第7章-數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、自動測試設(shè)備、醫(yī)療信息處理、電視信號的數(shù)字化、圖像信號的處理和識別、數(shù)字通信和語音信息處理等方面，都離不開數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單元導(dǎo)讀：理解D/A轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和基本電路。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：了解D/A轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換的基本原理；D/A轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際應(yīng)用。第7章

數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

數(shù)字信號處理系統(tǒng)首先將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為一系列離散的電平值。這些電平值隨模擬信號變化而發(fā)生變化，其形狀呈階梯狀。7.1

數(shù)字信號處理基礎(chǔ)原始模擬信號(正弦波)及其階梯狀逼近

能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；它是模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。

能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。7.2A/D轉(zhuǎn)換器并行比較型A/D轉(zhuǎn)換電路，由電阻分壓器、電壓比較器及編碼器組成。分壓器用于確定量化電平，比較器用來確定模擬抽樣電平的量化并產(chǎn)生數(shù)字量輸出。編碼器對比較器的輸出進(jìn)行編碼并輸出二進(jìn)制碼。如圖所示是三位并行比較型ADC電路框圖，圖中未畫出抽樣–保持電路，圖中的輸入電壓ui則為抽樣–保持電路的輸出電壓。7.2.1

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入電壓ui和比較器的狀態(tài)，列出比較器輸入、輸出狀態(tài)表。

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路由三位D/A轉(zhuǎn)換器、三位逐次逼近寄存器FFA、FFB、FFC、FF1~FF5(接成環(huán)行移位寄存器)、電壓比較器及相應(yīng)的控制邏輯電路組成。

一個(gè)n位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換要進(jìn)行n次比較，該電路轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路要低，屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器。不過逐次逼近型電路簡單、成本較低、準(zhǔn)確度高，易于集成，所以在十六位以下的A/D轉(zhuǎn)換器中運(yùn)用很多。7.2.2

逐次逼近型ADC

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器電路

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是由積分器A1、檢零比較器A2、計(jì)數(shù)器和定時(shí)觸發(fā)器FFn組成，其中基準(zhǔn)電壓UREF的極性與輸入模擬電壓的極性相反。

實(shí)際上，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，能根據(jù)輸入電壓ui的極性，自動改變基準(zhǔn)電壓UREF的極性，保證取樣階段與比較階段積分器輸出電壓極性相反。

7.2.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理圖一、分辨率

二、相對精度三、轉(zhuǎn)換速度

7.2.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)7.3

數(shù)字信號處理器(DSP)

DSP(數(shù)字信號處理器)本質(zhì)上是一種專門處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的微處理器，主要用于處理代表模擬信號的數(shù)據(jù)。像一般的微處理器一樣，DSP有CPU、存儲單元以及許多接口功能。

DSP應(yīng)用很廣，它是數(shù)字信號處理系統(tǒng)的心臟。其輸入源自ADC，輸出至DAC，如圖所示。DSP有一個(gè)數(shù)字輸入，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字輸出

D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性

將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。7.4D/A轉(zhuǎn)換器基本原理轉(zhuǎn)換特性

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖中，D3D2D1D0是輸入的四位二進(jìn)制數(shù)。它們控制著4個(gè)電子模擬開關(guān)S3S2S1S0。4個(gè)電阻20R、21R、22R、23R組成權(quán)電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)；運(yùn)算放大器完成求和運(yùn)算；uo是輸出模擬電壓；UREF是基準(zhǔn)電壓。

開關(guān)Si受輸入數(shù)字信號Di控制，如D2=0，即低電平時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)S2接通上端，與地連接，此時(shí)沒有7.4.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電流流入外接的運(yùn)算放大器中；當(dāng)D2=1為高電平時(shí)，相應(yīng)開關(guān)S2接通下端的觸點(diǎn)，電流I2流入外接的運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖

由上式可知，運(yùn)算放大器將流向虛地點(diǎn)的各權(quán)電阻電流求和后再轉(zhuǎn)換模擬電壓，其運(yùn)算放大器的輸出電壓為：

根據(jù)運(yùn)算放大器虛地的概念，如果S0~S3都接通下端的觸點(diǎn)，則流入運(yùn)算放大器虛地點(diǎn)的總電流為：

T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路，是一種應(yīng)用較為廣泛的DAC電路，輸入量為D0

D1D2

D3，UREF為參考電壓，S0~S3為電子模擬開關(guān)，當(dāng)D3=1時(shí)，S3接到UREF；當(dāng)D3=0時(shí)，S3接地。即D3

D2

D1

D0=1000時(shí)，在AB端所提供的電壓將為(UREF/21)，從AB端向左看進(jìn)去的內(nèi)阻都是R。7.4.2T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器依此類推，當(dāng)D3D2D1D0=0001、0010和0100時(shí)，根據(jù)疊加定理將這些電壓分量進(jìn)行疊加，經(jīng)運(yùn)算放大器后，輸出模擬電壓為：由上式看出：模擬電壓uO與輸入的數(shù)字信號成正比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。但此電路在動態(tài)過程中，輸出的模擬電壓的瞬時(shí)值有可能比穩(wěn)態(tài)值大得多，引起較大的動態(tài)誤差。T型電阻網(wǎng)絡(luò)

這個(gè)電路的特點(diǎn)是速度比較快，目前在D/A轉(zhuǎn)換器中被廣泛采用。7.4.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

DAC測試模型如圖所示。其基本內(nèi)容是，輸入二進(jìn)制編碼序列并觀察輸出結(jié)果。其中，二進(jìn)制編碼序列遍歷其全部可能的取值(從0到2n-1，n是位數(shù))。

理想情況下，輸出為直線階梯狀波形。隨著二進(jìn)制編碼位數(shù)的增加，輸出逼近于線性直線斜坡信號。7.5D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用一、D/A轉(zhuǎn)換器功能測試

1.DAC0832

DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工藝制成的雙列直插式單片8位DAC，可以直接與280、8080、8085、MCS51等微處理器相連接。

DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。采用的是倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，無運(yùn)算放大器，是電流輸出，使用時(shí)需外接運(yùn)算放大器。芯片中已經(jīng)設(shè)置了RFB，只要將管腳9接到運(yùn)算放大器輸出端即可。但如果運(yùn)算放大器增益不夠，還需外接反饋電阻。各引腳的名稱和功能如下：：片選信號，輸入低電平有效。

ILE：輸入鎖存選通信號，輸入高電平有效。

：輸入數(shù)據(jù)選通信號，輸入低電平有效。

：數(shù)據(jù)傳送選通信號，輸入低電平有效。

：數(shù)據(jù)傳送控制信號，輸入低電平有效。

D0~D7：8位輸入數(shù)據(jù)信號。

I01、I02：DAC輸出電流端。此輸出信號作為運(yùn)算放大器的一個(gè)差分輸入信號(通常接反、同相端)。

VCC：數(shù)字部分的電源輸入端。VCC可在+5V到+15V范圍內(nèi)選取。DGND：數(shù)字信號地。AGND：模擬信號地。

DAC0832引腳排列圖

照圖接線。這是不采用緩沖鎖存器的直接交換法。先將輸入端置0，并調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的調(diào)零電位器，使輸出電壓uO為0，即完成調(diào)零。然后，從輸入端最低位起，逐位置1，測量輸出模擬電壓uO，記錄并填寫表中。DAC0832性能測試接線圖D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果對照表

2.AD7524

AD7524是CMOS低功耗(20mW)通用型8位并行DAC，圖(a)、(b)分別是它的引腳排列圖和結(jié)構(gòu)框圖，表是其引腳說明。AD7524引腳說明(功能表)

AD7524實(shí)用電路中，CF353為雙運(yùn)算放大器，電源電壓±18V，邏輯開關(guān)S7~S0接至AD7524的數(shù)據(jù)輸入端d7~d0，開關(guān)S8、S9分別接至AD7524的片選端與寫信號輸入端。

檢查電路連接無誤后，接通電源。按表7.4輸入數(shù)字量d7~d0，用數(shù)字電壓表測量輸出電壓uO，并與理論值比較。AD7524實(shí)用電路CF353引腳圖

試用AD7524構(gòu)成CPU多路D/A輸出接口電路。進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，首先由CPU輸出地址碼，經(jīng)8205譯碼，選中一片AD7524，此時(shí)CPU輸出=0，由CPU同時(shí)輸出的8路數(shù)據(jù)AD0~AD7，經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB送入所選中的AD7524，完成D/A轉(zhuǎn)換。

AD7524構(gòu)成多路輸出

1.增益可編程放大器

圖中，輸入模擬電壓接到AD7524的基準(zhǔn)電壓端，則構(gòu)成電壓放大電路，它的電壓放大倍數(shù)Au=uO/ui，由數(shù)碼輸入端d7~d0的值決定，故構(gòu)成增益可編程放大器。二、AD7524的應(yīng)用

2.波形發(fā)生器

如圖所示，74LS161中的Q3、Q2、Q1、Q0分別與AD7524的數(shù)碼輸入端d7、d6、d5、d4連接。故輸出模擬電壓的值也發(fā)生周期性的變化，構(gòu)成波形發(fā)生器。

測試ADC中使用了DAC，用于將ADC輸出轉(zhuǎn)換回模擬形式，并和模擬輸入進(jìn)行比較。

測試采用的輸入信號通常是斜坡信號。將該信號加到ADC的輸入端，再將所得的二進(jìn)制輸出序列輸入到DAC測試單元，轉(zhuǎn)換為階梯狀斜坡信號。再將輸入和輸出進(jìn)行比較，檢查是否有明顯偏差。7.6A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用7.6.1A/D轉(zhuǎn)換器功能測試

ADC0809是常見的集成ADC。它是采用CMOS工藝制成的8位八通道單片A/D轉(zhuǎn)換器，屬于逐次逼近型ADC，適用于分辨率較高而轉(zhuǎn)換速度適中的場合。一、ADC0809

ADC0808/0809引腳排列與結(jié)構(gòu)框圖

各引腳的名稱及功能如下：

IN0~IN7：8路單端模擬輸入電壓的輸入端。

UREF+、UREF-：基準(zhǔn)電壓的正、負(fù)極輸入端。輸入基準(zhǔn)電壓，其中心點(diǎn)應(yīng)在附近，偏差不應(yīng)超過0.1V。

START：啟動脈沖信號輸入端。當(dāng)需啟動A/D轉(zhuǎn)換過程時(shí)，在此端加一個(gè)正脈沖，脈沖的上升沿將所有的內(nèi)部寄存器清零，下降沿時(shí)開始A/D轉(zhuǎn)換過程。

A、B、C：模擬輸入通道的地址選擇線。

ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。當(dāng)ALE=1，將地址信號有效鎖存，并經(jīng)譯碼器選中其中的一個(gè)通道。

CP：時(shí)鐘脈沖輸入端(或CLK：時(shí)鐘輸入)。

D7~D0：轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼輸出線，D7為高位，D0為低位。

OE：輸出允許信號，高電平有效。在START信號上升沿之后1~8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，EOC信號輸出變?yōu)榈碗娖剑瑯?biāo)志轉(zhuǎn)換器正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，所得數(shù)據(jù)可以讀出時(shí)，EOC變?yōu)楦唠娖?，作為通知接受?shù)據(jù)的設(shè)備取用該數(shù)據(jù)的信號。

EOC：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出。

按圖接線，在ADC0809的D7~D0、EOC分別接發(fā)光二極管，A、B、C接邏輯開關(guān)，IN0接不同的電壓，CP接頻率大于1kHz的時(shí)鐘脈沖，START、ALE接單次脈沖。

先將A、B、C設(shè)定為000，然后按一次START、ALE單次脈沖，IN0輸入端的數(shù)據(jù)被送入，轉(zhuǎn)換開始。讀輸出并記錄結(jié)果。同理，A、B、C依次設(shè)定為001~111，記錄結(jié)果。二、靜態(tài)測試

把頻率為1kHz、幅度為5V的方波信號直接接到輸入端，觀察輸出的變化。

把頻率為1kHz、幅值為5V的方波信號直接輸入IN0，A、B、C設(shè)置為000，然后按一次START、ALE單次脈沖，IN0輸入端的數(shù)據(jù)被送入，轉(zhuǎn)換開始。觀察發(fā)光二極管的輸出變化。問題與討論：

1.比較理論值與實(shí)際值之間的誤差，并分析原因。

2.若模擬電壓輸入大于5V，電路應(yīng)如何連接？三、動態(tài)測試

參考電路如圖所示。檢查電路連接無誤后，接通電源。按表輸入電壓uIN0，將對應(yīng)D7~D0狀態(tài)填入表中，并與理論計(jì)算值比較。7.6.2A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用一、ADC測試測試電路的輸入模擬電壓由電源電壓通過分壓得到。

調(diào)整RW2可設(shè)置ADC的滿量程輸入電壓。為了設(shè)置模擬輸入電壓UIN，則須調(diào)整RW1，電壓變化范圍為0~