1、 第15章數字量與模擬量的轉換n151數模轉換器(DA轉換器)n152模數轉換器(AD轉換器)n【本章主要內容】本章主要介紹數模轉換器(DA轉換器)和模數轉換器(AD轉換器)的基本原理、電路構成及常用集成芯片。 n【引例】在計算機系統中，傳感器輸出的信號經濾波、放大后，通過模數轉換器變換成數字信號，輸入單片機中進行分析和處理后，輸出數字信號，這時就需要將數字信號再通過數模轉換器變換成模擬信號。圖150-1所示電路是由集成同步十六進制加法計數器74LS161和4位數模轉換電路構成的數模轉換電路，那么這4位數模轉換器是怎樣工作的呢?對應每一個數字量，輸出電壓是多少?輸出電壓的波形是什么波形?學完本

2、章內容后可解答這些問題。 n圖150-1數字波形產生電路151數模轉換器(DA轉換器)n數模轉換器是將數字信號轉換成模擬信號的電路，簡寫成DAC(Digital to Analog Converter)，其內部組成原理框圖如圖151-1所示。它是由數碼寄存器、數字控制電子模擬開關、解碼網絡及求和電路構成的。n圖151.1 DA轉換器的工作原理1511 D/A轉換器的工作原理n數模轉換器根據解碼網絡可分為權電阻型、T形和倒T形電阻網絡、權電流型、權電容型、開關樹型等。圖151-2為4位倒T形電阻網絡DAC的原理電路，它由倒T形電阻網絡及求和放大器構成。n圖151-2倒T形電阻網絡DAC的原理電路

3、n其中D3、D2、D1、D0為數字量輸入，D3為最高位(MSB)，D0為最低位(LSB)；S3、S2、S1、S0為電子模擬開關，受數字量控制。當數字量輸入端為高電平時，開關合到右側，有電流流入運算放大器的反相輸入端；當數字量輸入端為低電平時，開關合到左側，電流流入運算放大器的同相輸入端，即地端；UREF為參考電壓輸入端，可正可負。n 根據理想運算放大器的“虛斷”，可得輸出電壓為n uo=-iRf (151-1)n由于理想運算放大器具有“虛短”和“虛地”的特點，則有n u-u+=0n即無論開關合在哪一方，電阻2R都接到地電位上。不同的是，當輸入的數字量為高電平時，電流流入i；當輸入的數字量為低電

4、平時，電流流入地中。故式(151-1)可寫成(151-2)n其中I3為輸入D3D2D1D0=1000時流向運算放大器反相輸入端的電流；I2是輸入為D3D2D1D0=0100時流向運算放大器反相輸入端的電流；I1是輸入為D3D2D1D0=0010時流向運算放大器反相輸入端的電流；I0是輸入為D3D2D1D0=0001時流向運算放大器反相輸入端的電流。n 根據疊加原理，當輸入數字量為D3D2D1D0=1000時，其倒T形電阻網絡的等效電路如圖151-3所示。故此時圖151-3 當輸入數字量為D3D2D1D0=1000時的電路n同理，當輸入數字量為D3D2D1D0=0100時，其倒T形電阻網絡的等效

5、電路如圖151-4所示。此時圖15.1-4 當輸入數字量為D3D2D1D0=0100時的電路n當輸入數字量為D3D2D1D0=0010時，其倒T形電阻網絡的等效電路如圖15.l-5所示。此時流向運算放大器反相輸入端的電流為 當輸入數字量為D3D2D1D0=0001時，其倒T形電阻網絡的等效電路如圖15.l-6所示。此時流向運算放大器反相輸入端的電流為15.1-5(151-6)圖151-5 當輸入數字量為D3D2D1D00010時的電路圖151-6當輸入數字量為D3D2D1D0=0001時的電路n將式(151-3)至式(151-6)代入式(151-2)中，可得n若取Rf =R，則式(151-7)

6、可寫成15.1-715.1-8n由式(151-8)可以看出，輸出的模擬電壓正比于輸入的數字量。一般地，對于n位DA轉換器，其通用式為15.1-91512集成D，A轉換器簡介n圖151-7所示為比較常用的集成：DAC芯片8位DAC0832的內部構成框圖，其中含有兩個8位數據緩沖寄存器、8位倒T形DA轉換器、邏輯控制電路及輸出電路的輔助電阻元件Rfb，其引腳圖參見附錄5。n 各引腳功能如下：n 控制信號：、ILE、1、2、n、ILE、1三個信號配合在一起，用于控制8位輸入寄存器的操作，為片選通信號，低電平有效；為輸入寄存允許信號，高電平有效；嘲為輸入寄存器的寫信號，低電平有效；只有當和1為低電平且

7、ILE為高電平時，數字量DI0DI7才能寄存到輸入n寄存器中。2和這兩個信號配合在一起，控制8位DAC寄存器的操作，2為DAC寄存器的寫信號，低電平有效：為傳送控制信號，低電平有效，只有當二者同時為低電平時，輸入寄存器中的數字量才能寫入8位DAC寄存器中。圖151-7集成DAC0832的內部組成框圖n輸入數字量：DI0DI7n DI0DI7為8位自然二進制碼的數字量輸入，其中DI0為最低位(LSB)，DI7為最高位(MSB)。n 電源、地：UREF、UCC、DGND和AGNDn UREF為參考電壓，取值范圍為-10+10V；VCC為電源電壓，取值范圍為+5+15V，最佳工作狀態時為15V；DG

8、ND和AGND分別為數字電路地和模擬電路地，使用時將最近的兩個“地”點短接且只能在一點短接，以減少干擾。n 模擬電流輸出：IOUT1和IOUT2n DAC0832為電流輸出型DA轉換器，要獲得電壓信號，必須外接運算放大器，IOUT1和IOUT2通常接運算放大器的輸入端。n 反饋電阻連接端：Rf bn 在DAC0832中，其內部倒T形電阻網絡的電阻R與Rfb相等，約為15k，故運算放大器反饋電阻不需要外接。n DAC0832為8位數模轉換器，其典型連線電路如圖151-8所示，這是一種直通工作方式。其輸出電壓為 (151-10)DAC0832的直通工作方式是指兩個寄存器均處于工作狀態，輸出電壓隨數

9、字量的改變而變化，一般用于模擬量能直接迅速地反映數字量變化的系統。 DAC0832除了直通工作方式外，還有單緩沖工作方式和雙緩沖工作方式。單緩沖工作方式是DAC0832中的兩個寄存器中的一個處于直通方式，另一個處于受控方式；雙緩沖工作方式是DAC0832中的兩個寄存器均處于受控狀態。圖151-9所示為DAC0832的雙緩沖工作方式連線圖。圖151-8 DAC0832的直通工作方式 圖151-9 DAC0832的雙緩沖工作方式思考題 151-1 DAC中的運算放大器有何作用?152模數轉換器(AD轉換器)n 1521 AD轉換器的工作原理n模數轉換器(AD轉換器)是將模擬電壓通過采樣、量化、編碼

10、而轉換成數字量的電路，簡稱為ADC(Analog toDigital Converter)，其原理框圖如圖152-1所示。由于輸入的模擬電壓在時間和幅度上都是連續的，而輸出的數字信號無論是時間上還是幅度上都是離散的，因此在模數轉換過程中，只能對一系列選定時刻對輸入電壓取值，然后轉換成數字量輸出，因此模數轉換過程包含了采樣、保持、量化和編碼4個過程。圖152-1模數轉換器原理框圖n采樣就是按照一定的時間間隔周期性地讀取輸入模擬電壓的數值，從而使模擬輸入電壓在時間上離散化。保持是在連續兩次采樣之間，將上一次采樣的電壓保持到下一次采樣開始，以便將保持的電壓數字化處理。采樣保持后，就要對時間離散的電壓

11、進行數值上的離散化處理，這就是量化編碼過程，最后輸出對應的數字量。nAD轉換器的類型很多，可分為直接型和間接型模數轉換器，直接AD轉換器將輸入模擬信號直接轉換成數字信號輸出，典型電路是并行比較型AD轉換器和逐次逼近型AD轉換器：而間接型AD轉換器先將輸入模擬信號轉換成中間量(如時間、頻率等)，再轉換成數字量，比較典型的AD轉換器有雙積分型AD轉換器和電壓一頻率轉換型AD轉換器。n 圖152-2所示為n位逐次逼近型AD轉換器的原理框圖，它主要由電壓比較器、邏輯控制電路、逐次逼近寄存器及DA轉換器組成。n轉換開始前，先將寄存器清零，DA轉換器輸入的數字量也全為“0”。當轉換控制信號uL為高電平時，

12、轉換開始，并在時鐘信號CLK的作用下將寄存器輸出的最高位置“1”，其他位置“0”，即DA轉換器的輸入為Dn-1Dn-2D1D0=1000，經過DA轉換器轉換后輸出相應的模擬電壓uo，uo與輸入模擬電壓u相比較。若uoui，說明Dn-1Dn-2D1D0=1000偏大，Dn-1的1清除；如果uoui，說明Dn-1Dn-2D1D0=1000偏小，則Dn-1的1保留。接下來，第二次轉換開始時，將寄存器的次高位置成“1”，同樣進行比較，逐位比較下去，直到最低位D0，比較完畢后，取寄存器輸出的數字量即為對應ui的數字量。圖152-2 n位逐次逼近型DA轉換器原理框圖1522集成A/D轉換器簡介nAD080

13、9為集成8位模數轉換器，其內部結構框圖如圖152-3所示，主要由8通道多路模擬開關、地址鎖存與譯碼電路、8位逐次比較型AD轉換器和三態輸出鎖存緩沖器構成。n 各引腳功能如下：n模擬信號輸入端INoIN7為8路模擬電壓輸入，可由8通道多路模擬開關選擇其中一路送入8位AD轉換器進行轉換。圖152-3集成AD轉換器ADC0809的內部結構框圖數字信號輸出端數字信號輸出端D0 0DD7 7為為AD轉換器輸出的轉換器輸出的8位二進制數，位二進制數，其中其中D7 7為最高位為最高位(MSB)，D D0 0為最低位為最低位(LSB)。 地址信號輸入端地址信號輸入端A2 2、A1 1、A0 0為譯碼器三位地址

14、輸入端，為譯碼器三位地址輸入端，經過經過3位地址鎖存和譯碼后，控制選擇哪一路模擬電壓進行位地址鎖存和譯碼后，控制選擇哪一路模擬電壓進行模數轉換，其對應關系如表模數轉換，其對應關系如表152-1所示。所示。控制與狀態信號控制與狀態信號ALE、OE、CLK、START及及EOC，其中，其中ALE為地址鎖存允許信號，當輸入脈沖為上升沿時，將為地址鎖存允許信號，當輸入脈沖為上升沿時，將3位位地址輸入地址輸入A2 2、A1 1、A0 0存入地址鎖存器中。存入地址鎖存器中。OE為輸出允許信為輸出允許信號，當為高電平時，允許從三態輸出鎖存緩沖器中取出數字號，當為高電平時，允許從三態輸出鎖存緩沖器中取出數字量

15、。量。CLK為時鐘脈沖信號，頻率范圍為為時鐘脈沖信號，頻率范圍為101280kHz。START為轉換啟動信號，在其上升沿到來時，將逐次逼近寄為轉換啟動信號，在其上升沿到來時，將逐次逼近寄存器清零，在其下降沿到來時，開始進行轉換。存器清零，在其下降沿到來時，開始進行轉換。EOC為轉換為轉換結束的狀態標志，結束的狀態標志，EOC為低電平時，表示轉換正在進行中，為低電平時，表示轉換正在進行中，當當EOC為高電平時，表示為高電平時，表示AD轉換結束，故轉換結束，故EOC可以作為可以作為數據接收設備開始接收數據的信號。數據接收設備開始接收數據的信號。n表152-l 地址輸入與模擬信號的選擇關系表電源電壓

16、電源電壓VCC、基準電壓、基準電壓VREF(+)REF(+)和和VREF(-)REF(-)及地及地GND。電源電壓。電源電壓VCCCC為為5V為為5VREF(+)REF(+)和和VREF(-)REF(-)為基為基準電壓，其典型值為準電壓，其典型值為VREF(+)REF(+)=5V=5V，VREF(-)REF(-)=0V=0V。n利用ADC0809進行模數轉換時，其工作過程如下：n 1輸入三位地址A2、A1、A0，在ALE上升沿到來時進行鎖存，從而選通ADC0809的某一路輸入模擬信號；n 2當發出轉換啟動信號START時，上升沿將逐次逼近寄存器清零，下降沿時開始轉換，轉換結束狀態標志ECO為低

17、電平。其轉換過程是在時鐘脈沖CLK的控制下進行的，轉換結束后，ECD翻轉為高電平。n 3在OE端輸入低電平，輸出轉換結果。n ADC0809常和單片機相配合，構成數據采集系統，也可構成數字電壓表、保密電話系統等，應用非常廣泛。表152-2 4位同步二進制加法計數器的狀態轉換表圖152-4引例電路的輸出電壓波形思考題思考題15152-1逐次逼近型逐次逼近型ADC是如何工作的是如何工作的?【引例分析引例分析】由于由于74LS161為集成同步十六進制計為集成同步十六進制計數器，根據式數器，根據式(151-8)可得可得這里這里D3 3、D2 2、D1 1、D0 0對應對應Q3 3、Q2 2、Q1 1、

18、Q0 0，計算，計算出對應數字量的輸出電壓值，如表出對應數字量的輸出電壓值，如表152-2所示。其所示。其輸出電壓波形如圖輸出電壓波形如圖152-4所示，由圖中可以看出為所示，由圖中可以看出為鋸齒波。鋸齒波。 本章小結n1數模轉換器是將數字信號轉換成模擬信號的電路，其內部電路形式很多，如電阻網絡、T形電阻網絡、倒T形電阻網絡、權電流型、開關樹等。本章只介紹了倒T形電阻網絡的DA轉換器及輸出電壓的求法，并在此基礎上介紹了集成芯片DAC0832的內部結構及典型應用。n2模數轉換器是將模擬信號轉換成數字信號的電路，根據工作方式分為直接型和問接型，其中直接型有并行比較型和逐次逼近型，本章主要介紹了逐次逼近型AD轉換器的結構及工作原理，并在此基礎上給出了集成AD轉換器ADC0809的內部結構及工作工程習習 題題 15-115-1某某DA轉換器電路如題圖轉換器電路如題圖15-1所示，當所示，當Qi i=1=1時，相時，相應的模擬開關應的模擬開關Si置于位置置于位置1；當；當Qi i=0=0時，開關時，開關Si i置于位置置于位置0。(1)求求uo o與數字量與數字量QD DQ QC CQ QB BQ QA A之間的關系式；之間的關系式；(2)若若U