電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）課件 第14章 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

課題十四模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換14.1D/A轉(zhuǎn)換14.2A/D轉(zhuǎn)換課題小結(jié)

14.1D/A轉(zhuǎn)換

14.1.1轉(zhuǎn)換電路

1.權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路

權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的原理電路如圖14.1所示。集成運(yùn)放反相輸入端為“虛地”，每個(gè)開關(guān)可以切換到兩個(gè)不同的位置，切換到哪個(gè)位置由相應(yīng)位的數(shù)字量控制。當(dāng)數(shù)字量為“1”時(shí)，開關(guān)接ER；當(dāng)數(shù)字量為“0”時(shí)，開關(guān)接地。圖14.1權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)輸入二進(jìn)制數(shù)碼中某一位Bi=1時(shí)，開關(guān)Si

接至基準(zhǔn)電壓ER，這時(shí)在相應(yīng)的電阻Ri支路上產(chǎn)生電流為

當(dāng)Bi=0時(shí)，開關(guān)Si

接地，電流Ii=0。

因此，第i路的電流為

總的輸出電流為

輸出電壓為

2.R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路

圖14.2是R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路的原理電路。與權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路一樣，二進(jìn)制碼Bi控制著開關(guān)Si的位置。Bi為1，Si

接ER；Bi

為0，Si

接地。圖14.2R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路

集成運(yùn)放反相輸入端為“虛地”。因此，從兩端的T型節(jié)點(diǎn)開始，向中間逐節(jié)點(diǎn)推算，很容易得到：當(dāng)Bi=1，其余位均為0時(shí)，從節(jié)點(diǎn)i向左向右看的電阻都是2R，這樣，從開關(guān)Si經(jīng)2R支路流進(jìn)節(jié)點(diǎn)的電流等分后分別向左向右流出，其等效電路如圖14.3所示。圖14.3某模擬開關(guān)接ER，其他開關(guān)接地時(shí)的等效電路

二進(jìn)制碼最高位對集成運(yùn)放輸入端方向的電流為

其他各位產(chǎn)生的電流逐位減小一半，依次為

二進(jìn)制碼控制的各開關(guān)對集成運(yùn)放輸入端產(chǎn)生的總電流為

輸出電壓為

這種電路中電阻阻值只有R和2R兩種，精度易于保證，且流過各模擬開關(guān)的電流均相同，所以給設(shè)計(jì)和制作帶來方便，故集成D/A電路中多采用這種電路形式。

3.倒置T型D/A轉(zhuǎn)換電路

R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路中，數(shù)字信號各位的傳輸時(shí)間不同，因而輸出端會產(chǎn)生尖峰效應(yīng)。倒置T型D/A轉(zhuǎn)換電路可以克服這種缺點(diǎn)，其原理圖如圖14.4所示。

集成運(yùn)放反相輸入端為“虛地”，所以，不論開關(guān)切換到哪個(gè)位置，2R上端都接了0電位。這樣，從電阻網(wǎng)絡(luò)左端開始，用串并聯(lián)方法可以得到從ER看進(jìn)去對地的等效電阻為R。這樣，從參考電源ER流進(jìn)電阻網(wǎng)絡(luò)的電流為I=ER/R。圖14.4倒置T型D/A轉(zhuǎn)換電路

用與分析R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路的方法類似的方法可知，每經(jīng)過一個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過電阻向上流的電流減小一半，正好反映了二進(jìn)制各位碼應(yīng)滿足的位權(quán)關(guān)系。因此，可直接寫出

該電路工作時(shí)，在前一組二進(jìn)制碼切換到后一組二進(jìn)制碼時(shí)，各位碼對應(yīng)的電流同時(shí)到達(dá)集成運(yùn)放輸入端，因而不會產(chǎn)生尖峰效應(yīng)。

14.1.2集成D/A轉(zhuǎn)換器

DAC0832方框圖及引腳排列圖如圖14.5所示。芯片內(nèi)含有一個(gè)八位D/A轉(zhuǎn)換電路，由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成。還包括一個(gè)八位的輸入寄存器和一個(gè)八位的DAC寄

存器。當(dāng)DAC寄存器中的數(shù)字信號在進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，下一組數(shù)字信號可存入輸入寄存器，這樣可提高轉(zhuǎn)換速度。芯片外接集成運(yùn)放，將轉(zhuǎn)換成的模擬電流信號放大后轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出。圖14.5DAC0832原理框圖和引腳排列圖

各引腳功能簡要說明如下：

(1)D0~D7：八位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入，D7為最高位，D0為最低位。

(2)Iout1：模擬電流輸出端。

(3)Iout2：模擬電流輸出端，接地。

(4)Rf：若外接的集成運(yùn)放電路增益小，則在該引出端與集成運(yùn)放輸出端之間加接電阻；若外接的集成運(yùn)放電路增益足夠大，則不必外接電阻，直接將該引出端與運(yùn)放輸出端相連。

(5)Uref：基準(zhǔn)參考電壓端，在+10V~-10V之間選擇。

14.1.3D/A轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標(biāo)

D/A轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標(biāo)有如下幾個(gè)。

(1)分辨率：指模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。

(2)轉(zhuǎn)換精度：是指實(shí)際輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大誤差。

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間：指從輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換到輸出的模擬電壓達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間

14.2A/D轉(zhuǎn)換

14.2.1轉(zhuǎn)換步驟1.抽樣保持抽樣就是對模擬信號在有限個(gè)時(shí)間點(diǎn)上抽取樣值。圖14.6示出了A/D轉(zhuǎn)換電路框圖。圖14.6A/D轉(zhuǎn)換電路框圖

對圖14.6所示的這種保持電路來說，模擬信號源內(nèi)阻及模擬開關(guān)的接通電阻應(yīng)很小，它們與電容C組成的電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)非常小，以保證在模擬開關(guān)閉合期間，電容C上的電壓能跟蹤抽樣值變化。

保持電容后面接著由集成運(yùn)放組成的跟隨器。這種跟隨器的輸入阻抗極大，電容上保持的電壓經(jīng)該阻抗的放電極少，不會造成影響。

圖14.7示出了從抽樣到保持的信號波形。t0、t1、…、t8時(shí)間點(diǎn)上的豎直線表示在該時(shí)刻的抽樣值，而階梯波表示抽樣值經(jīng)保持電路展寬以后的波形。圖14.7保持電路輸出波形

可以看出，當(dāng)抽樣頻率足夠高的時(shí)候，保持電路輸出的階梯波就逼近原模擬信號。事實(shí)上，由數(shù)字信號恢復(fù)成模擬信號的時(shí)候，就是根據(jù)數(shù)字信號還原出這種形狀逼近原模擬信號的階梯波的。

為了使還原出來的模擬信號不失真，對抽樣頻率fs的要求為

式中，fmax是被抽樣的模擬信號所包含的信號中頻率最高的信號的頻率。

2.量化編碼

抽樣保持電路得到的階梯波的幅值有無限多個(gè)值，無法用位數(shù)有限的數(shù)字信號完全表達(dá)。我們可以選定一個(gè)基本單元電平，將其稱為基本量化單位。用基本量化單位對抽樣值

進(jìn)行度量，如果在度量了n次后，還剩下不足一個(gè)基本量化單位的部分，就根據(jù)一定的規(guī)則，把剩余部分歸并到第n或第n+1個(gè)量化電平上去。這樣，所有的抽樣值都是有限個(gè)離散值集合之一。像這樣將抽樣值取整歸并的方式及過程就叫“量化”。將量化后的有限個(gè)整值編成對應(yīng)的數(shù)字信號的過程叫“編碼”。

14.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路

圖14.8是三位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路。圖14.8三位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路

例14.2設(shè)輸入模擬信號uA的滿量程值為12V，用三位二進(jìn)制編碼，碼值QAQBQC與uA之間的對應(yīng)關(guān)系如表14.1所示。

2.雙積分型A/D電路

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理電路如圖14.9所示，由積分器、比較器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器及邏輯控制電路組成。所謂雙積分，是指積分器要用兩個(gè)極性不同的電源進(jìn)行兩個(gè)不同方向的

積分。波形圖如圖14.10所示。圖14.9雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖圖14.10雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路的工作波形

3.集成A/D轉(zhuǎn)換電路

集成A/D轉(zhuǎn)換電路有很多種，下面以ADC0809為例進(jìn)行介紹。

ADC0809內(nèi)部基本電路是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路，其原理框圖及芯片引腳排列圖如圖14.11(a)、(b)所示。圖14.11ADC0809原理框圖和引腳圖

各主要引腳功能簡述如下：

(1)IN0~IN7：8路模擬信號輸入端。

(2)A2、A1、A0：8路模擬信號的地址碼輸入端。

(3)D0~D7：轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號。

(4)START：啟動端。START下降沿時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換開始進(jìn)行。其負(fù)脈沖寬度應(yīng)不小于100ns，以保證逐位編碼的八位碼有足夠的時(shí)間徹底編好。

(5)ALE：通道地址鎖存信號輸入端。在ALE的上升沿鎖存地址輸入A2A1A0，正脈沖寬度持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于100ns，以確保編碼期間一直是對確定的某一路模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(6)OE：輸出允許端。OE=1，觸發(fā)輸出端鎖存緩沖器開放，輸出編成的碼；OE=0，輸出端鎖存緩沖器處于高阻狀態(tài)。

(7)EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，由ADC8089內(nèi)部控制邏輯電路產(chǎn)生。EOC=0，表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；EOC=1，表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。因而，EOC信號可作為轉(zhuǎn)換電路向微機(jī)提出的要求輸送數(shù)據(jù)的中斷申請信號，或作為微機(jī)用查詢方式讀取數(shù)據(jù)時(shí)供微機(jī)查詢數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好的狀態(tài)信號。只有EOC=1以后，才可以使OE為高電平，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)才是正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(8)Uref：基準(zhǔn)電壓。

14.2.3A/D轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率：指輸出數(shù)字量變化一個(gè)最小單位(最低位的變化)，對應(yīng)輸入模擬量需要變化的量。輸出位數(shù)越多，分辨率越高。通常以輸出二進(jìn)制碼的位數(shù)表示分辨率。

(2)精度：指實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間：指電路完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從開始轉(zhuǎn)換到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時(shí)間。

課題小結(jié)

A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路是數(shù)字系統(tǒng)中的重要部件。本課題主要討