第12章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

本章基本要求：理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。了解R-2R

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。了解常用D/A轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解常用A/D轉(zhuǎn)換器。了解A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。第12章

模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對(duì)象

自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？第12章

模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換第12章

模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換定義：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)—模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A或DAC。ADC和DAC是模擬電路和數(shù)字電路的接口，是聯(lián)系模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的“橋梁”。本章主要介紹ADC、DAC的原理、技術(shù)指標(biāo)和常用芯片?；驹頂?shù)—模轉(zhuǎn)換裝置輸入的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，輸出的信號(hào)則是與輸入數(shù)字信號(hào)成比例的模擬電壓或電流。

12.1數(shù)—模轉(zhuǎn)換器12.1.1數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)數(shù)—模轉(zhuǎn)換的電路有多種方式，最常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，其中較常見(jiàn)的有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)等。由于數(shù)字信號(hào)是用二進(jìn)制代碼組合起來(lái)的，每一個(gè)數(shù)字信號(hào)都可以按“權(quán)”相加得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，即D=（N）B=Kn-1×2n-1+…+K1×21+K0×20。數(shù)—模轉(zhuǎn)換裝置輸出的模擬量A就是和輸入的數(shù)字量D成正比例的電壓或電流信號(hào)。即A=KD，其中的K稱為轉(zhuǎn)換比例系數(shù)。以十位DAC為例，輸入的是十位二進(jìn)制代碼，共有210種組合。若輸出電壓的最大值為5V，則該轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換出的最小電壓為，其轉(zhuǎn)換步距也為，顯然DAC轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，它所轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)的步距越短。1.

T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器

電子模擬開(kāi)關(guān)：S0、S1、S2、S3，這些電子開(kāi)關(guān)分別由數(shù)碼寄存器存放的四位二進(jìn)制數(shù)的相應(yīng)位數(shù)碼d0、d1、d2、d3控制，根據(jù)它是“l(fā)”或“0”決定電阻網(wǎng)中的電阻是接參考電壓(或稱基準(zhǔn)電壓)UR還是接地。T形電阻網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)輸入的數(shù)字信號(hào)的某一位為“1”時(shí)，開(kāi)關(guān)接到參考電壓UR上，為“0”時(shí)接地，這個(gè)T形電阻網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路時(shí)的輸出電壓UA(未接運(yùn)算放大器時(shí))可以應(yīng)用疊加原理進(jìn)行計(jì)算。即分別計(jì)算只當(dāng)d0＝1、dl＝l、d2＝l、d3＝l(其余位為0)時(shí)的電壓分量，而后疊加得到UA。應(yīng)用疊加原理將這四個(gè)電壓分量疊加，得出T形電阻網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路時(shí)的輸出電壓UA，等效內(nèi)阻(除去電源后開(kāi)路網(wǎng)絡(luò)的等效電阻)為R。集成運(yùn)放的輸出模擬電壓為U0如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則當(dāng)取RF＝3R時(shí)，則上式為例如對(duì)四位的數(shù)—模轉(zhuǎn)換器而言：R—2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是它只需及和2只兩種阻值的電阻，這對(duì)選用高精度電阻和提高轉(zhuǎn)換器的精度都是有利的。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR電路組成與轉(zhuǎn)換原理2.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱I/U

轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開(kāi)關(guān)Si

打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R

支路接地。故無(wú)論開(kāi)關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC1)從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為2R。2)不論模擬開(kāi)關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端(虛地)或接“地”(也就是不論輸入信號(hào)是1或是0)，各支路的電流是不變的。

因此，從參考電壓端輸入的電流為IR＝，而后根據(jù)電流分流公式得出各支路的電流：

由此可得出電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則當(dāng)取RF＝R時(shí)，則上式為與T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓相同。12.1.2數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率是指轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。當(dāng)輸入的數(shù)字量為1時(shí)（僅最低位為1，其余各位全部為0），輸出最小，當(dāng)輸入的數(shù)字量各位全部為1時(shí)，輸出最大，此二者之比即為分辨率，例如10位DAC轉(zhuǎn)換器的分辨率為：1/（210-1）≈0.001有時(shí)也用輸入信號(hào)的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率，有效位數(shù)越多分辨率就越高。顯然分辨率越高，轉(zhuǎn)換的精度就越高。但分辨率越高其轉(zhuǎn)換電路就越復(fù)雜。表12-1不同DAC轉(zhuǎn)換器的分辨率轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的位數(shù)分辨率41/1581/255101/1023121/4095161/655352.轉(zhuǎn)換精度和線性度轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。這誤差和運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、模擬開(kāi)關(guān)的壓降以及電阻阻值的偏差等很多原因引起的。線性度是指轉(zhuǎn)換器的非線性誤差，產(chǎn)生非線性誤差的原因一般是由各模擬通路的偏差和壓降不同造成的。3.輸入數(shù)字電平和輸出電平

輸入數(shù)字電平是指輸入的數(shù)字信號(hào)分別為0和1時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入高、低電平的值，不同的轉(zhuǎn)換器該值略有區(qū)別。輸出電平是指輸出電壓的最大值，不同型號(hào)的轉(zhuǎn)換器該值的相差較大，其中高壓輸出型的可達(dá)30V，電流輸出型的可達(dá)3A。4.工作溫度范圍溫度的高低將直接影響到轉(zhuǎn)換器的精度指標(biāo)，好的產(chǎn)品工作溫度可在-40℃~150℃之間。12.1.3數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的主要產(chǎn)品介紹1.DAC0830系列DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC轉(zhuǎn)換電路，包含轉(zhuǎn)換電路和外圍電路，具有雙緩沖結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，采用20腳雙列直插封裝，芯片外接集成運(yùn)放，將轉(zhuǎn)換成的模擬電流信號(hào)放大后變成電壓信號(hào)輸出。圖12-5DAC0830系列的外引線排列圖

2.集成DA7520集成DA7520和前述0830系列不同的是其電路只包含轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和模擬電子開(kāi)關(guān)。是10位CMOS電流開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好。DA7520的外引線排列圖如圖12.6所示。

圖12.6DA7520的外引線排列圖1.A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟

“[]”表示取整。ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號(hào)n

位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見(jiàn)，輸出數(shù)字量D

正比于輸入模擬量uI。

△稱為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。12.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換器模-數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化和編碼4個(gè)步驟。目前用的較多的是逐次逼近型、雙積分型和電壓頻率變換型轉(zhuǎn)換器等。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。

保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量2.集成采樣－保持器LF198當(dāng)S閉合時(shí)，A1和A2均工作在電壓跟隨器狀態(tài)，所以u(píng)o＝u/o＝uI，電容上的電壓uC＝uI；當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，由于Ch上的電壓不變，所以輸出電壓uo的數(shù)值得以保持不變。A1，A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器

S是電子開(kāi)關(guān)

L是開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路CP為高電平時(shí)，S閉合；CP為低電平時(shí)，S斷開(kāi)。采樣信號(hào)是否會(huì)丟失原信號(hào)的信息呢？對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？

量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓VREF

和量化方法有關(guān)。采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可以不失真地恢復(fù)為原模擬信號(hào)。

量化誤差：因模擬電壓不一定能被ULSB

整除，量化時(shí)舍去余數(shù)而引起的誤差。

劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差=

=(1/8)V最大量化誤差

=

/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V12.2.2逐次比較型ADC轉(zhuǎn)換器1.逐次比較型ADC轉(zhuǎn)換器的組成（1）DAC轉(zhuǎn)換器它將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓去與被測(cè)電壓比較。（2）數(shù)據(jù)寄存器轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，從最高位開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)寄存器置1，其他位置0，將該數(shù)據(jù)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，在比較器中與輸入量比較，根據(jù)比較結(jié)果決定最高位是留下，還是清除，然后置次高位為1，轉(zhuǎn)換、比較……，所有位比較完畢后統(tǒng)一輸出。（3）電壓比較器。將數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓與輸入電壓比較，輸出結(jié)果用于修改數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。（4）控制邏輯及時(shí)鐘。用于實(shí)現(xiàn)整機(jī)的邏輯控制。2.

工作過(guò)程FF8－FF1組成8位數(shù)據(jù)寄存器10個(gè)D觸發(fā)器接成環(huán)形移位寄存器第一個(gè)CP到來(lái)時(shí)，W8＝1，其余Wi均為0，Q8－Q1為10000000，

uI與128v比較，小于，因此uC＝0，保留。假設(shè)輸入電壓uI＝149V

第二個(gè)CP到來(lái)時(shí)，W7＝1，其余Wi均為0。數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)為11000000，該數(shù)據(jù)使uD＝192V，大于，不保留。其他依次類推。12.2.3雙積分型ADC轉(zhuǎn)換器雙積分型又稱雙斜率ADC轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是對(duì)輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分：先將輸入模擬電壓uI轉(zhuǎn)換成與之大小相對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔TC，再在此時(shí)間間隔內(nèi)用固定頻率的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓；同樣也對(duì)參考電壓進(jìn)行相同的處理。特點(diǎn)：

由于要兩次積分，因此雙積分型ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較低，但轉(zhuǎn)換數(shù)字量位數(shù)n增加時(shí)，電路復(fù)雜程度增加不大，易于提高分辨率，其通常用在對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合，如數(shù)字萬(wàn)用表等。具體電路略雙積分型ADC轉(zhuǎn)換器原理圖指ADC實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來(lái)表示。

(二)主要參數(shù)2.相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。

1.分辨率例如最大輸出電壓為5V的8位ADC的分辨率為：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。例如轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說(shuō)明實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過(guò)1/2LSB。3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型>逐次逼近型>雙積分型數(shù)十ns數(shù)十s

數(shù)十ms指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。12.2.3常用ADC簡(jiǎn)介目前常用ADC大多是單片集成轉(zhuǎn)換器，種類很多。1.ADC0800系列ADC0800系列屬逐次比較型比較器，如ADC0801，ADC0804，ADC0809等，可把輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號(hào)輸出。ADC0809片內(nèi)有帶鎖存功能的8路模擬開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)8路輸入模擬電壓進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換，輸出采用TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與外部數(shù)據(jù)總線連接。采用28腳雙列直插封裝，其外引線排列