任務(wù)7 認(rèn)識A-D與D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

任務(wù)7三位半直流數(shù)字電壓表的設(shè)計與制作——認(rèn)識A-D與D-A轉(zhuǎn)換電路教學(xué)目錄7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)127.3ADC0809和DAC0832使用37.4任務(wù)的實現(xiàn)47.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.1D-A轉(zhuǎn)換器

D-A轉(zhuǎn)換的作用是將數(shù)字信號量轉(zhuǎn)換成模擬信號量。完成D-A轉(zhuǎn)換的電路叫D-A轉(zhuǎn)換器。D-A轉(zhuǎn)換器的種類很多，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D-A轉(zhuǎn)換器、T形和倒T形網(wǎng)絡(luò)D-A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D-A轉(zhuǎn)換器等。圖7-1所示電路由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電子模擬開關(guān)和放大器兩部分組成。圖7-14位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D-A轉(zhuǎn)換器7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.1D-A轉(zhuǎn)換器圖7-14位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D-A轉(zhuǎn)換器7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.2D-A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率是說明D-A轉(zhuǎn)換器輸出最小電壓的能力。它是指D-A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所產(chǎn)生的最小輸出電壓ULSB（對應(yīng)的輸入數(shù)字量僅最低位為1）與最大輸出電壓UFSR（對應(yīng)的輸入數(shù)字量各有效位全為1）之比，即例如，對于8位DAC，其分辨率為對于10位DAC，其分辨率為如果輸出模擬電壓為10V，則8位和10位DAC能分辨的最小電壓分別為0.04V和0.00978V。所以，D-A轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，分辨輸出最小電壓的能力越強(qiáng)。7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.2D-A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指D-A轉(zhuǎn)換器實際輸出的模擬電壓值與理論輸出模擬電壓值之間的最大誤差，常以百分?jǐn)?shù)來表示。例如某D-A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬電壓滿刻度值為10V，轉(zhuǎn)換精度為2%，則其輸出電壓的最大誤差為10V×2%=200mV。轉(zhuǎn)換精度是一個綜合指標(biāo)，不僅與器件參數(shù)精度有關(guān)，而且還與環(huán)境溫度、運(yùn)算放大器的溫漂以及D-A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，一般情況下要求D-A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。3.轉(zhuǎn)換時間指D-A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號開始到輸出模擬電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值時所用的時間，即轉(zhuǎn)換器的輸入變化為滿度值(輸入由全1變?yōu)槿?，或由全0變?yōu)槿?)時，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間越小，D-A轉(zhuǎn)換器的工作速度就越快。7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.3集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹1.DAC0832電路結(jié)構(gòu)和引腳功能集成D-A轉(zhuǎn)換器器件種類較多，下面以DAC0832為例簡單介紹。圖7-2DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.3集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹1.DAC0832電路結(jié)構(gòu)和引腳功能D0~D7：數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平。ILE：輸入允許信號端，高電平有效。：片選信號輸入線，低電平有效。

：數(shù)據(jù)輸入選通信號端(或稱寫輸入信號端)，低電平有效。：數(shù)據(jù)傳送控制信號端。：為DAC寄存器寫選通信號端。IO1：模擬電流輸出端。IO2：模擬電流輸出端，其值與IO1之和為一常數(shù)。7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.3集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹1.DAC0832電路結(jié)構(gòu)和引腳功能RF：為外接運(yùn)算放大器提供的反饋電阻引出端，改變RF端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度。VCC：電源接線端（5~15V）。VREF：基準(zhǔn)電壓接線端

（-10~10V）ADND：模擬電路接地端。DDND：數(shù)字電路接地端，通常與模擬電路接地端在基準(zhǔn)電源處相連。DAC0832的D-A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式（IO1、IO2）輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實現(xiàn)。7.1D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.3集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹2.DAC0832工作特點和使用方法因為有兩級鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量。此外，兩級鎖存器還可以在多個D-A轉(zhuǎn)換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器同步輸出。由于DAC0832中不包含運(yùn)算放大器，所以需要外接運(yùn)算放大器，才能構(gòu)成完整的D-A轉(zhuǎn)換器。7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.1A-D轉(zhuǎn)換原理A-D轉(zhuǎn)換的作用是將模擬信號量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號量。完成A-D轉(zhuǎn)換的電路稱為A-D轉(zhuǎn)換器，或?qū)憺锳DC。圖7-5A-D轉(zhuǎn)換一般過程7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.1A-D轉(zhuǎn)換原理1.采樣和保持采樣就是對連續(xù)變化的模擬信號作等間隔的抽取樣值，也就是對連續(xù)變化的模擬信號作周期性的測量。根據(jù)采樣定理，理論上只要滿足fs≥2fimax（式中fs是采樣頻率，fimax是信號中所包含最高次諧波分量的頻率），就能將

不失真地還原成

。由于電路元件不可能達(dá)到理想要求，通常取fs＞5fimax，才能保證還原后信號不失真。7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.1A-D轉(zhuǎn)換原理2.量化和編碼將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。將量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱為編碼。7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.2A-D轉(zhuǎn)換器A-D轉(zhuǎn)換器有直接A-D轉(zhuǎn)換器和間接A-D轉(zhuǎn)換器兩大類。

直接A-D轉(zhuǎn)換器是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣-保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A-D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。

間接A-D轉(zhuǎn)換器是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時間t或頻率f，然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。間接A-D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.2A-D轉(zhuǎn)換器圖7-8逐次比較型A-D轉(zhuǎn)換器原理框圖逐次比較型A-D轉(zhuǎn)換器又稱為逐次逼近型ADC或逐次漸近型ADC，它是通過對模擬量不斷地逐次比較、鑒別，直到最末一位為止，它類似于用天平稱量物重的過程。7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.3A-D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率用來反映A-D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A-D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，即該分辨率下能夠區(qū)分的最小輸入模擬信號為

，其中ui是輸入的滿量程模擬電壓，n為A-D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。顯然，位數(shù)越多，A-D轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小模擬電壓值就越小，分辨率越高。例如，A-D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V，則其分辨率為

，能夠區(qū)分的最小輸入模擬信號為

。7.2A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.2.3A-D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所需要的時間。通常用完成一次A-D轉(zhuǎn)換操作所需時間來表示轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換時間越短，說明轉(zhuǎn)換速度越快。雙積分型A-D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒；逐次比較型A-D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；并行比較型A-D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒。3.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差表示A-D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差≤

，就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。7.2D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.4集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹1.ADC0809電路結(jié)構(gòu)和引腳功能7.2D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.4集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹1.ADC0809電路結(jié)構(gòu)和引腳功能IN0～I(xiàn)N7：8路模擬輸入信號送入端。ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道選擇地址信號。D7～D0：A-D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出。VREF(+)、VREF(-)：正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。單極性輸入時，VREF(+)=5V，VREF(-)=0V；雙極性輸入時，VREF(+)、VREF(-)分別接正、負(fù)極性的參考電壓。ALE：地址鎖存允許信號端，高電平有效。START：A-D轉(zhuǎn)換啟動信號端，正脈沖有效。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時又接到新的啟動脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端，高電平有效。OE：輸出允許信號端，高電平有效。7.2D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.4集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹1.ADC0809電路結(jié)構(gòu)和引腳功能7.2D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)

7.1.4集成D-A轉(zhuǎn)換器器件介紹2.ADC0809工作太多和使用說明ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入通道地址鎖存器中，此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動A-D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A-D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A-D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。模擬輸入通道的選擇可以相對于轉(zhuǎn)換開始操作獨(dú)立地進(jìn)行，當(dāng)然，不能在轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行。然而通常是把通道選擇和啟動轉(zhuǎn)換結(jié)合起來完成，因為ADC0809的時間特性允許這樣做。1.訓(xùn)練目的2.設(shè)備與器件1)了解D-A和A-D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)。2)掌握大規(guī)模集成D-A和A-D轉(zhuǎn)換器的功能及其典型應(yīng)用。5V、15V直流電源，雙蹤示波器，連續(xù)脈沖器，單次脈沖器，邏輯電平開關(guān)，邏輯電平顯示器，直流數(shù)字電壓表，DAC0832，ADC0809，μA741，電位器、電阻、電容若干。3.訓(xùn)練原理(1)DAC0832的應(yīng)用電路DAC0832輸出的是電流，要轉(zhuǎn)換為電壓，還必須經(jīng)過一個外接的運(yùn)算放大器，最簡單的連接電路如圖7-11所示。7.3ADC0809和DAC0832的使用練習(xí)7.3ADC0809和DAC0832的使用練習(xí)圖7-11DAC0832應(yīng)用電路電路接成直通方式，

接地；

接地；

接地；

接地；ALE、VCC、VREF接5V電源；運(yùn)放電源接±15V。7.3ADC0809和DAC0832的使用練習(xí)(2)ADC0809的應(yīng)用電路ADC0809的應(yīng)用電路如圖7-12所示。8路輸入模擬信號1～4.5V，由5V電源經(jīng)電阻R分壓組成。圖7-12ADC0809應(yīng)用電路4.訓(xùn)練內(nèi)容(1)DAC0832的使用練習(xí)

按圖7-11連接訓(xùn)練電路，D0～D7

接邏輯開關(guān)的輸出插口，輸出端uo接直流數(shù)字電壓表。1)調(diào)零。令D0～D7

全置零，調(diào)節(jié)運(yùn)放的電位器使μA741輸出為零。2)按表7-2所列的輸入數(shù)字信號，用數(shù)字電壓表測量運(yùn)放的輸出電壓uo，并將測量結(jié)果填入表中，并與理論值進(jìn)行比較。7.3ADC0809和DAC0832的使用練習(xí)(2)ADC0809的使用練習(xí)

1)按圖7-12連接訓(xùn)練電路，接通電源后，在啟動端（START）加一正單次脈沖，下降沿一到即開始A-D轉(zhuǎn)換。2)按表7-3的要求觀察，記錄IN0～I(xiàn)N7

八路模擬信號的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果換算成十進(jìn)制數(shù)表示的電壓值，并與數(shù)字電壓表實測的各路輸入電壓值進(jìn)行比較，分析誤差原因。7.3ADC0809和DAC0832的使用練習(xí)表7-2DAC0832測試結(jié)果輸入數(shù)字量輸出模擬量uo/VD7D6D5D4D3D2D1D0VCC＝5V000000000000000100000010000001000000100000010000001000000100000010000000111111117.3ADC0809和DAC0832的使用練習(xí)表7-3ADC0809測試結(jié)果被選模擬通道輸

入模擬量地

址輸

出

數(shù)

字

量INui（V）A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0十進(jìn)制IN04.5000IN14.0001IN23.5010IN33.0011