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1、第 14 章 数模转换与模数转换,退出,退出,数字电路 大脑,模拟I/O 耳目/手脚,一般自动化设备和仪器的内部组成框图如下：,神经传输,能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。,退出,模数 转换器,数模 转换器,典型的自动控温锅炉实例：,退出,14.1 D/A转换器,主要要求：,理解D/A转换的原理与过程,了解D/A的组成和分类,了解D/A的基本参数及应用,退出,D/A(Digital to Analog Converter，简称DAC)的作用是把数字量信号转换成模拟电压。,数字系统信号往往
2、是多位二进制来表示，每一位都有一定的“权”。数字量化为模拟量，即是二进制数化作十进制数的过程： 按权展开，求相应位的模拟量； 相加求和，求总的模拟量。,模块框图,退出,如输入为d0dn-1的n位数字量，输出为模拟电压uo，则具体变换过程为把每一位按“加权和”展开，总和构成模拟电压量。其中dn-1的权为2n-1， d0的权为20。,转换特性,DAC的一般构成：,电阻网络：实现按权展开； 电子开关: 给定数字量； 求和电路: 完成模拟量相加。,存在多种网络形式。,由晶体管或MOS管组成。,由运放组成,退出,14.1.1 权电阻D/A转换器,这类转换器一般内部由权电阻网络、模拟开关、基准电压（VRE
3、F）和运算放大器四部分组成。,模拟开关,电阻网络,运算放大器,退出,每一位双向开关控制一位数字量，某位bi=0时，对应Ri上无电流； bi=1时，对应Ri上有电流Ii,例如输入数字量为1001，则b4b3b2b1=1001,基准电压UREF具有高稳定性，N为数字量加权和。,由集成运放“虚短”“虚断”性质，,求和电路,退出,上式表明，输出的模拟电压与二进制数字量的大小成正比，从而实现了D/A转换。,例如某8位D/A转换器，n8，UREF10V，则 输入数字00000000B（N0D）时，uo0V； 输入数字10000000B（N128D）时，uo-5.02V； 输入数字11111111B（N25
4、5D）时，uo-10V。,（1）结构简单，但是网络中各电阻差值太大，精度太低； （2）各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲，动态误差大。 如：1000 0111的转换：可能为1000 00000100 0110 0111,产生尖脉冲,退出,14.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,（1）电子开关置于电阻网络和运放之间。 bi1电流入反相端（虚地）， bi0电流入地（实地）。 （2）无论开关在左（实地）还是在右（虚地），电阻流过电流恒定，故无需电流建立时间。从根本上消除了产生尖峰脉冲的原因。,只由R和2R两种电阻组成倒T形电阻网络。,退出,退出,退出,14.1.3 D/A转换器的主要指标,1.
5、分辨率,分辨率是指输出电压最小变化量（ULSE）与最大输出电压（UMAX）即满量程输出电压之比。,如三位输入的D/A，分辨率即为1/70.143。左图即是其输出电压，是阶梯的，每一个最小变化量ULSE1V（称为一个阶梯）。如果是10位输入的，分辨率约为1/2100.00098。,所以分辨率一般直接用位数来表示，如8位、10位等，位数越高，分辨率越高。,退出,2.精度,精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的偏离程度，通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。,例如某DAC的满量程输出电压是10V，如果误差1，则输出电压最大误差为0.1V（100mV），百分数越小精度越高。,3.输出建立时
6、间,是指从送入数字信号起，到输出电压（或电流）到达稳态值所需要的时间。,也称作转换时间，有时为输出上升到满刻度的某一百分数所需要的时间，一般为几纳秒到几微秒。,一个系统中，分辨率和精度往往应当一致，以避免不合理的资源浪费。,退出,4.输出极性及范围,输出信号有单极性和双极性两种。,输出信号的形式有电流输出和电压输出。对电流输出的DAC，常常需外接运放将电流转换成电压。左图为反相电压输出，uOUTiRf；右图是同相电压输出， uOUTiR3（1R2/R1）。,退出,14.1.4 集成D/A转换芯片DAC0832及应用,DAC0832是CMOS工艺8位D/A芯片，由两个8位寄存器和8位D/A转换器
7、构成。输入数据D0D7经输入寄存器和DAC寄存器缓冲，再进入D/A转换模块。输出为电流型，IOUT1和IOUT2。,低电平有效的寄存器锁存控制端,寄存器锁存 组合控制逻辑,输出电流,退出,1.DAC0832的引脚功能,退出,退出,2.DAC0832的技术特性,DAC0832采用二次缓冲方式，可以在输出同时采集下一个数据，从而提高转换速度，更重要的是能在多个转换器工作的同时，实现多通道D/A的同步输出。,分辨率为8位 只需在满量程下调整其线性度 可与单片机或处理器直接接口，也可单独使用 电流稳定时间1s 可双缓冲、单缓冲或直通输入 低功耗，200mW 逻辑电平输入与TTL兼容 单电源供电（5V+
8、15V）,退出,3.DAC0832的工作方式,DAC0832有三种工作方式：直通、单缓冲和双缓冲方式。,这种方式下输入数据直接通入D/A转换级转换并输出。输入寄存器和DAC寄存器工作于不锁存的状态，比较适合于输入数字量变化速度缓慢的场合。,H为接高电平，L为接低电平,退出,当输入变化速度快、或者系统中有多个设备共用数据线时，需要对数据进行锁存。单缓冲方式适合于只有一路模拟量输出、或几路模拟量不需要同时输出的场合。,运算放大器,I/O,DAC0832时序图,稳压电路,退出,双缓冲方式适合于几个0832同时使用，共用数据线，并要求几个0832同时输出的场合。,I/O,运算放大器,运算放大器,P2.
9、5为L，数据寄存于1*0832片 P2.3为L，数据寄存于2*0832片 P2.7为L，X、Y同时输出到两片0832的寄存器并锁存，同时进行D/A转换，同步输出。,退出,14.2 A/D转换器,主要要求：,理解A/D转换的原理与过程,了解A/D的组成和分类,了解A/D的基本参数及应用,退出,A/D 转换器(ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。模拟信号特点是时间和幅值都连续，数字信号的特点时间域和幅值域都离散。时间离散化须经过采样、保持两步骤；幅值离散化须经过量化、编码两步骤。,14.2.1 A/D转换的基本原理,退出,1.采样和保持,由于输入信号是连续变化的，而转换需要一定时间，为使
10、转换正常进行，每进行一次转换，需要对输入信号进行一次采样，以获得确定输入，并将这个输入保持到转换结束，这个过程称为采样和保持。,脉冲控制开关,电容保持,采样频率越高，信号uI(t)与uI就越接近，转换误差越小，采样频率fs必须满足fs2fmax（采样定理） fmax是uI频谱的最高频率分量。,退出,集成采样保持器LF198,开关驱动电路,保护电路,模拟输入,开关脉冲,退出,2.量化和编码,将采样保持后的电压化为某个规定的最小单位电压整数倍的过程称为量化。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。,量化所规定的最小单位电压称为量化单位，用表示。由于输入模拟电压幅值连续，不一定能被整除，因而量化过程
11、中不可避免会引入误差，称此误差为量化误差，最大可达。一般采用“四舍五入”的方法量化，误差为/2。例如下表：,退出,量化单位的大小与输入信号范围和输出位数有关。,退出,14.2.2 逐次比较型A/D转换器,1.电路组成,D/A转换器，将数据寄存器中数字量转换成相应的模拟电压去与被测电压比较。 数据寄存器，根据比较器中与输入量的比较结果决定最高位留下还是清除，逐位进行，所有位比较完毕后统一输出。 电压比较器，比较数据寄存器中数据对应电压与输入电压； 控制逻辑及时钟，用于实现整机的逻辑控制。,退出,2.工作过程,10位环形移位寄存器,初始W8W为0000000001,Q8Q1均为0,若输入电压uI大
12、于D/A的输出uD，比较器输出uC0，否则uC1。,退出,假设输入电压uI149V。 第一个CP到来时，W81，其余Wi均为0，FF8被置1，其余数据寄存器处于保持状态，于是输出Q8Q1为10000000，经D/A转换器后输出电压uDN128V，uI与128V比较，uC0。 第二个CP来到时，W71，其余Wi均为0，由于上次比较uC为0，使得Q81，故数据寄存器为11000000，uI与192V比较，uC1。,第三个CP来到时，由于上次比较uC为1，使数据寄存器为10100000，uI与160V比较，使uC1。 如此逐次比较下去，最后确定数据寄存器各位状态是10010101，得到149V编码。
13、最后各位数据寄存器一同输出其各个位的编码。,退出,14.2.3 双积分型A/D转换器,1.电路组成,又称双斜率A/D转换器，基本原理是对输入模拟电压和基准电压进行两次积分：先将输入电压uI转换成与之大小对应的时间间隔TC，再在此时间间隔内用固定频率计数器计数，计数器所计数字量正比于输入模拟电压。,由于需要积分两次，因此双积分型A/D转换器速度较低，但分辨率较高，适合高精度要求但对速度要求不高的场合，如数字万用表等。,退出,积分器,比较器,开关S1选通模拟输入电压或者基准电压，S2控制积分器是否处于积分状态。比较器对uO判符号，uO0时输出Co1（高电平）；否则输出低电平。,计数器对输入的时钟脉
14、冲个数计数，计满时溢出并置1，控制S1动作以选择输入模拟信号或基准电压。,退出,2.工作过程,双积分之前，控制电路使计数器清零S2闭合使电容C放电，放电结束后，S2再断开。,第一次积分，S1接模拟电压输入，输出电压uO为,第一段积分由计数器记录下uO大小对应的时间T1，积分器工作到计数器溢出为止，此时定时器置1，控制S1接通基准电压输入端。,T1是n位二进制计数器由0计数到溢出所需的时间，N1为计数器的最大十进制数，fC为时钟脉冲CP的频率。,退出,由于N1和fC为固定值，所以第一阶段结束时积分器的输出为,第二次积分，S1接基准电压输入，输出电压uO为,由于是反相积分，输出结果与0比较，当uO
15、(t)0时，时钟输入控制门被关闭，计数器停止计数，结束第二次积分。,退出,若第二次积分阶段计数器计数值为N2，则,第一次积分,第二次积分,上述分析可见，双积分型是将输入电压和基准电压转换成时间间隔（计数脉冲）进行比较。具有抗干扰能力强，对器件稳定性要求不高，输出二进制数的位数易做得很高，因此分辨率及精度较高。,退出,14.2.4 A/D转换器的主要技术指标,1.分辨率,以输出的二进制的位数n表示，位数越多量化误差越小。,2.转换精度,实际输出与理论输出的偏离程度。,3.转换精度,完成一次转换所需要的时间。,4.输入模拟电压范围,通常单极性输入时为05V，双极性输入时为-5+5V。,退出,14.
16、2.5 集成A/D转换器ADC0809及其应用,ADC0809是CMOS工艺8位逐次比较型A/D转换芯片，28脚双列直插封装（DIP28），具有8个通道的模拟量输入，可在程序控制下对任意通道分时进行A/D转换。,1.ADC0809的主要技术指标,工作电压：515 V 分辨率：8位 时钟频率：640 KHz 转换时间：100 ms 未经调整误差：1/2 LSB和1 LSB 模拟量输入范围：05 V 功耗：15 mW,退出,2.ADC0809的结构,由8位A/D转换电路、8路模拟开关、地址锁存与译码电路、以及三态输出锁存器组成。,DAC0809引脚图,DAC0832内部结构,8路模拟输入,模拟输入的通道选通由地址
