數(shù)電數(shù)模與模數(shù)轉換器第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日1

模數(shù)(A/D)與數(shù)模(D/A)轉換器是計算機與外部設備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。

將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)轉換器(簡稱A/D轉換器或ADC)；傳感器模擬控制模擬信號在計算機中進行數(shù)字顯示數(shù)字控制數(shù)字信號ADCDAC

將數(shù)字量轉換為模擬量的裝置稱為數(shù)模轉換器(簡稱D/A轉換器或DAC)第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2§9.1D/A轉換器一．D/A轉換器的基本原理

D/A轉換器的輸入信號為數(shù)字信號，輸出信號為模擬量(電壓或電流)。其基本工作原理是：先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量。當Dn-1…D1D0=輸入大小不同數(shù)字量時:vo=輸出大小不同的電壓值n位二進制數(shù)D/A轉換器的分類：倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器、權電流型D/A轉換器等。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日3S0～S3：開關，由輸入數(shù)碼Di控制其動作。當Di=1時，Si接運算反相輸入端(右邊)；當Di=0時，Si將電阻2R接地(左邊)。二．倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器1、電路(4位)uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRR參考電壓第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日42、工作原理目的：求出uo~D3D2D1D0的關系。uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2∵u-＝u+＝0,i-＝i+＝0∴從VREF看進去總電阻為：u-u+i-i+I3＝I/2,I2＝I/4,I1＝I/8,I0＝I/16R總電流:I＝VREF/R,各分支電流:第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日5uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+可見:I3＝I/2，I2＝I/4，I1＝I/8，I0＝I/16IR＝I3D3＋I2D2＋I1D1＋I0D0第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日6若輸入n位數(shù)字量:Dn-1、Dn-2…

D1、D0,則輸出電壓為:uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日7uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R++-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+當輸入0011時：0011當輸入0111時：可見:輸出的模擬量與輸入數(shù)字量成正比第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日83、倒T型集成D/A轉換器——AD7533(1)電路——P434圖9.1.5，為倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器。輸入為10位二進制數(shù)。(2)圖形符號與接線方法(3)輸出電壓uo∞-++VDDRfVREFAD7533IOUT1IOUT2D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日94、倒T型集成D/A轉換器——DAC0832(1)電路——P434圖9.1.5，為倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器。輸入為8位二進制數(shù)。(2)芯片管腳分布CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片選信號:低電平有效寫入控制:低電平有效模擬地端D0~D7:數(shù)字量輸入?yún)⒖茧妷狠斎攵藬?shù)字地端反饋電阻外接端第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日10CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120輸入鎖存允許信號,高電平有效芯片工作電壓輸入端寫入控制端:低電平有效,與17腳配合使用(3)接線方法——與AD7533相同uo∞-++傳送控制端:低電平有效,與18腳配合使用(4)輸出電壓第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日11三．權電流型D/A轉換器1、電路(4位)uo-VREFS2S3S1S0++-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16S0～S3：開關，由輸入數(shù)碼Di控制其動作。當Di=1時，Si接運算反相輸入端(右邊)；當Di=0時，Si接地(左邊)。實際電路中,一般:I＝VREF/R1第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日12uo-VREFS2S3S1S0++-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16IRu-u+i-i+2、工作原理目的：求出uo~D3D2D1D0的關系。∵u-＝u+＝0,i-＝i+＝0第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日13uo-VREFS2S3S1S0++-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16IRu-u+i-i+若輸入n位數(shù)字量:Dn-1、Dn-2…

D1、D0,則輸出電壓為:輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比實際中:I＝VREF/R1，則：第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日14D0～D7是數(shù)字量輸入端。

使用時，需要外接運算放大器和產(chǎn)生基準電流用的電阻R1、

Rf

。(3)輸出電壓3、權電流型集成D/A轉換器——DAC0808(1)電路——與P437圖9.1.8相同。輸入為8位二進制數(shù)。(2)圖形符號與管腳分布第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日四．D/A轉換器的主要技術指標1.分辨率——對微小變化量的識別程度定義：指最小輸出電壓(數(shù)字量：00000001)與最大輸出電壓(數(shù)字量：全1)之比。即：分辨率＝1/(2n–1)例:十位D/A轉換器的分辨率為：1/(210–1)＝1/1023≈0.001有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。2.轉換精度定義:比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差的最大值。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日3.轉換速度(1)建立時間(tset)——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0.1s。(2)轉換速率(SR)——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。4.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(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日17§9.2A/D轉換器一．A/D轉換器的基本原理

模–數(shù)(A/D)轉換器的作用：將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換成數(shù)字量。它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其性能不同，類型也比較多。A/D轉換過程為：取樣、保持、量化和編碼。

其原理框圖如下：第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日181、取樣—保持電路(1)電路組成(2)工作原理由圖看出：vO=vC當vL=1時:開關接通。vO=vC=vI當vL=0時:開關斷開。C無放電回路,vC保持不變。vL=1開關通vL=0開關斷采樣保持vo++-RFvIvLRC+vC-第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日19(3)實際電路0VvIvLRvo++-RFC工作原理與前頁相同。vo++-RFvIvLRCvo++-RFvIvLRC第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日202、量化和編碼例如：將vI＝0~VREF模擬電壓→用三位8421碼表示(1)舍尾取整法——最大誤差|max|＝1LSB將VREF均勻劃分為八塊,量化單位＝VREF/8：量化劃分區(qū)域輸入模擬信號8421碼1VREF7VREF/86VREF/85VREF/84VREF/83VREF/82VREF/81VREF/80(0≤vI＜1/8)VREF000(1/8≤vI＜2/8)VREF001(2/8≤vI＜3/8)VREF010(3/8≤vI＜4/8)VREF011(4/8≤vI＜5/8)VREF100(5/8≤vI＜6/8)VREF101(6/8≤vI＜7/8)VREF110(7/8≤vI＜1)VREF111第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日21(2)四舍五入法——最大誤差|max|＝1LSB/2——當vI的尾數(shù)不足/2時,取低位輸出;vI的尾數(shù)大于或等于/2時,取高位輸出。例如：將vI＝0~VREF模擬電壓→用三位8421碼表示將VREF劃分為8塊,量化單位為＝2VREF/15:量化劃分區(qū)域輸入模擬信號8421碼1VREF13VREF/1511VREF/159VREF/157VREF/155VREF/153VREF/151VREF/150(0≤vI＜1/15)VREF000(1/15≤vI＜3/15)VREF001(3/15≤vI＜5/15)VREF010(5/15≤vI＜7/15)VREF011(7/15≤vI＜9/15)VREF100(9/15≤vI＜11/15)VREF101(11/15≤vI＜13/15)VREF110(13/15≤vI＜1)VREF111第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日22二．并行比較型A/D轉換器(三位)1.電路VREF/7.5R例VREF=10VvI=5.2V時:CP=01,輸出為：100第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日232、工作原理(真值表)——采用四舍五入法輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字輸出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1(0~1/15)VREF(1/15~3/15)VREF(3/15~5/15)VREF(5/15~7/15)VREF(7/15~9/15)VREF(9/15~11/15)VREF(11/15~13/15)VREF(13/15~1)VREF00000000000001000001100001110001111001111101111111111111000001010011100101110111第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日24三．逐次比較型A/D轉換器1．轉換原理其工作原理可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暫時結果砝碼重比較判斷順序保留保留撤去保留第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日252.電路(4位)101111110100001111001010011111101101101004V5.52V6V15V5.5V第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日263.工作原理——采用舍尾取整法從大到小，來一個脈沖，比較一次。比如參考電壓VREF＝8V,輸入電壓VI＝5.52V,輸出4位二進制數(shù)，量化單位＝VREF/16：時鐘產(chǎn)生順序D3D2D1D0D/A轉換器輸出電壓VO'比較輸出VC數(shù)碼去留QA10008VREF/16＝4VVI＞VO'

:1留QB110012VREF/16＝6VVI＜VO'

:0去QC101010VREF/16＝5VVI＞VO'

:1留QD101111VREF/16＝5.5VVI＞VO'

:1留QE輸出數(shù)據(jù)1011第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日27四．雙積分型A/D轉換器1．電路它由積分器、過零比較器(C)、時鐘脈沖控制門(G)和定時器、計數(shù)器(FF0～FFn)等幾部分組成。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日28(2)第一次積分階段2、工作原理(1)準備階段計數(shù)器清零，積分電容放電，

vO=0V。t=0時，開關S1與A端接通，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日29由于vO<0V，過零比較器輸出vC=1，控制門G打開。計數(shù)器從0開始計數(shù)。t=T1=2nTC經(jīng)過2n個時鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉到0態(tài)，而Qn=1，開關S1由A點轉到B點，第一次積分結束。第一次積分時間為：第一次積分結束時，積分器的輸出電壓VP為：(3)第二次積分階段當t=t1時，S1轉接到B點，基準電壓－VREF加到積分器的輸入端；積分器開始反向積分。同時，N級計數(shù)器又從0開始計數(shù)。當t=t2時，積分器輸出電壓vO>0V，比較器輸出vC=0，控制門G被關閉，計數(shù)停止。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日在此階段結束時vO的表達式可寫為：設T2=t2－t1，于是有：設在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為λ，則：可見,T2與VI成正比,T2就是雙積分A/D轉換過程的中間變量。上式表明,計數(shù)器中所計得的數(shù)λ(λ=Qn-1…Q1Q0),與在取樣時間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比。只要VI<VREF，轉換器就能將輸入電壓轉換為數(shù)字量。T2=λTC

第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日五、A/D轉換器計算公式——已知輸入電壓vI、參考電壓VREF,求輸出二進制數(shù)?計算公式:求出Dx,再將Dx四舍五入取整后變成二進制數(shù)即可。Ux=1.3V,UREF=2V,三位模數(shù)轉換器，求輸出二進制數(shù)為何？Dx＝(5.2)10≈(5)10＝(101)2D2D1D0＝101例1第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日32六．集成A/D轉換器ADC0809——為8位逐次逼近型A/D轉換器,能輸出8位二進制數(shù)。1、電路框圖2、ADC0809管腳分布圖UR(-)

BD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0

GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTACUR(+)UDD第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日33七．A/D轉換器的主要技術指標1.轉換精度(1)分辨率——對輸入信號的分辨能力。以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。在最大