電子技術(shù)（第5版） 課件 10 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

2024-01-24第10章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

內(nèi)容提要本章討論數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理以及幾種常用的典型轉(zhuǎn)換電路，并就主要的應(yīng)用和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行介紹。2024-01-2410.1A/D轉(zhuǎn)換器10.2D/A轉(zhuǎn)換器2024-01-24

由傳感器、放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，它們不能直接送入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，為此，需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為模、數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模、數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，即ADC（AnalogDigitalConverrter）。有時(shí)還需要把處理后的數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為數(shù)、模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)、模轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器，即DAC（DigitalAnalogConverrter）。

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10.1A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，就位數(shù)來(lái)分，有8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高，其分辨率就越高，與D/A轉(zhuǎn)換器一樣，其型號(hào)很多，在精度、速度和價(jià)格上也千差萬(wàn)別。就A/D轉(zhuǎn)換器的變換原理可分為兩大類(lèi)：逐次逼近型和雙積分型，這里介紹逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。2024-01-24

10.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器要實(shí)現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，通常要經(jīng)過(guò)4個(gè)步驟：采樣、保持、量化和編碼，如圖10.1所示。一般前兩步由采樣保持電路完成，量化和編碼由A/D完成。圖10.1A/D轉(zhuǎn)換原理框圖2024-01-24

1.采樣和保持所謂采樣，就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散變化的數(shù)字量。模擬信號(hào)的采樣過(guò)程如圖10.2（a）、（b）所示，其中ui（t）為輸入模擬信號(hào)，uo（t）為輸出模擬信號(hào)。它相當(dāng)于每隔時(shí)間T采樣開(kāi)關(guān)閉合

時(shí)間，一般T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

，若

≈0，稱(chēng)為理想采樣。采樣的寬度往往是很窄的，而每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣以后，必須把采樣電壓保持一段時(shí)間以保證采樣過(guò)程的實(shí)施。通常將需要的采樣結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，直到下次采樣到來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)做保持。保持信號(hào)波形us(t)如圖10.2（c）所示。2024-01-24

圖10.2信號(hào)的采樣和保持過(guò)程2024-01-24

2.量化和編碼所謂量化，就是把采樣電壓轉(zhuǎn)化為某個(gè)最小單位電壓

的整數(shù)倍的過(guò)程。分成的等級(jí)叫做量化級(jí)，

稱(chēng)為量化單位。所謂編碼，就是用二進(jìn)制代碼來(lái)表示量化后的量化電平。顯然，數(shù)字信號(hào)最低有效位（LSB）的1所代表的數(shù)量大小就等于

。采樣后的數(shù)值不可能剛好是某個(gè)量化基準(zhǔn)值，總有些偏差，這個(gè)偏差稱(chēng)為量化誤差。顯然，量化級(jí)越細(xì)，量化誤差就越小，但所用的二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多。同時(shí)，采用不同的量化等級(jí)進(jìn)行量化時(shí)，可能產(chǎn)生不同的量化誤差。2024-01-24

例如把（0～+1）V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼，則最簡(jiǎn)單的方法是取

=1/8V，并規(guī)定凡數(shù)值在（0～1/8）V之間的模擬電壓量化時(shí)都當(dāng)作0·

，用二進(jìn)制數(shù)000表示；凡數(shù)值在（1/8～2/8）V之間的模擬電壓都當(dāng)作1·

對(duì)待，用二進(jìn)制001表示，依次類(lèi)推，（7/8～1）V之間的模擬電壓則當(dāng)作7·

，如圖10.3所示。不難看出，這種量化方法可能帶來(lái)的最大量化誤差可達(dá)

，即1/8V。這樣，采樣的模擬電壓經(jīng)過(guò)量化編碼電路后就轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。2024-01-24圖10.3量化電平及量化誤差2024-01-24

10.1.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器可以用圖10.4所示的原理框圖來(lái)描述。其基本工作原理敘述為：轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui＜uo，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；若ui＞uo，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。2024-01-24

顯然，其工作過(guò)程可與天平稱(chēng)重物類(lèi)比，并得到解釋。圖中的電壓比較器相當(dāng)于天平，被測(cè)模擬電壓輸入ui相當(dāng)于重物，基準(zhǔn)電壓Vref相當(dāng)于電壓砝碼，且電壓砝碼具有按8421編碼遞進(jìn)的各種規(guī)格。根據(jù)ui＜Vref或ui＞Vref，比較器有不同的高低電平輸出，從而輸出由大到小的基準(zhǔn)電壓砝碼，與被測(cè)模擬輸入電壓ui比較，并逐次減小其差值，使之逼近平衡。當(dāng)ui=Vref，比較器輸出為零，相當(dāng)于天平平衡，最后以數(shù)字顯示的平衡值即為被測(cè)電壓值。2024-01-24圖10.4逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖2024-01-24

10.1.3集成ADC0809簡(jiǎn)介ADC0809是一種采用CMOS工藝制成的8路模擬輸入的8位逐次逼近型ADC，它由單一+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬開(kāi)關(guān)，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100

s，其原理框圖如圖10.5所示。2024-01-24圖10.5ADC0809的原理框圖2024-01-24

ADC0809的符號(hào)圖如10.6所示，各端子的功能如下：IN-0~IN-7——8路模擬量輸入端。ADD-C，ADD-B，ADD-A——地址線，ADD-C為最高位，根據(jù)其值選擇一路輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ALE——地址鎖存允許信號(hào)輸入端，高電平有效。START——A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端，當(dāng)其為高電平時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)換。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。2024-01-24

REF（+）——基準(zhǔn)電壓正極，為5V。REF（

）——基準(zhǔn)電壓負(fù)極，為0V。D0～D7——8位數(shù)字輸出端。CLOCK——時(shí)鐘信號(hào)輸入端，時(shí)鐘頻率不應(yīng)高于100kHz。ENABLE——輸出允許端，它控制ADC內(nèi)部三態(tài)輸出緩沖器。當(dāng)其為0時(shí)，輸出為高阻態(tài)，當(dāng)其為1時(shí)，允許緩沖器中的數(shù)據(jù)輸出。2024-01-24圖10.6ADC0809符號(hào)圖2024-01-24

10.1.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率與量化誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2-8＝20mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2-12≈1.22mV。量化誤差則是由于A/D轉(zhuǎn)換器分辨率有限而引起的誤差，其大小通常規(guī)定為±（1/2）LSB。該量反映了A/D轉(zhuǎn)換器所能辨認(rèn)的最小輸入量，因而量化誤差與分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率可減小量化誤差。LSB是指最低一位數(shù)字量變化所帶來(lái)的幅度變化。2024-01-24

2.線性誤差線性誤差是指實(shí)際的輸出特性曲線偏離理想直線的最大偏移值。3.轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度可用絕對(duì)精度和相對(duì)精度來(lái)描述。絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器在其整個(gè)工作區(qū)間理想值與實(shí)際值之間的最大偏差。它包括量化誤差、偏移誤差和線性誤差等所有誤差。相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)（%）表示。

4.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。這是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。產(chǎn)品手冊(cè)一般給出轉(zhuǎn)換速度。一般情況下，轉(zhuǎn)換速度越高，價(jià)格越貴，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和價(jià)格來(lái)選擇器件。2024-01-24

10.2D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（電壓或電流信號(hào)）。D/A轉(zhuǎn)換器種類(lèi)很多，按工作原理可分為T(mén)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；按工作方式可分為電壓相加型D/A轉(zhuǎn)換器及電流相加型D/A轉(zhuǎn)換器；按輸出電壓極性又可分為單極性D/A轉(zhuǎn)換器和雙極性D/A轉(zhuǎn)換器。雖然D/A轉(zhuǎn)換器的芯片和種類(lèi)很多，但根據(jù)工作原理，其總體結(jié)構(gòu)基本相同。在這里通過(guò)介紹常用的T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)明DAC的基本工作原理。2024-01-24

10.2.1T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成圖10.7所示的是4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，它是由2R和R兩種規(guī)格的電阻組成，故常稱(chēng)為R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。它的特點(diǎn)是，網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)（A,B,C,D）向左、向右、向下看進(jìn)去的等效電阻都為2R（注意N點(diǎn)為虛地）。S0,S1,S2,S3是4個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，用于表示數(shù)字信號(hào)d0,d1,d2,d3情況，當(dāng)開(kāi)關(guān)接到電源上，表示對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)di為“1”；當(dāng)開(kāi)關(guān)接地，表示對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)di為“0”。2024-01-24

圖10.74位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

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2．工作原理當(dāng)S0單獨(dú)接電源+UREF時(shí)，即：d0=1，d1=0，d2=0，d3=0，根據(jù)電路的特點(diǎn)，可以得到相應(yīng)的等效電路如圖10.8所示。根據(jù)電路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)向右看進(jìn)去的等效電阻為2R，具有均分電流的作用，同時(shí)，由虛地概念，從等效電路可以看出，，這樣可以得到，從而有。同理可以得到，當(dāng)S1,S2,S3分別單獨(dú)接電源+UREF時(shí)，DAC的相應(yīng)輸出為：，，2024-01-24圖10.8S0單獨(dú)接電源的等效電路2024-01-24

由于當(dāng)Si開(kāi)關(guān)接電源表示“1”，接地表示“0”，也就是di=“1”或“0”，當(dāng)所有開(kāi)關(guān)接“1”或“0”時(shí)，根據(jù)疊加原理，D/A的輸出電壓可以表示：即：

假設(shè)有N位T型網(wǎng)絡(luò)電阻D/A，則相應(yīng)的輸出為：

顯然，輸出的模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。2024-01-24

3.集成DAC0832簡(jiǎn)介DAC0832是用CMOS工藝制成的雙列直插式8位DAC芯片，可直接與8080、8084、8085及其它微處理器接口。它有兩級(jí)緩沖寄存器（簡(jiǎn)稱(chēng)緩存），能方便地應(yīng)用于多個(gè)DAC同時(shí)工作的場(chǎng)合，其原理框圖如圖10.9所示。2024-01-24圖10.9DAC0832原理框圖2024-01-24

（1）引線端子功能。DAC0832的符號(hào)如圖10.10所示，各端子的功能如下：DI0~DI7——8位數(shù)字輸入端。——片選端，輸入寄存器選通信號(hào)，低電平有效?！獙?xiě)選通端，輸入寄存器寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。ILE——允許鎖存端，輸入寄存器鎖存信號(hào)，高電平有效。ILE與和共同控制輸入寄存器選通，當(dāng)=0，ILE=1時(shí)，才能將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器中，否則寄存器鎖存數(shù)據(jù)?！獢?shù)據(jù)傳送控制端，低電平有效，控制選通DAC寄存器。2024-01-24圖10.10DAC0832的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路2024-01-24

——寫(xiě)選通端，即DAC寄存器寫(xiě)信號(hào)，低電平有效，當(dāng)和同時(shí)有效時(shí)，將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入DAC寄存器。

Uref——基準(zhǔn)電壓輸入端（

10~+10V）。Rfb——外接反饋電阻端。Iout1——DAC模擬電流輸出1。Iout2——DAC模擬電流輸出2，Iout1+Iout2=常數(shù)。UCC——電源輸入端（+5~+15V）。AGND——模擬地。DGND——數(shù)字地。使用時(shí)，將系統(tǒng)所有模擬地和系統(tǒng)所有數(shù)字地，分別接AGND和DGND后，再就近接到電源地。2024-01-24

（2）工作方式。①直通方式。當(dāng)====0，ILE=1時(shí)，寄存器處于“直通”狀態(tài)，數(shù)據(jù)同時(shí)直接寫(xiě)入兩級(jí)寄存器，直接輸入DAC轉(zhuǎn)換輸出。②單緩沖方式。當(dāng)===0，ILE=1時(shí)，若=1，數(shù)據(jù)鎖存，模擬輸出不變；若=0，模擬輸出更新。③雙緩沖方式。分別控制兩級(jí)寄存器，實(shí)現(xiàn)兩次鎖存緩沖，可以同時(shí)接收兩組數(shù)據(jù)，以提高轉(zhuǎn)換速度。2024-01-24

（3）典型應(yīng)用。DAC0832轉(zhuǎn)換用的是倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖10.7所示，而DAC0832芯片中無(wú)運(yùn)算放大器，因此需外接運(yùn)算放大器。圖10.10所示是一個(gè)DAC0832的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路。當(dāng)=0，ILE=1時(shí)，在輸入鎖存控制端（）加一個(gè)負(fù)脈沖，輸入寄存器就可接收并鎖存輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)=0，在D/A啟動(dòng)控制端（）加一個(gè)負(fù)脈沖，輸入寄存器的數(shù)據(jù)就傳送到DAC寄存器，同時(shí)啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。運(yùn)算放大器A將DAC的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，RP則是用來(lái)調(diào)節(jié)這個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)（即互阻增益）的，具體調(diào)節(jié)時(shí)，是在輸入最大時(shí)輸出電壓達(dá)到滿度，所以又叫滿度調(diào)節(jié)。2024-01-24

10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)不同制造廠家給出的D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)以及對(duì)某些參數(shù)的定義有所不同，本節(jié)介紹一些共同采用的主要參數(shù)。1.分辨率分辨率指的是最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。它反映了數(shù)字量在最低位上變化1時(shí)輸出模擬量的最小變化量。其中最小輸出電壓對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”，最大輸出電壓對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字信號(hào)為所有有效位全為“1”。對(duì)于8位D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，分辨率為最大輸出幅度的0.39%，即為1/255；在10位D/A轉(zhuǎn)換器中，分辨率可以提高到0.1%，即

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另外，由于輸出電壓是根據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的位數(shù)按位權(quán)決定，故常用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示分辨率，如8位、10位等。因此，分辨率表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。然而，由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)、性能和理論值之間不可避免地存在差異，所以實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度低于理論值，由各種因數(shù)引起的轉(zhuǎn)換誤差決定轉(zhuǎn)換精度。2024-01-24

2.線性誤差與A/D一樣，線性誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際轉(zhuǎn)移特性與理想直線之間的最大誤差或最大偏移。一般情況下，偏差值應(yīng)小于±1/2LSB。3.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度以最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。這個(gè)轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)包含非線性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等綜合誤差。2024-01-24

4．轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度指的是每秒鐘可以轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。通常用建立時(shí)間tset來(lái)描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建立時(shí)間tset的定義：從輸入數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，