數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換器

1、 8.1 概述概述 8.2 數(shù)數(shù)/模（模（D/A）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器 8.3 模模/數(shù)（數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器 退退 出出第第8單元單元 數(shù)數(shù)/模、模模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 學(xué)習(xí)要求 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作原理；R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理；逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的工作原理； 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的主要參數(shù)； 掌握常用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的使用方法。 8.18.1概述概述 感官和器件接觸和接收的是模擬信號(hào)，在存儲(chǔ)在傳送中使用的是數(shù)字信號(hào)。 把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模（D /A）轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱為DAC。 把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號(hào)的電路稱為模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)

2、稱為ADC。利用D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)想一想：你身邊有哪些電子產(chǎn)品內(nèi)需要A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器？ 檢測(cè)電路模擬電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字電路或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換喇叭、顯像管等聲音、圖像等利用D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的系統(tǒng) 模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)8. .2 數(shù)數(shù)/模（模（D/A）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器 8.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理 對(duì)于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相對(duì)于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的應(yīng)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，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字/ /模擬轉(zhuǎn)換。模擬轉(zhuǎn)換。D/A

3、轉(zhuǎn)換器DDD01n-1.vo輸入輸出01234567001010011100101110111vo/VD0001R-2R倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 所以，無論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地）。 當(dāng)Di=1時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。 822 電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622模擬開關(guān)數(shù)碼 從任一端口左邊往右看，對(duì)地電阻都為R，每一端口都可以看作兩路分流，所

4、以，越往右后電流越小。 節(jié)點(diǎn)對(duì)地等效電阻 基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流: I=VREF/R，流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為 I/2、I/4、I/8、I/16。分析計(jì)算：分析計(jì)算：)21212121(041322310123DDDDRVIIIIIREF流入運(yùn)算放大器反相端的總電流I為: 運(yùn)算放大器的輸出電壓為 :)2D2D2D2D(R2VRIRu001122334REFff0 上式括號(hào)內(nèi)為n位二進(jìn)制數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值，可用NB表示。如果使式中Rf=R，則上式可以改寫為:BnREF0N2Vu 將數(shù)碼推廣到n位的情況，可得出輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的一般表達(dá)式: )222(20022110DDDRRVIR

5、unnnnnfREFREFf分析計(jì)算：分析計(jì)算：2D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 n按輸出方式分有：數(shù)字電流型和數(shù)字電壓型。n數(shù)字電流型要加一個(gè)電壓放大器。n按輸出極性分有：?jiǎn)螛O性（只有負(fù)電壓或只有正電壓）和雙極性（從負(fù)電壓變化正到正電壓）。1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 3DAC的主要性能指標(biāo)的主要性能指標(biāo) （2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差。比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差。 此外，也可用此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓(數(shù)字量：數(shù)字量：00000001)與最大輸出電壓與最大輸出電壓(數(shù)字量：全數(shù)字量：全1）之比來表示分）之比來表示分辨率，

6、辨率，N位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為 1/（2n-1）。）。（1）分辨率）分辨率D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。級(jí)數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位數(shù)表示常用數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。轉(zhuǎn)換器的分辨率。最小最小 vO= - KNB = - K1 最大最大 vO= - KNB = - K(2n-1)vO= - KNB)2(10BiniiDN2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度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?cè)谳斎氩蛔兊那闆r下，輸

7、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化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速率（）轉(zhuǎn)換速率（SR）在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變?cè)诖笮盘?hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率?；?。（1）建立時(shí)間（）建立時(shí)間（tset）當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1S。3. 溫度系數(shù)溫度系數(shù)4集成電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 DAC0832帶有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)緩沖寄存器，是一種單電源（+5+15V

8、）的CMOS型器件。其參考電壓VREF可在-9V+9V范圍內(nèi)選擇，轉(zhuǎn)換速度約為1s。 D/A轉(zhuǎn)換器在實(shí)際電路中應(yīng)用很廣，它不僅常作為接口電路用于微機(jī)系統(tǒng)，而且還可利用其電路結(jié)構(gòu)特征和輸入、輸出電量之間的關(guān)系構(gòu)成數(shù)控電流源、電壓源、數(shù)字式可編程增益控制電路和波形產(chǎn)生電路等。 DAC0832的功能示意圖和外引線圖下圖是一個(gè)單極性電壓輸出的電路原理圖，根據(jù)數(shù)字量轉(zhuǎn)換，得到的輸出電流Iout1通過運(yùn)算放大器的反饋電阻 流向放大器的輸出端，其輸出電壓為 。 FBROUT1FB-IR數(shù)字輸入下圖是一個(gè)雙極性電壓輸出電路原理圖，其輸出電壓OUTREFBV=V(N -128)/128數(shù)字輸入DAC0832的應(yīng)

9、用電路想一想：要求輸出電壓的最大值為10V，分辨率為10mV，則最少應(yīng)選用多少位的DAC？ 8.2.2 一位D/A轉(zhuǎn)換器 一位D/A轉(zhuǎn)換器：把數(shù)字量的大小轉(zhuǎn)換成不同脈沖寬度或不同脈沖頻率的一種轉(zhuǎn)換器。 一位（bit）數(shù)模轉(zhuǎn)換器由于電路簡(jiǎn)單、失真小、內(nèi)置數(shù)字濾波器，可以提高輸出模擬信號(hào)的信噪比等原因，在音頻DAC中應(yīng)用得非常多。 一位D/A轉(zhuǎn)換波形圖 由于由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：轉(zhuǎn)換過程為： 取樣、保持、量化和編碼。取樣、保持、量化和編碼。如圖所示。如圖所示。 83 模模/數(shù)（數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器 8.3.1

10、 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理1A/D轉(zhuǎn)換原理 模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)采樣保持量化編碼D/A轉(zhuǎn)換的信號(hào)處理過程 （1）采樣和保持）采樣和保持 采樣：把在時(shí)間上是連續(xù)的輸入模擬信號(hào)ui轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上是斷續(xù)的信號(hào)，輸出脈沖波的包絡(luò)仍反映輸入信號(hào)幅度的大小。 取樣定理，采樣信號(hào)的頻率fs和輸入模擬信號(hào)的最高頻率fimax之間必須滿足下述條件:fs2fimax 因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間。（2）量化和編碼）量化和編碼 在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫

11、做量化單位，用S表示。 編碼是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)，對(duì)同一正弦波，若S越小，誤差將越小，編碼時(shí)所需二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，對(duì)器件要求也越高。 2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。（1）分辨率）分辨率 例如，相對(duì)誤差例如，相對(duì)誤差LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和，就表明實(shí)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(gè)字

12、。個(gè)字。轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差它表示它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。（2）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度可用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示可用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示, ,指從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)指從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。 并行比較并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器次之；間接換器次之；間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。轉(zhuǎn)換器的速度最慢。（2）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度3A/D轉(zhuǎn)換器的

13、分類、特點(diǎn)及應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用 可分成并行比較型、逐次逼近型和積分型 A/D轉(zhuǎn)換器的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用分類特點(diǎn)應(yīng)用并行比較型速度最快，但設(shè)備成本較高，精度也不易做高數(shù)字通信技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐次逼近型工作速度中等，精度也較高，成本較低中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)積分型精度可以做得很高，抗干擾性能很強(qiáng)，速度很慢數(shù)字儀表（數(shù)字萬(wàn)用表、高精度電壓表）和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)832 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 ：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 無效無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物

14、的重量：有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：原理框圖原理框圖（1）清零 （2）觸發(fā)轉(zhuǎn)換過程（3）等待轉(zhuǎn)換過程的結(jié)束（4）讀取數(shù)字信號(hào)結(jié)果 脈沖uiuAEOC啟動(dòng)脈沖數(shù)字量輸出待轉(zhuǎn)換電壓輸入順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器數(shù) / 模轉(zhuǎn)換電 壓 比較器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖電壓值和過程分析假設(shè)該A/D轉(zhuǎn)換器所用D/A轉(zhuǎn)換最大輸出電壓為1.0V，設(shè)輸入電壓為0.625V。3位數(shù)碼從左到右排列分別為高位、次高位、低位，若為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值如表:二進(jìn)制代碼“1”所在位置高位次高位低位相對(duì)應(yīng)電壓值（V）050.250.125逐次逼近過程發(fā)析如表: 即當(dāng)0.625V電壓輸入該D/A轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)輸出的

15、數(shù)字信號(hào)從最高位到最低位排列是101。 順序順序脈沖發(fā)生器數(shù)碼逐次逼近寄存器數(shù)碼uA（V）與輸入電壓比較結(jié)果比 較 后 逐次 逼 近 寄存 器 鎖 存結(jié)果（ 啟 動(dòng)脈沖）000000 時(shí) 鐘 脈沖11001000506250.5100時(shí) 鐘 脈沖21101100.750.6250.75100時(shí) 鐘 脈沖31111010.6250.625=0.625101時(shí) 鐘 脈沖4輸出EOC 輸 出 鎖 存結(jié)果1012集成A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （1） ADC0804引腳及使用說明 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 CS RD WR CLKIN

16、 INTR AGND DGND V CLKR D D D D D D D D IN+ IN- REF/2 V V V CC 0 1 2 3 4 5 6 7 ADC0804 100s 輸出 高阻 CS RD WR INTR 讀數(shù) 數(shù)據(jù) ADC0804引腳圖 ADC0804控制信號(hào)的時(shí)序圖 (2). ADC0804的典型應(yīng)用 在現(xiàn)代過程控制及各種智能儀器和儀表中，為采集被控（被測(cè)）對(duì)象數(shù)據(jù)以達(dá)到由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制的目的，常用微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單通道微機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖如圖: (3)串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832的應(yīng)用 本單元學(xué)習(xí)指導(dǎo) 把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路

17、稱為數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。它的主要指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器有電阻網(wǎng)絡(luò)和一位D/A轉(zhuǎn)換器。電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是把輸入數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)十進(jìn)制大小成正比的電壓或電流輸出。一位D/A轉(zhuǎn)換器則把是輸入數(shù)據(jù)量的大小轉(zhuǎn)換成脈寬的寬窄，然后通過低通濾波器取出與脈寬成正比的平均直流成分，得到模擬信號(hào)。本單元學(xué)習(xí)指導(dǎo) 把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路稱為模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。它的主要指標(biāo)有：分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換步驟是：采樣、保持、量化、編碼。在采樣時(shí)，采樣頻率fS和輸入信號(hào)最大頻率fimax之間的關(guān)系是：fS2fimax。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要有并行比較型、逐次逼近型和雙積

18、分型。電壓/頻率轉(zhuǎn)換和頻率/電壓轉(zhuǎn)換在某種意義上也是一種特殊的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。本章以專用V/F、F/V芯片LM331為例，說明如何進(jìn)行進(jìn)行V/F和F/V轉(zhuǎn)換。 實(shí)驗(yàn)八 D/A、A/D轉(zhuǎn)換 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 進(jìn)一步理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換的原理，轉(zhuǎn)換的方式及各自的特點(diǎn)。2了解D/A、A/D集成芯片的結(jié)構(gòu)、功能測(cè)試及應(yīng)用。 二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料 v1儀器： 示波器v2數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)箱v3材料：DAC0832 8bit D/A轉(zhuǎn)換 1片ADC0809 8bit 逐次漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器 1片LM324 通用運(yùn)算放大器 1片74LS74 雙D觸發(fā)器 1片74LS02四或非門 一片電阻：10k(2個(gè))按鈕開關(guān) 三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn) LM324工作時(shí)，VCC接+12V，GND接-12V。按圖接好線，檢查電路準(zhǔn)確無誤后接通電源。按表在DAC0832的信號(hào)輸入端D0D7利用電平輸出器輸入相應(yīng)的電路狀態(tài)，分別用電壓表測(cè)量各輸入情況下對(duì)應(yīng)下的模擬輸出電壓V0，并將測(cè)試結(jié)果輸入填入表中。然后將輸出電壓按序號(hào)填入測(cè)試波形圖中。 1D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn) O（V） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 序號(hào) D/A轉(zhuǎn)換器測(cè)試波形圖序號(hào) 數(shù)字輸入模擬電壓輸出D7D6D5D4D3D2D1D0 Vo(V)100000000200000001300000011400000111500001