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1、第11章 模拟量与数字量的转换,11.1数模转换器（DAC）,11.2 模数转换器（ADC）,11.3 模拟开关及采样保持电路,第11章 模拟量与数字量的转换,在检测、控制数字系统中，将模拟量转换为数字量和将数字量转换为模拟量是必不可少的环节，其系统方框图如下,被控对象如温度，压力等物理量，经传感器检测得到它们的模拟信号，将其进行放大，然后送入模数转换器（ADC），将模拟信号转换为数字信号后由微处理器对信号进行处理。根据处理的结果，微处理器发出相应的数字控制信号，再经数模转换器（DAC）将数字信号转换为模拟信号去控制被控对象。,11.1数模转换器（DAC）,11.1.1 数模转换器（DAC）的
2、转换原理,数模转换器有多种电路类型，其中T型电阻数模转换是较常用的一种。下图是四位T型电阻转换器原理图，R和2R电阻构成T形电阻网络。S3、S2、S1、S0为模拟开关，其开关状态分别受输入的二进制数字信号D3、D2、D1、D0控制。如D01时，模拟开关S0合向左边，支路电流I0流向Ioutl；当D00时，S0合向右边，支路电流I0流向Iout2。运算放大器A0为电流求和放大器，它对各位数字所对应的电流求和，并转换成相应的模拟电压。UREF为高精度基准电源。,T型电阻DA转换器的工作原理,由于运算放大器的反相输入端为“虚地”，所以无论模拟开关接向左边还是右边，电阻2R接模拟开关一侧的电位都为零，
3、因此从UREF端看进去的等效电阻为R。由此求得总电流IUREFR，各支路电流分别为,即每位支路电流与二进制权值（23、22、21、20）成正比。当每位开关合向左边时，支路电流由Ioutl流出，开关合向右边时，支路电流由Iout2流出。因此输入不同的二进制数时，流过Rf的电流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的输出电压。对于输入的任意四位二进制数D3、D2、D1、D0，流过Rf的电流为,运算放大器的输出电压为,可见，输出的模拟电压与二进制数字信号成正比。同理对于n位DA转换器若取RfR，则,Uo,n-1Dn-1+2n-2Dn-2+-+21D1+20D0),11.1.2 DA转换器的主要参
4、数,分辨率定义为最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压（对应的输入二进制数全为1）之比，即,1.分辨率,显然位数越多，能分辨出的最小电压越小。有时也直接用DA转换器的位数表示分辨率，位数越多，分辨率越高。,通常用非线性误差的大小表示DA转换器的线性度。产生非线性误差的原因是模拟开关导通的压降，电阻网络各阻值不尽相等等。,2.线性度,转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，其产生的原因是各模拟开关的压降不一定相等，各电阻阻值的偏差不可能做到完全一致。,3.精度,从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值所需时间称为建立时间。其建立时间主要取决于运算放大器到达稳定状态所需
5、时间。对于十位的单片集成DA转换器的转换时间一般不超过1s。,4.输出电压（或电流）的建立时间,除以上参数外DA转换器还有功率消耗，温度系数等技术指标。,11.1.3 集成数模转换器（DAC）,DAC0832是分辨率为8位的数模转换器，它采用20脚双列直插式封装结构，管脚排列如右图。,DAC0832,DAC0832是电流输出型芯片，其输出端要外接运算放大器，以便将输出模拟电流转换为模拟电压。它的电路原理框图如下图所示。,DAC0832是由8位输入寄存器（1）、8位输入寄存器（2）及一个8位DA转换器三部分组成。,采用两个8位寄存器的目的是使DA转换器在对其寄存器的数字信号进行转换的同时，输入寄
6、存器又可以接收新的输入数字信号，从而提高了转换速度。各管脚功能如下：,DI0DI7：8位数字量的输入端。Iout1，Iou2：模拟电流输出端。外接运算放大器的反相输入端与Iout1相连，外接运算放大器的同相输入端和Iout2相连。Iout1输出电流为各权电流之和，与输入的数字量成线性对应关系。RfB：芯片内部电阻R的引出端，外接运算放大器的输出端，作为运算放大器的反馈电阻，也可根据需要外接电阻后再接运算放大器的输出端，R的另一端在芯片内部接Iout1端。,UREF： 权电阻网络基准电源输入端，取值范围为10V 10V，如为单极性输出，则输出电压在 0 UREF范围内变化。,UCC：电源输入端，
7、电源电压可在515V范围内选择， 当UCC15V时，工作状态最佳。DGND：数字部分接地端。AGND：模拟部分接地端。在芯片内数字地与模拟地是分开的，以免两者之间的相互干扰，根据需要在芯片外部的适当部分将两者地线相连。,5个输入信号控制端：ILE：数据允许锁存信号，高电平有效。,：片选信号，低电平有效。当 0，ILE1， 0时，允许输入数据存入寄存器（1）。,：写入信号2，低电平有效。,：传送控制信号，低电平有效。当 0， 及 0时， 数据由寄存器（1）送入寄存器（2），且进入8位DA转换部分进行转换。,下图是两片DAC0832同时使用的接线方式。电路对控制信号的时序要求如下,数据送到第一芯片
8、寄存器（1）,数据同时送入两个芯片的寄存器（2）转换成模拟量输出。,数据送到第二芯片寄存器（1）,时序图,“1”,Iout1,Iout2,RfB,DI0DI7,DAC0832,Iout1,Iout2,RfB,DI0DI7,DAC0832,输入控制信号,译码器,24线,Uo1,Uo2,ILE,“1”,ILE,两片DAC0832同时使用的接线方式图,两个DA转换器的 信号由译码器的两个输出端提供。将两个DA转换器的 端接在一起，由译码器的第三个输出端提供控制信号 。工作时，译码器根据它的输入信号对两个DA转换器分别发出控制信号 ，从而分时地将要转换的数据输入到两个芯片的寄存器（1）中，再由 信号，
9、同时将两个数据送入相应芯片的寄存器（2）中，然后进行数模转换。,11.2 模数转换器（ADC）,11.2.1 模数转换器（ADC）的转换原理,AD转换器的种类繁多，按工作原理可分为：并联比较型，双积分型及逐次逼近型。并联比较型转换速度快，但精度不高；双积分型转换精度较高，抗干扰能力较强，但转换速度慢；逐次逼近型的转换速度较快，转换精度高，故应用较多。下面仅介绍逐次逼近型模数转换器。,逐次逼近型AD转换器的工作原理如同天平称重物，采用逐次逼近的方法使重物和砝码相等。逐次逼近型模数转换器，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，其原理图如下图。,ADC,数码产生,
10、控制电路,电压比较器,结果输出,带转换电压,逐次逼近型模数转换器电路由下列几部分组成：,它是由四个触发器FB3FB2FB1FB0构成的环形计数器，初态为QB3QB2QB1QB01000,数模转换器DAC的输入是逐次逼近寄存器的输出，输出电压UA送到电压比较器的同相输入端。,（1） 逐次逼近寄存器,它由三个RS触发器FA2FA1FA0组成，输出是三位二进制数d2d1d0,（2） 顺序脉冲发生器,（3）数模转换器,（4）电压比较电路,运算放大器C构成电压比较器，由它来比较输入电压UI（加在反相输入端）与UA的大小，若UAUI则输出端F为“1”；若UAUI，则输出端F为“0”。输出端F接至控制逻辑与
11、门G3G2G1的输入端。,（5） 控制逻辑门,（否则FA2变为0）使d2d1d0110，经DAC转换输出模拟电压,UA 67.5V，,因为UAUI，则比较器C输出F为“1”，同时顺序脉冲发生器右移一位，即QB3QB2QB1QB00010。当第三个CP脉冲到来时，使FA0置1，由于原来的F=1，则FA1被置0，使d2d1d0101，此时,UA （41）6.25V，,UAUI，则比较器C输出为0，同时顺序脉冲发生器右移一位，这时Q3Q2Q1Q00001。当第四个CP脉冲到来，FA0的1状态被保留，使d2d1d0101保持不变，即为转换结果。,若使E1，三个读出与门打开，将d2d1d0送到输出端。在
12、第四个CP脉冲到来时，使Q3Q2Q1Q01000返回到原始状态。完成了一次转换。,在这个例子中转换误差为6.86.250.55V。转换器的位数越多误差越小。,其它类型的ADC,模数转换器：模数转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，在这个过程中会产生一定的量化噪声，这种噪声将影响到输出结果，因此，采用将转换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端，同时在这之间加一级低通滤波器的方法，就可将量化噪声过滤掉，从而得到一组精确的数字量,11.2.2 AD转换器的主要参数,分辨率通常以输出的二进制位数来表示，位数越多误差越小，转
13、换精度越高，它说明AD转换器对输入信号的分辨能力。,2. 转换速度,1. 分辨率,用完成一次模数转换所需的时间来表示，转换时间是从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出为止所需时间。转换时间越短，转换速度越高，通常在几十微秒左右。,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LSB表示。如相对精度1LSB，表明相对精度不大于最低有效位1。,3. 相对精度,11.2.3 集成模数转换器,ADC0804是逐次逼近型8位模数转换器，完成一次转换时间为100s，转换精度为1LSB，输入电压为05V。该芯片内有输出数据锁存器，使输出数据可以直接连接在CPU数据总线上。该芯片
14、是20脚双列直插式封装，其脚管排列如右图。,各管脚引线功能如下：,DB0DB7：8位二进制数字输出端，可直接接在系统的数据总线上。UIN()和UIN()：模拟信号输入端，如果输入电压的变化范围从0V5V，则输入电压加在UIN(+) 端，而UIN()端接地。UREF2：参考电压端，是芯片内所需的基准电压。输入电压的范围可以通过调整UREF2管脚处的电压加以改变，UREF2端电压值应是输入电压范围的二分之一。 如输入电压范围是0.5V4.5V， 则在UREF2端应加2V的电压，当输入电压是05V时，将UREF2端悬空，基准电压可由VCC经内部分压得到。,UCC：电源电压端，该芯片由5V电源提供。DGND、AGND：分别为数字地与模拟地端。CLK、CLKR：时钟脉冲端，时钟脉冲的频率决定了芯片逐位比较的节拍。由于芯片内部有时钟发生器，只需在CLKR和CLK端外接电阻电容，如右图所示，即可产生所需频为,f 的内部时钟脉冲。,若采用外部时钟，则可直接加在CLK端，不必接R、C元件。,：片选信号，低电平有效。,：写入信号端，低电平有效。当 0时读入模拟量，当 上升沿到来时启动转换。,：转换结束信号端，低电平有效，当转换结束时产生结束信号 输出，通知外部设备读取结果。,：读出信号端，低电平有效。当 0， 0时，读取转换器的数据，同时 自动变高电平。,ADC0804的工作时序图如下,
