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1、第8章 模数与数模转换,8.1 概述 8.2模数转换器（ADC） 8.3数模转换器（DAC）,四、8位集成ADC0809,1.ADC0809特性参数,分辨率： 8位 转换时间： 100s 增益温度系数： 20ppm/ 输入电平： TTL 功耗： 15mW,ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。,8.2 模数转换器（ADC）,发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；,2.ADC0809工作原理,转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。,输入3位
2、地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；,转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；,IN0IN7：8路模拟电压输入。 ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。 ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D7D0（2-12-8）：8位二进制数码输出。 OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。 UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。,3.ADC0809引脚功能,CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。 START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器
3、SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。 EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后 EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。,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,8.3 数模转换器（DAC）,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
4、字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,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。,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,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
5、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。,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,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,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,分散性很大，制造工艺复杂，实际精度较低。,2. 倒T型电阻网络D/A转换器,数字量输入,模拟
6、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,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：,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
7、。 开关切换是在地和虚地进行，所以进入T型电阻网络的电流恒定，不随数码的变化而变化。 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。,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,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；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
8、，分辨率越高。 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。,可用DAC最低位产生一次变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量来表示分辨率。,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。 如果不考虑D/AC的误差，D/AC的转换精度即为其分辨率的大小。因此，要获得一定精度的D/A转换结果，首要条件是选择有足够分辨率的D/AC。当然，D/AC的精度不仅与D/AC本身有关，也与外围电路以及电源有关。影响转换精度的主要误差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差等等。,3. 标称满量程与实际满量程,标称满量程是
9、指对应数字量标称值的模拟输出量。 而对于二进制的DAC，其实际数字量最大值为2n1，要比标称值小1个LSB，因此，实际满量程要比标称满量程小一个相当于1个LSB的模拟量。,4. 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。,5. 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，单位为ppm/,6. 电源变化抑制比（PSRR）,描述电源变化对D/AC的影响的参
10、数，它用电源变化1V时所产生的输出误差相对满量程的比值来表示，其单位为10-6/V，ppm/V 。,7. 其他结构和应用特性,数字输入特性 包括接收数码制式、数据格式和逻辑电平等。 模拟输出特性 是电流输出还是电压输出，满量程电压或电流，最大输出短路电流（或是否允许输出短路），以及输出电压允许的范围。 锁存特性及转换特性 是否具有锁存缓冲器，是单缓冲还是双缓冲，如何启动转换等等。 基准电源 是否具有内部基准电压，或需要外部基准电源，基准电源的大小、极性，等等。 电源 功耗的大小，是否具有降低功耗的模式，正常工作需要几组电源及其电压的高低等。,1.DAC0832结构框图,四、8位集成DAC083
11、2,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。,2.DAC0832引脚功能,DI7DI0：8位输入数据信号。,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。,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
12、，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。,3.DAC0832特性参数,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： 20mW,4.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
13、、单缓冲器型和直通型三种工作方式。,DAC0832的三种工作方式,（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。,讨论： 如何构建生物医学信号采集系统？,1、根据用途和使用范围确定系统框架。 单机模式（专用，便携式） 联系模式（多信号采集系统，专家系统）,2、根据所采集信号特点选择芯片或板卡。 尽量选用高集成混合信号芯片,常用的自带ADC/DAC的芯片及板卡,一、C8051F020/1/2/3系列混合信号微处理器,二、ADuC832单片智能转换器,三、USB7360系列多功能数据采集模块,谢谢,
