第8章 数模和模数转换 8.1 概述 8.2 数模转换器 8.3 模数转换器传感器 (温度、压力、流 量等模拟量）A/D计算机（ 数字量）显示器D/A执行部件（ 模拟量控制）打印机8.1 概述 能够将模拟量转换为 数字量的器件称为模 数转换器，简称A/D转 换器或ADC。能够将数字量转换为 模拟量的器件称为数 模转换器，简称D/A转 换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电 路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.ADC和DAC的应用：D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常 用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。一、D/A转换器的基本工作原理8.2 数模转换器D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， 以电压或电流的形式输出。uODnUREF将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应 的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模 拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量 的转换。8.2 数模转换器即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应 的各分模拟电压之和。D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、 参考电压、解码网络和求和电路等组成。 8.2 数模转换器数码缓冲 寄存器n位数控 模拟开关解码网络n位数字 量输入模拟量 输出 求和电路参考电压n 位D/A转换器方框图数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄 存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开 关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路； 求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量 。1. 权电阻网络D/A转换器 权电阻网络DAC原理图 8.2 数模转换器二、D/A转换器的主要电路形式权电阻双向模拟开关数字量输入 模 拟 量 输 出权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流 转换为电压输出。8.2 数模转换器权电阻网络DAC的原理分析开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对 应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。虚短8.2 数模转换器虚断运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为 令 RF=R/2 ，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现 了从数字量到模拟量的转换。因而uO的变化范围是 8.2 数模转换器当Dn=Dn-1D0=0时，uO=0；当Dn=Dn-1D0=111时， 。权电阻网络D/A转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。8.2 数模转换器2. 倒T型电阻网络D/A转换器 数字量输入 模 拟 量 输 出电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网 络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开 关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转 向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和 向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。求和点倒T型电阻网络D/A转换器原理图 8.2 数模转换器参考电压UREF供出的总电流为：分流：流入求和点的各支路电流为：8.2 数模转换器流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为：倒T型电阻网络D/A转换器的特点：优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用 较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。8.2 数模转换器令 RF=R ，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从 数字量到模拟量的转换。分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。 分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏 。 而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。 8.2 数模转换器1. 分辨率 三、D/A转换器的主要技术指标D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输 入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD0008.2 数模转换器2. 转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想 值之差，即最大静态转换误差。3. 转换速度 从输入的数字量发生突变开始， 到输出电压进入与稳定值相差 0.5LSB范围内所需要的时间，称为 建立时间tset。目前单片集成D/A转换 器（不包括运算放大器）的建立时间 最短达到0.1微秒以内。 4. 温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变 化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变 化的百分数作为温度系数。8.2 数模转换器1.DAC0832结构框图 四、8位集成DAC08328位 输入 寄存器8位 DAC 寄存器8位 D/A 转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CS WR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大 部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。LE1，跟随0，锁存8.2 数模转换器2.DAC0832引脚功能 DI7DI0：8位输入数据信号。IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满 量程输出）；为全0时，IOUT1为0。 IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信 号（一般接地）。满足 IOUT1+IOUT2 满量程输出电流。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运 放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb， 只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须 外加反馈电阻。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。 CS：片选信号，低电平有效。 WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）XFER：数据传送选通信号，低电平有效。 WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）8.2 数模转换器任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“ 地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由 于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对于 模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成影 响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开 布线，只在板中的一点把它们连接起来。 DGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。 AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位 。 UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压 基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。 UCC：电源输入端（一般取+5V+15V）。 3.DAC0832特性参数 8.2 数模转换器分辨率： 8位 建立时间： 1s 增益温度系数： 20ppm/（ppm-百万分之一，10-6） 输入电平： TTL 功耗： 20mW4.DAC0832工作方式 当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7DI0进入输入 寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有 效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实 现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为 模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。 DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种 工作方式。 DAC0832的三种工作方式 8.2 数模转换器（b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操 作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数 据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的 同步转换输出。（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过 取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 8.3 模数转换器一、A/D转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列 等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.取样和保持 8.3 模数转换器取样过程 采样脉冲 输 入 模 拟 信 号 采 样 输 出 信 号 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。8.3 模数转换器在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假 定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到 下一个采样脉冲到来为止。保持场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟 随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶 梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n 个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类 似于四舍五入的近似问题。8.3 模数转换器2.量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过 程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码 来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值 称为量化单位，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保 持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为 量化误差，即=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。8.3 模数转换器1)只舍不入法当Uo的尾数时，舍 尾取整。这种方法总为 正值，max 。 2)有舍有入法当Uo的尾数/2时，舍 尾取整；当Uo的尾数/2时 ，舍尾入整。这种方法可正 可负，但是| max|= /2。可 见，它的误差要小。 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。8.3 模数转换器二、A/D转换器的主要电路形式8.3 模数转换器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电压比较器U+U-时，Ci1；U+U-时，Ci0。8.3 模数转换器并行比较型A/D转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出 （编码器输入）（编码器输出） QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(10 33557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF0000