致。由于输出和保持的信号一致。由于A/D转换需要一定时间，在转换需要一定时间，在转换期间，要求模拟信号保持稳定，所以当输入信号变化转换期间，要求模拟信号保持稳定，所以当输入信号变化速率较快时，应采用采样速率较快时，应采用采样保持电路。保持电路。n最基本的采样最基本的采样-保持电路保持电路如图如图13.9所
29、示所示。13.9 采样采样保持器原理图保持器原理图n它由它由MOS管管采样开关采样开关K、保持电容保持电容C和和运算放大器运算放大器OA三三部分组成。部分组成。nS（t）=1时，时，MOS管管K导通，导通，VIN向电容向电容C充电，充电，C上的电上的电压压VC和和VOUT跟踪跟踪VIN变化，即对变化，即对VIN采样。采样。nS（t）=0时，时，K截止，截止，VOUT将保持前一瞬间采样的数值不将保持前一瞬间采样的数值不变。只要变。只要C的漏电电阻、运放的输入电阻和的漏电电阻、运放的输入电阻和MOS管管K的截的截止电阻足够大，则止电阻足够大，则C的放电电流可以忽略，的放电电流可以忽略，VOUT就能
30、保持就能保持到下次采样脉冲到来之前而基本不变。到下次采样脉冲到来之前而基本不变。3.量化量化n量化就是量化就是决定样本属于哪个量化级，并将样本幅度按量化决定样本属于哪个量化级，并将样本幅度按量化级取整，级取整，经量化后的样本幅度为离散的整数值，而不是连经量化后的样本幅度为离散的整数值，而不是连续值了。量化之前要规定将信号分为若干个量化级，例如续值了。量化之前要规定将信号分为若干个量化级，例如可分为可分为8级、级、16级等。规定好每一级对应的幅值范围，然级等。规定好每一级对应的幅值范围，然后将采样所得样本的幅值与上述量化级幅值范围相比较，后将采样所得样本的幅值与上述量化级幅值范围相比较，并且取整
31、定级。并且取整定级。n图图13.10就是量化的示意图。就是量化的示意图。3位位A/D转换器把模拟范围分转换器把模拟范围分割成割成8（23=8）个离散区间，可把）个离散区间，可把0V7V的采样信号量化的采样信号量化为数字量，如输入为数字量，如输入5V被量化为数字代码被量化为数字代码101。n从图中可以看出，量化过程会产生从图中可以看出，量化过程会产生1/2 LSB(即即0.5V)的误的误差，要减少这种量化误差，可采取位数更多的差，要减少这种量化误差，可采取位数更多的A/D转换器。转换器。图图13.10 量化示意图量化示意图4.4.编码编码编码编码就是用相应位数的二进制码表示已经量化的采样样本就是
32、用相应位数的二进制码表示已经量化的采样样本的量级，如果有的量级，如果有N N个量化级，二进制位的位数应为个量化级，二进制位的位数应为2 2 N N。如量化级有如量化级有8 8个，就需要个，就需要3 3位编码。位编码。例如在语音数字化系统中，常分为例如在语音数字化系统中，常分为128128个量级，故需用个量级，故需用7 7位位编码。编码。13.3.2 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理nA/D 转换器的种类很多，常见的有转换器的种类很多，常见的有并行比较式并行比较式、双积分式双积分式和和逐次逼近式逐次逼近式等。并行比较式等。并行比较式A/D 转换器具有较高的转换转换器具有较高的转换速度，双积
33、分式速度，双积分式A/D 转换器的精度较高，而逐次逼近式转换器的精度较高，而逐次逼近式A/D 转换器在一定程度上兼顾了以上两种转换器的特点。转换器在一定程度上兼顾了以上两种转换器的特点。n逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的工作特点为：转换器的工作特点为：二分搜索，反馈比二分搜索，反馈比较，逐次逼近较，逐次逼近。其工作过程与天平称重物重量的过程十分。其工作过程与天平称重物重量的过程十分相似。例如被称重物重量为相似。例如被称重物重量为195g，把标准砝码设置为与，把标准砝码设置为与8位二进制数码相对应的权码值。砝码重量依次为位二进制数码相对应的权码值。砝码重量依次为128g、64g、32g、16g
34、、8g、4g、2g、1g，相当于数码最高位，相当于数码最高位（D7）的权值为）的权值为27128，次高位，次高位(D6)为为2664，最，最低位（低位（D0）为）为201。n称重过程如下：称重过程如下：先在砝码盘上加先在砝码盘上加128g砝码，经天平比较结果，重物砝码，经天平比较结果，重物195g 128g，此砝码保留，即相当于最高位数码，此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为记为1。再加再加64g砝码，经天平比较，重物砝码，经天平比较，重物195g（12864）g，则继续留下则继续留下64g砝码，即相当于数码砝码，即相当于数码D6记为记为1。n接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比较，凡
35、砝接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比较，凡砝码总重量小于物体重量的砝码保留，否则拿下所添加的砝码总重量小于物体重量的砝码保留，否则拿下所添加的砝码。码。n这样可得保留的砝码为这样可得保留的砝码为128g64g2g1g195g，与重，与重物重量相等，相当于转换的数码为物重量相等，相当于转换的数码为D7D011000011。n逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器工作原理框图转换器工作原理框图如图如图13.11所示所示，它由，它由电压比较器电压比较器C、D/A转换器、逐次逼近寄存器（转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、）、控制逻辑和输出缓冲器等部分组成。控制逻辑和输出缓冲器等部分组成。图图13.1
36、1 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器工作原理框图转换器工作原理框图n其工作原理如下：其工作原理如下：n一个待转换的模拟输入信号一个待转换的模拟输入信号VIN与一个与一个“推测推测”信号信号VO相相比较，根据比较，根据VO大于还是小于大于还是小于VIN来决定减小还是增大该推来决定减小还是增大该推测信号测信号VO，以便向模拟输入信号逐渐逼近。，以便向模拟输入信号逐渐逼近。n 推测信号推测信号VO由由D/A输出得到，当推测信号输出得到，当推测信号VO与与VIN相等时，相等时，则则D/A转换器输入的数字即为转换器输入的数字即为VIN对应的数字量。对应的数字量。n“推测推测”的算法如下：的算法如下：使逐
37、次逼近寄存器使逐次逼近寄存器SAR中的二进制中的二进制数从最高位开始依次置数从最高位开始依次置1，每一位置，每一位置1后都要进行测试，若后都要进行测试，若VINVO，则比较器输出为，则比较器输出为0，并使该位置，并使该位置0；否则；否则VINVO，比较器输出为，比较器输出为1，则使该位保持，则使该位保持1。无论那种情况，。无论那种情况，均应比较下一位，直到均应比较下一位，直到SAR的最末位为止。的最末位为止。n此时在此时在D/A输入的数字量即为对应输入的数字量即为对应VIN的数字量，本次的数字量，本次A/D转换完成，给出转换结束信号转换完成，给出转换结束信号EOC。n逐次逼近式逐次逼近式A/D
38、转换器的特点是转换时间固定，它取决于转换器的特点是转换时间固定，它取决于A/D转换器的位数和时钟周期，适用于变化过程较快的控转换器的位数和时钟周期，适用于变化过程较快的控制系统，转换精度取决于制系统，转换精度取决于D/A转换器和比较器的精度，可转换器和比较器的精度，可达达0.01%。n转换的结果可以并行输出，也可以串行输出，是目前应用转换的结果可以并行输出，也可以串行输出，是目前应用很广泛的一种很广泛的一种A/D转换器。转换器。13.3.3 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率n对于对于ADC来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码来说，分辨率表示输出数字量变化一个
39、相邻数码所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与2n的比值，其中的比值，其中n为为ADC的位数。例如具有的位数。例如具有12位分辨率的位分辨率的ADC能够分辨出满刻度的能够分辨出满刻度的1/212（0.0244%）。）。n有时分辨率也用有时分辨率也用A/D转换器的位数来表示，如转换器的位数来表示，如ADC 0809的的分辨率为分辨率为8位，位，AD574的分辨率为的分辨率为12位等。位等。2.量化误差量化误差n量化误差是由于量化误差是由于ADC 的有限分辨率引起的误差，这是连的有限分辨率引起的误差，这是连续的模拟信号在整数量化后的固有
40、误差。对于四舍五入的续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的量化法，量化误差在量化法，量化误差在1/2 LSB之间。之间。3.绝对精度绝对精度n绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码，实际需要的绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码，实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。4.相对精度相对精度n它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度模拟电压的百分数。模拟电压的百分数。5.转换时间转换时间n转换时间是转换时间是ADC完成一次转换所需要的时间，即从启动信完成一次转换所需要的时间
41、，即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间，号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间，通常为微秒级。通常为微秒级。6量程量程n量程是指能转换的输入电压范围。量程是指能转换的输入电压范围。13.3.4 A/D转换器芯片转换器芯片1.ADC 0809的结构和指标的结构和指标nADC 0809的结构如图的结构如图13.12（a）所示，它是）所示，它是CMOS集成器集成器件，内部包括一个逐次逼近型的件，内部包括一个逐次逼近型的A/D部分、一个部分、一个8通道的通道的模拟开关和地址锁存及译码逻辑等。模拟开关和地址锁存及译码逻辑等。n它的主要技术指标如下：它的主要技术指标如下
42、：n分辨率：分辨率：8位。位。n 转换时间：转换时间：100s。n 时钟频率：典型值时钟频率：典型值640kHz（10 kHz1280 kHz）。）。n 8路模拟输入通道，通道地址锁存。路模拟输入通道，通道地址锁存。n 未经调整误差：未经调整误差：1LSB。n 模拟输入范围：模拟输入范围：05V。n 功耗：功耗：15mW。n 工作温度：工作温度：4085。图图13.12 ADC 0809内部结构和引脚内部结构和引脚2ADC 0809的引脚的引脚nADC 0809的引脚如图的引脚如图13.15（b）所示。）所示。n IN0IN7：8路模拟输入。路模拟输入。n START：启动：启动A/D转换信号
43、。转换信号。n ALE：地址锁存允许信号。：地址锁存允许信号。n EOC：转换结束信号。：转换结束信号。n ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟通道选择。路模拟通道选择。n VREF（）、（）、VREF（）：基准电压输入，典型值为（）：基准电压输入，典型值为VREF（）（）=5V，VREF（）（）=0V。n D0D7：8位数字数据输出。位数字数据输出。n CLOCK：时钟输入。：时钟输入。n VCC、GND：电源和地。：电源和地。n OE：输出允许。：输出允许。3.ADC 0809的工作过程的工作过程n转换由转换由START为高电平启动，为高电平启动，START的上升沿将的上升沿将SAR（逐
44、次逼近寄存器）复位，真正转换从（逐次逼近寄存器）复位，真正转换从START的下降沿的下降沿开始，转换期间开始，转换期间EOC输出为低电平，以指示转换操作正在输出为低电平，以指示转换操作正在进行中。进行中。n转换完成后转换完成后EOC变为高电平，此时若变为高电平，此时若OE也为高电平，则也为高电平，则输出三态门打开，数据锁存器的内容输出到数据总线上。输出三态门打开，数据锁存器的内容输出到数据总线上。n模拟通道的选择可以相对于转换操作开始前独立地进行，模拟通道的选择可以相对于转换操作开始前独立地进行，然而通常把通道选择和启动转换结合起来完成。这样用一然而通常把通道选择和启动转换结合起来完成。这样用
45、一条输出指令就可以既选择模拟通道，又可以启动转换开始。条输出指令就可以既选择模拟通道，又可以启动转换开始。EOC信号是转换结束的标志，可供信号是转换结束的标志，可供CPU查询或用作中断查询或用作中断申请信号。申请信号。13.3.5 A/D转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口(1)ADC的数字输出特性的数字输出特性n首先要考虑首先要考虑A/D转换器芯片内部是否有数据锁存器和三态转换器芯片内部是否有数据锁存器和三态输出缓冲器，如果有，则接口很简单，只要将输出缓冲器，如果有，则接口很简单，只要将A/D的数字的数字输出线直接连到微处理器的数据总线上就可以了。输出线直接连到微处理器的数据总线上就可以
46、了。n如果如果A/D芯片内没有数据锁存器和三态输出缓冲器，则芯片内没有数据锁存器和三态输出缓冲器，则A/D的数字输出必须考虑数据的锁存和三态输出问题，以的数字输出必须考虑数据的锁存和三态输出问题，以保证保证A/D转换器芯片与微处理器接口的正确性。转换器芯片与微处理器接口的正确性。(2)ADC与微处理器的时间配合问题与微处理器的时间配合问题n为了正确地将为了正确地将A/D转换的结果送到微机内，要很好地解决转换的结果送到微机内，要很好地解决启动启动A/D转换器开始转换和读取转换结果数据这两种操作转换器开始转换和读取转换结果数据这两种操作的时间配合问题。的时间配合问题。n通常可以采用三种方法来解决通常可以采用三种方法来解决A/D转换器与微处理器的时转换器与微处理器的时间配合问题，即间配合问题，即固定延迟时间法固定延迟时间法、查询法和中断响应法查询法和中断响应法。第第13章章 作业作业P34713.1 13.2 13.3 13.5 13.6 13.1013.14
