電子技術（第5版） 課件 10 模擬量和數字量的轉換

2024-01-24第10章模擬量和數字量的轉換

內容提要本章討論數/模和模/數轉換的基本原理以及幾種常用的典型轉換電路，并就主要的應用和技術指標進行介紹。2024-01-2410.1A/D轉換器10.2D/A轉換器2024-01-24

由傳感器、放大電路輸出的信號是連續(xù)變化的模擬信號，它們不能直接送入數字系統(tǒng)進行處理，為此，需要把模擬信號轉換為數字信號，這個過程稱為模、數轉換，實現模、數轉換的電路稱為模/數轉換器，簡稱為A/D轉換器，即ADC（AnalogDigitalConverrter）。有時還需要把處理后的數字信號再轉換成模擬信號。把數字信號轉換為模擬信號的過程稱為數、模轉換，實現數、模轉換的電路稱為數/模轉換器，簡稱為D/A轉換器，即DAC（DigitalAnalogConverrter）。

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10.1A/D轉換器A/D轉換器的種類很多，就位數來分，有8位、10位、12位和16位等。位數越高，其分辨率就越高，與D/A轉換器一樣，其型號很多，在精度、速度和價格上也千差萬別。就A/D轉換器的變換原理可分為兩大類：逐次逼近型和雙積分型，這里介紹逐次逼近型A/D轉換器。2024-01-24

10.1.1A/D轉換器的基本原理A/D轉換器要實現將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數字量，通常要經過4個步驟：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轉換原理框圖2024-01-24

1.采樣和保持所謂采樣，就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉化為時間上離散變化的數字量。模擬信號的采樣過程如圖10.2（a）、（b）所示，其中ui（t）為輸入模擬信號，uo（t）為輸出模擬信號。它相當于每隔時間T采樣開關閉合

時間，一般T遠遠大于

，若

≈0，稱為理想采樣。采樣的寬度往往是很窄的，而每次把采樣電壓轉換為相應的數字量都需要一定的時間，所以在每次采樣以后，必須把采樣電壓保持一段時間以保證采樣過程的實施。通常將需要的采樣結果存儲起來，直到下次采樣到來，這個過程稱做保持。保持信號波形us(t)如圖10.2（c）所示。2024-01-24

圖10.2信號的采樣和保持過程2024-01-24

2.量化和編碼所謂量化，就是把采樣電壓轉化為某個最小單位電壓

的整數倍的過程。分成的等級叫做量化級，

稱為量化單位。所謂編碼，就是用二進制代碼來表示量化后的量化電平。顯然，數字信號最低有效位（LSB）的1所代表的數量大小就等于

。采樣后的數值不可能剛好是某個量化基準值，總有些偏差，這個偏差稱為量化誤差。顯然，量化級越細，量化誤差就越小，但所用的二進制代碼的位數就越多。同時，采用不同的量化等級進行量化時，可能產生不同的量化誤差。2024-01-24

例如把（0～+1）V的模擬電壓轉換成3位二進制代碼，則最簡單的方法是取

=1/8V，并規(guī)定凡數值在（0～1/8）V之間的模擬電壓量化時都當作0·

，用二進制數000表示；凡數值在（1/8～2/8）V之間的模擬電壓都當作1·

對待，用二進制001表示，依次類推，（7/8～1）V之間的模擬電壓則當作7·

，如圖10.3所示。不難看出，這種量化方法可能帶來的最大量化誤差可達

，即1/8V。這樣，采樣的模擬電壓經過量化編碼電路后就轉換成一組n位的二進制數輸出，這個二進制數就是A/D轉換的輸出結果。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轉換器逐次逼近比較式A/D轉換器可以用圖10.4所示的原理框圖來描述。其基本工作原理敘述為：轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數字為100…0。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＜uo，說明數字過大了，故將最高位的1清除；若ui＞uo，說明數字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經過比較確定這個1是否應該保留。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)就是所要求的數字量輸出。2024-01-24

顯然，其工作過程可與天平稱重物類比，并得到解釋。圖中的電壓比較器相當于天平，被測模擬電壓輸入ui相當于重物，基準電壓Vref相當于電壓砝碼，且電壓砝碼具有按8421編碼遞進的各種規(guī)格。根據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電壓砝碼，與被測模擬輸入電壓ui比較，并逐次減小其差值，使之逼近平衡。當ui=Vref，比較器輸出為零，相當于天平平衡，最后以數字顯示的平衡值即為被測電壓值。2024-01-24圖10.4逐次逼近比較式A/D轉換原理框圖2024-01-24

10.1.3集成ADC0809簡介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，片內帶有鎖存功能的8路模擬開關，可對8路0～5V的輸入模擬電壓分時進行轉換，完成一次轉換約需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，根據其值選擇一路輸入信號進行A/D轉換。ALE——地址鎖存允許信號輸入端，高電平有效。START——A/D轉換啟動信號輸入端，當其為高電平時，開始轉換。EOC——轉換結束信號輸出端，開始轉換時為低電平，轉換結束時為高電平。2024-01-24

REF（+）——基準電壓正極，為5V。REF（

）——基準電壓負極，為0V。D0～D7——8位數字輸出端。CLOCK——時鐘信號輸入端，時鐘頻率不應高于100kHz。ENABLE——輸出允許端，它控制ADC內部三態(tài)輸出緩沖器。當其為0時，輸出為高阻態(tài)，當其為1時，允許緩沖器中的數據輸出。2024-01-24圖10.6ADC0809符號圖2024-01-24

10.1.4A/D轉換器的主要技術指標1.分辨率與量化誤差A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數的位數表示，位數越多，誤差越小，轉換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V×2-8＝20mV；而輸出12位二進制數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轉換器所能辨認的最小輸入量，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是指最低一位數字量變化所帶來的幅度變化。2024-01-24

2.線性誤差線性誤差是指實際的輸出特性曲線偏離理想直線的最大偏移值。3.轉換精度A/D轉換器的精度可用絕對精度和相對精度來描述。絕對精度是指轉換器在其整個工作區(qū)間理想值與實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。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分數（%）表示。

4.轉換速度轉換速度是指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數字輸出信號所經過的時間。這是一項重要的技術指標。產品手冊一般給出轉換速度。一般情況下，轉換速度越高，價格越貴，在應用時應根據實際需要和價格來選擇器件。2024-01-24

10.2D/A轉換器D/A轉換器的功能是將數字信號轉換為模擬信號（電壓或電流信號）。D/A轉換器種類很多，按工作原理可分為T型電阻網絡D/A轉換器和權電阻網絡D/A轉換器；按工作方式可分為電壓相加型D/A轉換器及電流相加型D/A轉換器；按輸出電壓極性又可分為單極性D/A轉換器和雙極性D/A轉換器。雖然D/A轉換器的芯片和種類很多，但根據工作原理，其總體結構基本相同。在這里通過介紹常用的T型電阻網絡D/A轉換器來說明DAC的基本工作原理。2024-01-24

10.2.1T型電阻網絡D/A轉換器1.電路組成圖10.7所示的是4位T型電阻網絡DAC，它是由2R和R兩種規(guī)格的電阻組成，故常稱為R-2RT型電阻網絡D/A轉換器。它的特點是，網絡中任何一個節(jié)點（A,B,C,D）向左、向右、向下看進去的等效電阻都為2R（注意N點為虛地）。S0,S1,S2,S3是4個模擬開關，用于表示數字信號d0,d1,d2,d3情況，當開關接到電源上，表示對應的數字信號di為“1”；當開關接地，表示對應的數字信號di為“0”。2024-01-24

圖10.74位T型電阻網絡DAC

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2．工作原理當S0單獨接電源+UREF時，即：d0=1，d1=0，d2=0，d3=0，根據電路的特點，可以得到相應的等效電路如圖10.8所示。根據電路中每個節(jié)點向右看進去的等效電阻為2R，具有均分電流的作用，同時，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S1,S2,S3分別單獨接電源+UREF時，DAC的相應輸出為：，，2024-01-24圖10.8S0單獨接電源的等效電路2024-01-24

由于當Si開關接電源表示“1”，接地表示“0”，也就是di=“1”或“0”，當所有開關接“1”或“0”時，根據疊加原理，D/A的輸出電壓可以表示：即：

假設有N位T型網絡電阻D/A，則相應的輸出為：

顯然，輸出的模擬電壓與輸入數字量成正比，實現了數字量與模擬量的轉換。2024-01-24

3.集成DAC0832簡介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。它有兩級緩沖寄存器（簡稱緩存），能方便地應用于多個DAC同時工作的場合，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的符號如圖10.10所示，各端子的功能如下：DI0~DI7——8位數字輸入端?！x端，輸入寄存器選通信號，低電平有效?！獙戇x通端，輸入寄存器寫信號，低電平有效。ILE——允許鎖存端，輸入寄存器鎖存信號，高電平有效。ILE與和共同控制輸入寄存器選通，當=0，ILE=1時，才能將數據線上的數據寫入寄存器中，否則寄存器鎖存數據。——數據傳送控制端，低電平有效，控制選通DAC寄存器。2024-01-24圖10.10DAC0832的簡單應用電路2024-01-24

——寫選通端，即DAC寄存器寫信號，低電平有效，當和同時有效時，將輸入寄存器中的數據寫入DAC寄存器。

Uref——基準電壓輸入端（

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。UCC——電源輸入端（+5~+15V）。AGND——模擬地。DGND——數字地。使用時，將系統(tǒng)所有模擬地和系統(tǒng)所有數字地，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====0，ILE=1時，寄存器處于“直通”狀態(tài)，數據同時直接寫入兩級寄存器，直接輸入DAC轉換輸出。②單緩沖方式。當===0，ILE=1時，若=1，數據鎖存，模擬輸出不變；若=0，模擬輸出更新。③雙緩沖方式。分別控制兩級寄存器，實現兩次鎖存緩沖，可以同時接收兩組數據，以提高轉換速度。2024-01-24

（3）典型應用。DAC0832轉換用的是倒T型電阻網絡，如圖10.7所示，而DAC0832芯片中無運算放大器，因此需外接運算放大器。圖10.10所示是一個DAC0832的簡單應用電路。當=0，ILE=1時，在輸入鎖存控制端（）加一個負脈沖，輸入寄存器就可接收并鎖存輸入數據。當=0，在D/A啟動控制端（）加一個負脈沖，輸入寄存器的數據就傳送到DAC寄存器，同時啟動D/A轉換。運算放大器A將DAC的輸出電流轉換為電壓，RP則是用來調節(jié)這個轉換系數（即互阻增益）的，具體調節(jié)時，是在輸入最大時輸出電壓達到滿度，所以又叫滿度調節(jié)。2024-01-24

10.2.2D/A轉換器的主要技術指標不同制造廠家給出的D/A轉換器的技術參數以及對某些參數的定義有所不同，本節(jié)介紹一些共同采用的主要參數。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。它反映了數字量在最低位上變化1時輸出模擬量的最小變化量。其中最小輸出電壓對應的輸入數字量只有最低有效位為“1”，最大輸出電壓對應的輸入數字信號為所有有效位全為“1”。對于8位D/A轉換器來說，分辨率為最大輸出幅度的0.39%，即為1/255；在10位D/A轉換器中，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轉換器輸入數字量的位數按位權決定，故常用輸入數字量的位數來表示分辨率，如8位、10位等。因此，分辨率表示D/A轉換器在理論上可以達到的精度。然而，由于D/A轉換器的各個環(huán)節(jié)在參數、性能和理論值之間不可避免地存在差異，所以實際能達到的轉換精度低于理論值，由各種因數引起的轉換誤差決定轉換精度。2024-01-24

2.線性誤差與A/D一樣，線性誤差是指D/A轉換器的實際轉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，偏差值應小于±1/2LSB。3.轉換精度轉換精度以最大靜態(tài)轉換誤差的形式給出。這個轉換誤差應包含非線性誤差、比例系數誤差以及漂移誤差等綜合誤差。2024-01-24

4．轉換速度轉換速度指的是每秒鐘可以轉換的次數，其倒數為轉換時間。通常用建立時間tset來描述D/A轉換器的轉換速度。建立時間tset的定義：從輸入數字量發(fā)生突變開始，