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1、第7章 模拟量和数字量的转换,7.1 D/A转换器,7.2 A/D转换器,第7章 模拟量和数字量的转换,本章要求,1.了解D/A、A/D转换的基本概念和转换原理;,2.了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。,模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。,将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；,传感器,模拟控制,模拟信号,数字计算机,数字控制,数字信号,ADC,DAC,将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC),7.1 D/A转换器,数模转换（D/A转换器）的基本思想：由于构成数字代码的每一位都
2、有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思想。,7.1.1 D/A转换器的转换特性,n位二进制数X（Xn-1、Xn-2、X1、X0）,定义其最低位（LSB）X0和最高位（MSB）Xn-1的权分别为20和2n-1,则有:,D/A转换器的输出应是与输入数字量成正比的,模拟电流,模拟电压,或,7.1.2 权电阻求和网络D/A转换器,放大器总的输入电流为,n位的权电阻D/A转换器,若反馈电阻为,0,输出电压的变化范围,1.电路,7.1.3 R-2R T型电阻网
3、络D/A转换器,由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。,参考电压,存放四位二进制数,最低位(LSB),最高位(MSB),模拟开关,1.电路,7.1.3 R-2R T型电阻网络D/A转换器,参考电压,最低位(LSB),最高位(MSB),各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“1”时，开关接电源UR；为0时接“地”。,模拟开关,存放四位二进制数,2.转换原理,分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系,T型网络开路时的输出电压UA即是反相比例运算电路的输入电压。,反相比例运算电路,T型电子网络,2.转换原理,用戴维宁定理和叠加定理计算UA,最低位(LSB),最高位(MSB
4、),1 0 0 0,对应二进制数为0001,2.转换原理,对应二进制数为0001时，,等效电路如右下图,2.转换原理,对应二进制数为0001时，等效电路如下,同理：对应二进制数为0010时，有,同理：对应二进制数为1000时，有,同理：对应二进制数为0100时，有,2.转换原理,T型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE。,等效电阻为 R,等效电路如右图,2.转换原理,若输入的是 n位二进制数，则,2.转换原理,若取 RF=3R，则,若输入的是 n位二进制数，则,7.1.4 R-2R 倒T型电阻网络D A转换器,分析输入数字量和输出模拟电压uo之间的关系,转换原理,倒T型解码网络,.,U
5、C=UR/2,UB=UR/4,UA=UR/8,由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点(D、C、B、A)电位逐位减半。,因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。,即：,DAC0832是八位的D/A转换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。,7.1.5 集成 D/A转换器简介,1)内部简化电路框图,DAC 0832 简化电路框图,2)芯片管脚,DAC 0832 管脚分布图,CS,WR1,WR2,AGND,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,UCC,UREF,RF,DGND,ILE,XFER,Iout1,Iout2,1,2,3,4,5,6,7,
6、8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,片选信号，低电平有效,写入控制，低电平有效,模拟地端,D0 D7数字量输入,参考电压输入端,DAC 0832 管脚分布图,数字地端,DAC 0832 管脚分布图,输入锁存允许信号，高电平有效,芯片工作电压 输入端,电流输出端单极性输出时。Iout2接模拟地,7.1.2 D/A转换器的主要技术指标,指最小输出电压和最大输出电压之比。,1.分辨率,2.线性度,通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。,3.输出电压(电流)的建立时间,例:十位D/A
7、转换器 的分辨率为,从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,通常D/A转换器的建立时间不大于1S,7.2 A/D转换器,模数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。,7.2.1 A/D转换器的基本原理,模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。,（）取样、保持,取样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，取样值取决于取样时间内输入模拟信号的大小。采样定理:根据取样定理，取样频率的选取一般为：,取样保持电路,要对模拟信号的取样值进行量化和编码
8、，必须使取样值保持一定的时间。取样和保持是由取样保持电路完成的。,模拟电压,vI/V,量化值,二进制数输出,7,6,5,4,3,2,1,0,7.5,6.5,5.5,4.5,3.5,2.5,1.5,0.5,7,=7 V,111,6,=6 V,110,5,=5 V,101,4,=4 V,100,3,=3 V,011,2,=2 V,010,1,=1 V,001,0,=0 V,000,（）量化、编码,用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小数量单位(1 LSB)的整数倍，这一转换过程称为量化，所取的最小单位称为量化单位，用表示，=1 LSB。将量化的结果转化为对应的代码，称为编码。,实际输入
9、电压值与量化值之间的偏差称为量化误差。,四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化取整。最大量化误差为/2。,模拟电压,vI/V,量化值,二进制数输出,8,7,6,5,4,3,2,1,7,=7 V,111,6,=6 V,110,5,=5 V,101,4,=4 V,100,3,=3 V,011,2,=2 V,010,1,=1 V,001,0,=0 V,000,量化方法之二 只舍不入法,0,舍去小数量化法：舍去小数直接取整，最大量化误差为。,完成量化编码工作的电路是ADC。按工作原理不同，可分为直接ADC和间接ADC。,直接ADC 是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比较型ADC和逐次比较型ADC
10、。间接ADC 是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，如双积分型ADC。,A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。,7.2.2 A/D转换器的主要电路形式,1、并联比较型,ui,Us,R,R,R,
11、R,R,R,R,R,D2,D1,D0,数字输出,A,G,F,E,C,D,B,编,码,器,7Us/8,6Us/8,5Us/8,4Us/8,3Us/8,2Us/8,Us/8,优点是转换速度快，缺点 是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。,7.2.2 A/D转换器的主要电路形式,量化电平依据有舍有入划分为7个电平。量化单位为=(1/8)UREF量化误差为|max|=(1/8)UREF,三位并联比较由以下3部分组成：,比较器：由个电压比较器组成，“”输入端接输入电压ui，“”输入端接一定值的比较电压uR，若 ui uR，比较器输出为1，反之输出为0。分压电阻链：由个电阻组成，将基准电压进行分压，获得
12、个比较器的比较电压uR。线线优先编码器：输入、输出均为高电平有效（具有优先级）。,1.并行比较型A/D转换器,量化电平依据有舍有入划分为7个电平。量化单位为=(2/15)UREF量化误差为|max|=(1/15)UREF,并行比较型A/D转换器真值表,例如：uI4.2V，UREF6V。,3.6V4.4V,则数字量输出d2d1d0101。,优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需n-1个电压比较器和2n-1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转
13、换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。,并行比较型A/D转换器的特点：,下面介绍逐次逼近式A/D转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。,逐次逼近型模数转换器原理框图,2.逐次逼近式A/D转换器,2.逐次逼近式A/D转换器,其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克,每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：,2,8 g+4 g,3,8 g+4 g+2 g,4,8 g+4 g+1 g,1,8 g,8g 13g，,12g 13g，,14g 13g，,13g 13g，,8
14、g,12 g,12 g,13g,保留,保留,撤去,保留,1)转换原理,放哪一个砝码,砝码是否保存,2.逐次逼近型A/D转换器,逐次逼近型A/D转换器原理图,2)转换过程,2,3,4,1,1 0 0 0,UA UI,6V,UA UI,5.5V,留,去,留,留,4V,UA UI,5V,UA UI,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：UR=8V，UI=5.52V,D/A转换器输出UA为正值,转换数字量1011 4+1+0.5=5.5V转换误差为 0.02V,例：UR=8V，UI=5.52V,若输出为 8位数字量,转换数字量10110001 4+1+0.5+0.03125=5.5312
15、5V转换误差为+0.01125V位数越多误差越小,逐次逼近转换过程示意图,UA UI,UA UI,(转换误差:0.02V),双积分型A/D转换器属于电压时间变换的间接A/D转换器。,基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 Ui 和参考电压UR 通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔,再变换成正比于输入模拟信号的数字量。,3.双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器的电路图,1)电路图,A/D转换器的工作波形图,2)转换原理,(1)转换开始前,转换信号uC=0，各触发器清零,并使S2闭合,让积分电路的电容C完全放电。,使uL=1，由控制电路将，S2断开，并将S1接到输入电压端，积分
16、电路开始对uI积分。积分输出uA为负值，比较器输出uC为1，开通CP控制门G，计数器开始计数。,(2)对输入模拟电压的积分,A/D转换器的工作波形图,2)转换原理,当计到2n个脉冲时,计数器输出全0,同时输出一进位信号,使FFS置1。对uI的积分结束，积分时间T1=2n TCP,TCP为CP的周期，即一个脉冲的时间。T1是一定的(定时)，不因uI而变。,(2)对输入模拟电压的积分,A/D转换器的工作波形图如图所示。,3.A/D 变换器的主要技术指标,1.分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。,2.转换速度 完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转 换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出 所需要的时间。,3.相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,4.其它 功率、电源电压、电压范围等。,ADC0809八位A/D转换器,ADC 0809管脚分布图,UR(-),B,D4,D0,D2,D7,D6,D5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,25,24,23,22,21,26,27,28,IN2,IN1,IN0,GND,D1,ALE,EOC,START,CLOCK,D3,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,EOUT,A,C,UR(+),UDD,
