第8章 数/模转换和模/数转换第第8章章 数数/模转换和模模转换和模/数转换数转换 8.1 概述概述 8.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 8.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 返回主目录第8章 数/模转换和模/数转换第8 章 数/模转换和模/数转换 8.1 概 述 从模拟信号到数字信号的转换称模/数转换(又称A/D转换), 完成A/D转换的电路称A/D转换器（简称ADC）；从数字信号到模拟信号的转换称数/模转换（又称D/A转换），完成D/A转换的电路称D/A转换器（简称DAC）。 例如，要用计算机对生产过程进行实时控制，其控制过程原理方框图如图8.1所示。可见，ADC和DAC是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统的重要组成部分。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.1 计算机对生产过程进行实时控制原理示意图第8章 数/模转换和模/数转换 8.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 8.2.1 DAC的基本工作原理的基本工作原理 8.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC 8.2.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标 8.2.4 集成集成DAC举例举例第8章 数/模转换和模/数转换8.2 数数/模转换器模转换器(DAC) 8.2.1DAC的基本工作原理的基本工作原理 DAC用于将输入的二进制数字量转换为与该数字量成比例的电压或电流。 其组成框图如图8.2所示。图中，数据锁存器用来暂时存放输入的数字量， 这些数字量控制模拟电子开关， 将参考电压源UREF按位切换到电阻译码网络中变成加权电流，然后经运放求和，输出相应的模拟电压，完成D/A转换过程。第8章 数/模转换和模/数转换图8.2 DAC方框图第8章 数/模转换和模/数转换图8.3 倒T型电阻网络D/A转换器 8.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC 如图8.3所示为一个四位倒T型电阻网络DAC（按同样结构可将它扩展到任意位），它由数据锁存器（图中未画）、模拟电子开关（S）、 R-2R倒T型电阻网络、运算放大器（A）及基准电压UREF组成。 第8章 数/模转换和模/数转换 模拟电子开关S3、S2、S1、S0分别受数据锁存器输出的数字信号D3、D2、D1、D0控制。当某位数字信号为1时，相应的模拟电子开关接至运算放大器的反相输入端（虚地）；若为0则接同相输入端（接地）。开关S3S0是在运算放大器求和点（虚地）与地之间转换，因此不管数字信号D如何变化，流过每条支路的电流始终不变，从参考电压UR输入的总电流也是固定不变的。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.4 倒T型电阻网络简化等效电路 图8.3所示电路从UREF向左看，其等效电路如图8.4所示，等效电阻为R，因此总电流 I=UREF/R。 第8章 数/模转换和模/数转换 流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次为I/2、I/4、I/8、 I/16， 流入运算放大器反相输入端的电流为 所以运算放大器的输出电压为若RF=R, 则有第8章 数/模转换和模/数转换 推广到n位DAC，则有 例 1 如图8.3所示，若UR=10V，求对应D3D2D1D0分别为1010、 0110和1100时输出电压值。(对应D3D2D1D0为0110和1100时自行练习。) 解当D3D2D1D0=1010时， 第8章 数/模转换和模/数转换 8.2.3 DAC的主要技术指标 1. 分辨率 DAC的分辨率是说明DAC输出最小电压的能力。它是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量各有效位全为1）之比： 分辨率= 式中, n表示输入数字量的位数。可见，n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。 例如，n=8, DAC的分辨率为 分辨率= =0.0039第8章 数/模转换和模/数转换 2. 转换精度转换精度 转换精度是指DAC实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。 3. 建立时间（转换速度）建立时间（转换速度） 建立时间是指, DAC从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。 第8章 数/模转换和模/数转换 8.2.4 集成集成DAC举例举例 DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工艺制成的双列直插式单片八位DAC，可以直接与Z80、8080、 8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如图8.5所示。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.5 集成DAC0832第8章 数/模转换和模/数转换 DAC0832由八位输入寄存器、八位DAC寄存器和八位D/A转换器三大部分组成。 它有两个分别控制的数据寄存器，可以实现两次缓冲，所以使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。DAC0832中采用的是倒T型R-2R电阻网络，无运算放大器，是电流输出，使用时需外接运算放大器。芯片中已经设置了Rfb, 只要将9号管脚接到运算放大器输出端即可。但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下： 第8章 数/模转换和模/数转换 ： 片选信号， 输入低电平有效。 ILE： 输入锁存允许信号， 输入高电平有效。 ： 输入数据选通信号， 输入低电平有效。 ： 数据传送选通信号， 输入低电平有效。 ： 数据传送控制信号， 输入低电平有效。 D0D7：八位输入数据信号。 IOUT1：DAC输出电流1。此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号（一般接反相端）。 第8章 数/模转换和模/数转换 VCC： 数字部分的电源输入端。 UCC可在+5V到+15V范围内选取。 DGND： 数字电路地。 AGND： 模拟电路地。 结合图8.5(a)可以看出转换器进行各项功能时，对控制信号电平的要求如表8.1所示。 DAC0832的使用有三种工作方式：双缓冲器型、单缓冲器型和直通型。如图8.6所示。 第8章 数/模转换和模/数转换图 8.6 DAC0832的三种工作方式(a) 双缓冲器型； (b) 单缓冲器型； (c) 直通型第8章 数/模转换和模/数转换表表 8.1功能 说明数据输入D7D0到寄存器01WR1=0时存入数据WR2=1时锁定数据有寄存器1转送寄存器20WR2=0时存入数据WR2=1时锁定从输出端去模拟量无控制信号，随时可取 双缓冲器型如图8.6(a)所示。首先 接低电平，将输入数据先锁存在输入寄存器中。当需要D/A转换时，再将接低电平， 将数据送入DAC寄存器中并进行转换，工作方式为两级缓冲方式。 第8章 数/模转换和模/数转换 单缓冲器型如图8.6(b)所示。DAC寄存器处于常通状态，当需要D/A转换时，将 接低电平，使输入数据经输入寄存器直接存入DAC寄存器中并进行转换。工作方式为单缓冲方式，即通过控制一个寄存器的锁存，达到使两个寄存器同时选通及锁存。 直通型如图8.6（c）所示。两个寄存器都处于常通状态，输入数据直接经两寄存器到DAC进行转换，故工作方式为直通型。 实际应用时， 要根据控制系统的要求来选择工作方式。 第8章 数/模转换和模/数转换8.3 模模/数转换器数转换器(ADC)8.3.1 ADC的基本工作原理的基本工作原理8.3.2 逐次逼近型逐次逼近型ADC8.3.4 ADC的主要技术指标的主要技术指标8.3.5 集成集成ADC举例举例第8章 数/模转换和模/数转换8.3 模模/数转换器数转换器(ADC) 8.3.1ADC的基本工作原理的基本工作原理 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。 1. 取样和保持取样和保持 取样（又称抽样或采样）是将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的模拟信号，即转换为一系列等间隔的脉冲。 其过程如图8.7所示。图中, Ui为模拟输入信号， CP为取样信号，Uo为取样后输出信号。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.7 取样过程第8章 数/模转换和模/数转换 取样电路实质上是一个受控开关。在取样脉冲CP有效期内，取样开关接通，使Uo=Ui；在其他时间(TS-)内，输出Uo=0。因此，每经过一个取样周期，在输出端便得到输入信号的一个取样值。 为了不失真地用取样后的输出信号Uo来表示输入模拟信号Ui，取样频率fS必须满足fS2fmax(此式为取样定理）。其中, fmax为输入信号Ui的上限频率（即最高次谐波分量的频率）。第8章 数/模转换和模/数转换图8.8 取样保持电路和输入输出波形(a) 电路； (b) 输入输出波形 ADC把取样信号转换成数字信号需要一定的时间，需要将这个断续的脉冲信号保持一定时间以便进行转换。如图8.8(a)所示是一种常见的取样保持电路，它由取样开关、保持电容和缓冲放大器组成。 第8章 数/模转换和模/数转换 在图8.8(a)中，利用场效应管做模拟开关。在取样脉冲CP到来的时间内，开关接通，输入模拟信号Ui(t)向电容C充电，当电容C的充电时间常数tC时，电容C上的电压在时间内跟随Ui(t)变化。取样脉冲结束后，开关断开，因电容的漏电很小且运算放大器的输入阻抗又很高，所以电容C上电压可保持到下一个取样脉冲到来为止。运算放大器构成跟随器，具有缓冲作用，以减小负载对保持电容的影响。在输入一连串取样脉冲后，输出电压Uo(t) 波形如图8.8（b）所示。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.9 两种量化编码方法的比较 2. 量化和编码量化和编码 输入的模拟信号经取样保持后， 得到的是阶梯形模拟信号。必须将阶梯形模拟信号的幅度等分成n级，每级规定一个基准电平值，然后将阶梯电平分别归并到最邻近的基准电平上。 第8章 数/模转换和模/数转换 称为量化。量化中的基准电平称为量化电平，取样保持后未量化的电平Uo值与量化电平Uq值之差称为量化误差，即=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法（或称四舍五入法）。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。图8.9表示了两种不同的量化编码方法。 第8章 数/模转换和模/数转换 ADC可分为直接ADC和间接ADC两大类。在直接ADC中，输入模拟信号直接被转换成相应的数字信号，如计数型ADC、 逐次逼近型ADC和并行比较型ADC等，其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。而在间接ADC中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如单次积分型ADC、双积分型ADC等，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，一般在测试仪表中用得较多。 下面介绍常用的两种ADC和一种常用的集成电路组件。第8章 数/模转换和模/数转换 8.3.2 逐次逼近型逐次逼近型ADC 逐次逼近型ADC的结构框图如图8.10所示，包括四个部分：比较器、DAC、逐次逼近寄存器和控制逻辑。 图8.10 逐次逼近型ADC方框图第8章 数/模转换和模/数转换 逐次逼近型ADC是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。转换前先将寄存器清零。转换开始后，控制逻辑将寄存器的最高位置为1，使其输出为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压Uo, 送到比较器与输入Ui进行比较。 若UoUi，说明寄存器输出数码过大， 故将最高位的1变成0，同时将次高位置1； 若UoUi, 说明寄存器输出数码还不够大，则应将这一位的1保留，依次类推将下一位置1进行比较， 直到最低位为止。第8章 数/模转换和模/数转换 例 2 一个四位逐次逼近型ADC电路，输入满量程电压为 5 V, 现加入的模拟电压Ui=4.58 V。求： （1）ADC输出的数字是多少？ （2） 误差是多少？ 解 （1）第一步：使寄存器的状态为1000，送入DAC, 由DAC转换为输出模拟电压第8章 数/模转换和模/数转换 因为UoUi, 所以寄存器最高位的1保留。 第二步：寄存器的状态为1100，由DAC转换输出的电压Uo= 因为UoUi, 所以寄存器次高位的1也保留。 第三步：寄存器的状态为1110，由DAC转换输出的电压 Uo= 因为UoUi, 所以寄存器第三位的1也保留。 第8章 数/模转换和模/数转换 第四步：寄存器的状态为1111，由DAC转换输出的电压 Uo=因为UoUi，所以寄存器最低位的1去掉，只能为0。 所以，ADC输出数字量为1110。 (2) 转换误差为 4.58-4.38 =0.2 V 逐次逼近型ADC的数码位数越多，转换结果越精确，但转换时间也越长。这种电路完成一次转换所需时间为(n+2)TCP。式中，n为ADC的位数，TCP为时钟脉冲周期。 第8章 数/模转换和模/数转换 8.3.4 ADC的主要技术指标的主要技术指标 1. 分辨率分辨率 ADC的分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。常以输出二进制码的位数n来表示。 分辨率=式中，FSR是输入的满量程模拟电压。第8章 数/模转换和模/数转换 2. 转换速度转换速度 转换速度是指完成一次A/D转换所需的时间。转换时间是从接到模拟信号开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换时间越短，说明转换速度越高。 3. 相对精度相对精度 在理想情况下，所有的转换点应在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位来表示。 第8章 数/模转换和模/数转换 8.3.5 集成集成ADC举例举例 ADC0809是常见的集成ADC。它是采用CMOS工艺制成的八位八通道单片A/D转换器，采用逐次逼近型ADC，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。 ADC0809的结构框图及管脚排列图如图8.13所示。它由八路模拟开关、地址锁存与译码器、ADC、三态输出锁存缓冲器组成。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.13ADC0809(a) 结构框图; (b) 管脚排列图第8章 数/模转换和模/数转换 芯片上各引脚的名称和功能如下： IN0IN7: 八路单端模拟输入电压的输入端。 UR(+) 、UR(-)：基准电压的正、负极输入端。由此输入基准电压，其中心点应在UCC/2附近，偏差不应超过0.1V。 START: 启动脉冲信号输入端。当需启动A/D转换过程时，在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将所有的内部寄存器清零，下降沿时开始A/D转换过程。 ADDA、ADDB、ADDC: 模拟输入通道的地址选择线。 第8章 数/模转换和模/数转换 ALE: 地址锁存允许信号，高电平有效。当ALE=1时，将地址信号有效锁存，并经译码器选中其中一个通道。 CLK: 时钟脉冲输入端。 D0D7：转换器的数码输出线，D7为高位，D0为低位。 OE: 输出允许信号，高电平有效。当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。 EOC: 转换结束信号，高电平有效。在START信号上升沿之后18个时钟周期内，EOC信号输出变为低电平，标志转换器正在进行转换，当转换结束，所得数据可以读出时，EOC变为高电平，作为通知接受数据的设备取该数据的信号。 第8章 数/模转换和模/数转换图8.14ADC0809工作时序图 结合图8.13电路框图可将ADC0809的工作时序总结如图8.14所示。