1、 第第8 8章章 數(shù)數(shù)/ /模轉換和模模轉換和模/ /數(shù)轉換數(shù)轉換 授課計劃 教學內容 教學小結 一、授課計劃 1、教學目標1、了解DAC、ADC的分類及主要參數(shù)；2、掌握集成D/A轉換器芯片DAC0832的應用。3、掌握集成A/D轉換器芯片ADC0809的應用 2、重點與難點1、重點： 掌握A/D、D/A轉換的典型應用電路2、難點： D/A、A/D轉換器集成芯片的選用 3、學時分配：共4學時第1、2學時：A/D轉換集成芯片及其應用 第3、4學時：D/A轉換集成芯片及其應用 8.1 D/A轉換器轉換器（第1、2學時） 隨著數(shù)字電子技術的迅猛發(fā)展，特別是計算機在自動控制、自動檢測、電子信息處理及

2、許多其他領域的廣泛應用，用數(shù)字電路來處理模擬信號的方式更加普遍。 稱重傳感器小信號放大器A/D微處理器CPUD/A 放大 驅動料門開關驅動顯示mgU模擬量數(shù)字量數(shù)字量模擬量圖8.1 電腦包裝秤的框圖一一 D/A轉換器的基本原理轉換器的基本原理 對于有權碼，先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，對于有權碼，先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字從而實現(xiàn)了數(shù)字/ /模擬轉換。模擬轉換。01234567001010011100 101110111D/A轉換器DDD

3、01n-1.vo輸入輸出vo/VD0008.1.1權電阻網絡D/A轉換器 一個多位二進制數(shù)中每一位上的1所代表的數(shù)值的大小稱為這一位的權。n位二進制數(shù)dn=dn-1dn-2 d1d0，從高位到最低位的權依次為2n-1、2n-2 21、20。 電阻網絡D/A轉換的原理圖中S3S2S1S0是四個電子開關，它們是接通地還是接通參考電壓UREF ，分別接收輸入代碼d3d2d1d0的控制。di=0時，Si接通地；di=1時，S2接通參考電壓，支路上有電流Ii流向求和放大器A。求和放大器A的反向輸入端U-和輸出端U之間接有負反饋電阻RF（R/2），則A工作在線性區(qū)有U-=U+=0（虛接地），在認為A輸入電

4、流Ib近似為零的條件下可以得到。 )(01230IIIIRiRUFF代入上式得因03012122332,2,2,dRUIdRUIdRUIdRUIREFREFREFREF)2222(20011223330ddddRRUUFREF取 代入上式得 （8.2.2）對于n位數(shù)權電阻D/A轉換器，運算放大器的反饋電阻取為R/2，時有 U0= -(dn-12n-1+dn-22n-2+d121+d020)當Dn= dn-1 dn-2d1d0 =00.0 時 , 有U0=0當Dn= dn-1 dn-2d1d0=11111時,有V0= - （8.2.3） 從式（8.2.3）中可以看到：UREF為正電壓時，輸出電壓

5、u0始終為負值。要想得到正的輸出電壓u0，可以將UREF取為負值。權電阻網絡的D/A轉換器的優(yōu)點是結構比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。它的缺點是各個電阻的阻值相差很大。按等比數(shù)列取值，尤其在輸入信號的位數(shù)較多時，這個問題就更加突出。如當輸入信號達到8位時，取權電阻網絡最小的電阻R=5K，則最大電阻為27R=0.64M，兩者相差128倍。要想在極為寬的范圍內，每個阻值都有很高的精度是十分困難的，尤其制作集成電路十分不利。因此在集成DAC中很少單獨使用此電路。 001132334022222dddddUUREFREFnnU212 2/RRF8.1.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器（轉換器

6、（4位）位）所以，無論所以，無論Si處于何種位置，與處于何種位置，與Si相連的相連的2R電阻均接電阻均接“地地”（地或虛地）。（地或虛地）。圖中圖中S0S3為模擬開關，由輸入數(shù)碼為模擬開關，由輸入數(shù)碼Di控制，控制，當當Di=1時，時，Si接運算放大器反相輸入端（虛地），電流接運算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；流入求和電路；當當Di=0時，時，Si將電阻將電阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622可算出，基準電流可算出，基準電流 I=UREF/R，輸出電壓：輸

7、出電壓：則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：于是得總電流：將輸入數(shù)字量擴展到將輸入數(shù)字量擴展到n位，則有：位，則有：可簡寫為：可簡寫為：UO=KNB , 其中 NB= ，30413223140)2(2)2222(iilREFREFDRUDDDDRUi3040)2(2iiiREFffDURRRiU)2(210iniinREFfODURRU)2(10iniiD nREFfURRK2 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器為進一步提高為進一步提高D/A轉換器的轉換精度，可采用權電流型轉換器的轉換精度，可采用權電

8、流型D/A轉換器。轉換器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFDiiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiU22)2222(2)16842(3040011223340123基準電流：基準電流：3E1REFREF2IRUI由倒T形電阻網絡分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得輸出電壓為)2222(20011223314REFODDDDRURRiUffiniinfDRRUU22101REFO可推得可推得n位倒位倒T形權電流形權電流D/A轉換器的輸出電壓：轉換器的輸出電壓：8.1.3 8

9、位位DAC集成芯片及其作用集成芯片及其作用 DAC0832是是8位權電流型位權電流型D/A轉換器，其中轉換器，其中D0D7是數(shù)字量是數(shù)字量輸入端。輸入端。用用這類器件構成的這類器件構成的D/A轉換器時，需要外接運算放大器和轉換器時，需要外接運算放大器和產生基準電流用的電阻產生基準電流用的電阻R1。當當UREF=10V、R1=5k、Rf=5k時，時，輸出電壓為：輸出電壓為：7087018221022iiiiiiREFfODDRURU 數(shù) 字 輸 出 模 擬 輸 出 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

10、0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0V 0.039V 4.96V 5V 5.039V 9.96VDAC0832D/A轉換器輸出與輸入的關系（轉換器輸出與輸入的關系（ 設設VREF=10V）7D6D5D4D3D2D1D0D0V)2560(REFV)2561(REFV)256127(REFV)256128(REFV)256129(REFV)256255(REFV1.轉換精度轉換精度 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標此外，也可用此外，也可用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，分辨率，N位位D/A

11、轉換器的分辨率可表示為轉換器的分辨率可表示為 1/2.轉換速度轉換速度3. 溫度系數(shù)溫度系數(shù)在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉換速率（）轉換速率（SR）在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率）分辨率D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實際應用中

12、，常用字量輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實際應用中，常用字量的位數(shù)表示的位數(shù)表示D/A轉換器的分辨率。轉換器的分辨率。 （1）建立時間（）建立時間（tset）當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達0.1S。) 12 (n8.2 A/D8.2 A/D轉換器轉換器（第（第3 3、4 4學時）學時）8.2.1 ADC8.2.1 ADC的基本原理的基本原理 由于由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉轉換過程為：換過程為：取樣、保持

13、、量化和編碼。取樣、保持、量化和編碼。CPSSADC取樣保持電路ADC的量化編碼電路.DDDn-110vI（t）vI（t）輸入模擬電壓取樣展寬信號數(shù)字量輸出（n位） 取樣定理：取樣定理： 因為每次把取樣電壓轉換為相應的數(shù)字量因為每次把取樣電壓轉換為相應的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。可見，進行須把取樣電壓保持一段時間。可見，進行A/D轉換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結轉換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結束時的束時的vI值。值。式中式中fS為取樣頻率，為取樣頻率，fimax為輸入信號為輸入信號vI的最高的

14、最高頻率。頻率。max2iSff 取樣取樣保持電路保持電路電路組成及工作原理（取電路組成及工作原理（取Ri=Rf）: 當控制信號當控制信號vL為高電平時，為高電平時，T導通，導通，vI經電阻經電阻Ri和和T向電容向電容Ch充電。充電。則充電結束后則充電結束后 vO=vI=vC。N溝道溝道MOS管管T作為開關用。作為開關用。 當控制信號返回低電平后，當控制信號返回低電平后，T截止。截止。Ch無放電回路，所以無放電回路，所以vO的數(shù)值的數(shù)值.可被保存下來。可被保存下來。RRifIvLvTAChvoCCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF1515

15、1515131131DQQC11D1D碼QD(MSB)編1DQ先2QQQ1D1D優(yōu)C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv電壓比較器寄存器代碼轉換器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII76543218.2.2直接直接A/D轉換器轉換器 1. 并行比較型并行比較型A/D轉換器（轉換器（3位）位）輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（代碼轉換器輸入）（代碼轉換器輸出）QQQQQQQ7654321DDD210vI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(11033557799111113131VR EFVR EF

16、VR EFVR EFVR EFVR EFVR EFVR EF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111 并行比較型并行比較型A/D轉換器真值表轉換器真值表 轉換原理：轉換原理：2 逐次比較型逐次比較型A/D轉換器轉換器vIREFV169VREF1016設：輸出數(shù)字信號vIREFV169VREF1016設：邏輯電路邏輯電路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123轉換器D/AVF

17、FFFFFFFFF01234數(shù)據(jù)寄存器DDDD32100&CPQ5啟動脈沖+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n級計數(shù)器DDDn-110.（MSB）（LSB）數(shù)字量輸出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG8.2.38.2.3間接間接A/DA/D轉換器轉換器 1雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器它由積分器、過零比較器（它由積分器、過零比較器（C）、時鐘脈沖控制門（）、時鐘脈沖控制門（G）和定）和定時器

18、、計數(shù)器（時器、計數(shù)器（FF0FFn）等幾部分組成。）等幾部分組成。（2）第一次積分階段）第一次積分階段工作原理：工作原理：（1）準備階段）準備階段計數(shù)器清零，計數(shù)器清零，積分電容放電，積分電容放電， vO=0V。t=0時，開關時，開關S1與與A端端接通，輸入電壓接通，輸入電壓vI加到加到積分器的輸入端。積分積分器的輸入端。積分器從器從0開始積分：開始積分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)tIOdtvv01 由于由于vO0V，比較器輸出，比較器輸出vC=0，控制門，控制門G被被閉，計數(shù)停止。閉，計數(shù)停止。cn

19、TTt21ICnIPVTVTV21dtVVtvttREFPO)(1)(212在此階段結束時在此階段結束時vO的表達式的表達式可寫為：可寫為：設設T2=t2t1，于是有：，于是有：設在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為設在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為，則：，則：可見，可見，T2與與VI成正比，成正比，T2就是雙積分就是雙積分A/D轉換過程的中間變量。轉換過程的中間變量。 上式表明，計數(shù)器中所計得的數(shù)上式表明，計數(shù)器中所計得的數(shù)（=Qn-1Q1Q0），與在取），與在取樣時間樣時間T1內輸入電壓的平均值內輸入電壓的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，轉換器就，轉換器就能將輸入電壓轉

20、換為數(shù)字量。能將輸入電壓轉換為數(shù)字量。T2=TC 0)(1)(212dtVVtvttREFPOICnREFVTTV22IREFCnVVTT22IREFnCVVTT222、V-F變換型的A/D轉換器V-F變換型A/D轉換器的電路結構框圖，它由壓控振蕩器（VCO），寄存器、計數(shù)器及其時鐘信號CP的控制閘門G組成。VC0輸出脈沖的頻率fOVT隨輸入模擬電壓Vi的變化而改變，且在一定的變化范圍內fOUT與Vi之間保持較好的線性關系。VC0的輸出信號是一種調頻信號，而這種調頻信號不僅易于傳輸和檢出，還有很強的抗干擾能力，所以V-F變換型A/D轉換器非常適合應用在遙測、遙控系統(tǒng)中。閘門G由信號VG控制。當

21、UG為高電平時，VC0 的輸出脈沖通過閘門G給計數(shù)器計數(shù)。由于VG是固定寬度的脈沖信號，所以在TG時間里通過閘門的脈沖N與fOVT成正比，因此也就與Vi成正比。因此，每個UG周期結束時計數(shù)器里數(shù)字就是所需要的轉換結果。輸出端的寄存器是為了避免輸出端的數(shù)字跳動。每當轉換結束時用UG的下降沿將計數(shù)器的狀態(tài)置于寄存器中。V-F變換精度取決于線性度和穩(wěn)定度。8.2.48.2.4集成芯片集成芯片ADC0809ADC0809及其應用及其應用在單片集成A/D轉換器中，逐次比較型使用較多，下面以ADC0808/0809為例介紹A/D集成芯片及其應用。1、ADC0808/0809引腳及使用說明ADC0808/0

22、809是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉換芯片。分辨率10位，轉換時間100S，輸入模擬電壓范圍0至6.5V，片內含8通道多路開關，鎖存邏輯控制調制器，具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，能與微機兼容，輸出電平與TTL、CMOS兼容。單電源+5V6.5V工作。引腳排列見圖8.20所示，各引腳功能為：1）IN0 IN7（第15 腳，第26 28腳）：8路模擬量輸入腳，可以從8個腳輸入OV至+5V待轉換模擬電。2）CLOCK（第10腳）：時鐘CP輸入端，ADC0808/0809只有在CP信號同步下, 才能進行A/D轉換。時鐘頻率的上限是640KHZ。3）ALE（第22腳）：地址鎖存允許端。ALE=1時

23、地址鎖存和譯碼部分把上面所述的CBA的值輸入和譯碼并接通IN0 IN7之一。當 ALE=0時，把CBA的值鎖存起來。4）START（第6腳）：啟動脈沖輸入端，啟動脈沖的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下跳沿啟動ADC開始轉換。5）VDD(第11腳)：電源輸入端：+5V +6.5V。6）GND（第13腳）：地7）VREF（+）（第12腳）VREF-（第16腳）：分別為基準電壓的高電平和低電平端。8）EOC（第7腳）：轉換結束信號端。EOC=0，表示轉換正在進行，輸出數(shù)據(jù)不可信。EOC=1表示轉換已完成，輸出數(shù)據(jù)可信。9）BOB7（第8、14、15、1721腳）：轉換所得八位輸出數(shù)據(jù)，B7是最高位

24、，BO是最低位。10）OE（第9腳）：允許輸出端。OE端控制輸出鎖存器的三態(tài)門。當OE=1時，轉換所得的數(shù)據(jù)送到B0B7端，當OE=0時，B0B7腳對外呈高阻狀態(tài)。11）ADDA、ADDB、ADDC（第2523腳）：通道地址輸入端。例如當CBA=001時，模擬量IN1輸至ADC0808/0809，CBA=010時,IN2輸入ADC0809依次類推。圖8.20ADC0808/0809引腳端排列圖 圖8.21ADC0808/0809的功能框圖 表8.4 ADC0808/0809真值表2、ADC0808/0809真值表和功能框圖（表8.4和圖8.21）ALEC B A接通信號10 0 0IN010

25、0 1IN110 1 0IN210 1 1IN311 0 0IN411 0 1IN511 1 0IN611 1 1IN70X X X均不通3、典型應用線路圖（見圖8.22） 圖8.22 ADC 0808/0809典型應用接線圖 A/D轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標（1）分辨率）分辨率說明說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。轉換器對輸入信號的分辨能力。 一般以輸出二進制（或十進制）數(shù)的位數(shù)表示。因為，在最大輸入電壓一定時，一般以輸出二進制（或十進制）數(shù)的位數(shù)表示。因為，在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1. 轉換精度

26、轉換精度例如，相對誤差例如，相對誤差LSB/2，就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出，就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。（2）轉換誤差）轉換誤差它表示它表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2. 轉換時間轉換時間指從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號指從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經過的時間。所經過的時間。并行比較并行比較A/D轉換器轉換速度最

27、高；逐次比較型轉換器轉換速度最高；逐次比較型A/D轉換器次之；間接轉換器次之；間接A/D轉轉換器的速度最慢。換器的速度最慢。 本章小結本章小結 1 1、DACDAC和和ADCADC模擬信號與數(shù)字設備、數(shù)字系統(tǒng)之間不可缺少的接口部件模擬信號與數(shù)字設備、數(shù)字系統(tǒng)之間不可缺少的接口部件DACDAC的原理是利用線性電阻網絡來分配數(shù)字量各位的權，使輸出電流的原理是利用線性電阻網絡來分配數(shù)字量各位的權，使輸出電流與數(shù)字量成正比，然后利用運算放大器轉換成模擬的電壓輸出。在與數(shù)字量成正比，然后利用運算放大器轉換成模擬的電壓輸出。在DACDAC中，本章介紹了運用很廣泛的倒中，本章介紹了運用很廣泛的倒T T型電阻網絡的型電阻網絡的DACDAC的工作原理。的工作原理。 2 2、A/DA/D轉換的過程是采樣轉換的過程是采樣/ /保持保持/ /量化量化/ /編碼的過程；構成編碼的過程；構成ADCADC的基本思