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1、微机原理与接口技术第十二章 模数(A/D)和数模(D/A)转换杭州电子科技大学杭州电子科技大学杭州电子科技大学杭州电子科技大学7/23/20247/23/20241 17/23/20247/23/20242 2第十二章 模数(A/D)和数模(D/A)转换 本章内容提要本章内容提要概述概述l l实时控制系统实时控制系统l l多路模拟开关多路模拟开关l l采样、量化和编码采样、量化和编码l l采样保持器采样保持器 D/AD/A转换器转换器l l数数/ /模转换原理模转换原理l l数数/ /模转换器的主要性能指标模转换器的主要性能指标l l几种数几种数/ /模转换器模转换器A/DA/D转换转换l l
2、模数转换器原理模数转换器原理l l典型的模典型的模/ /数转换器数转换器7/23/20247/23/20243 312-1 概述l数字量和模拟量数字量和模拟量数字量数字量 : 01011010 : 01011010 、11000011,11000011,随时间断续变化的量。随时间断续变化的量。 模拟量模拟量 : 12.5V: 12.5V、10A10A、37.537.5、1000m1000m3 3/s/s、9.6m/s9.6m/s， 随时间连续变化的量。随时间连续变化的量。l 数数/ /模转换器模转换器DACDAC和模和模/ /数转换器数转换器 ADCADC将数字量转换为模拟量的器件，将数字量转
3、换为模拟量的器件，DACDAC或或D/AD/A 将模拟量转换为数字量的器件，将模拟量转换为数字量的器件，ADCADC或或A/DA/D7/23/20247/23/20244 412-1 概述控控制制对对象象计计算算机机传感器传感器放大滤波放大滤波多多路路开开关关MUXMUX采采样样保保持持器器S/HS/HA/DA/D转转换换器器I/OI/O接接口口多多路路开开关关MUXMUXD/AD/A转转换换器器I/OI/O接接口口传感器传感器放大滤波放大滤波执执行行部部件件7/23/20247/23/20245 5一、一个实时控制系统一、一个实时控制系统l l传感器的种类很多传感器的种类很多：同一种物理量可
4、以用几种不同的传感器来测量同一种物理量可以用几种不同的传感器来测量, ,同一种传感器同一种传感器, ,根根据它们的特性又可分成不同的型号据它们的特性又可分成不同的型号。例如。例如, ,室温和体温常用室温和体温常用热敏热敏热敏热敏电阻电阻电阻电阻测量测量; ;如果测量的是工业窑炉的炉温如果测量的是工业窑炉的炉温, ,则可选用各种则可选用各种热电偶热电偶热电偶热电偶; ;压力可以用压阻式、压电式、振动式等压力传感器来测量压力可以用压阻式、压电式、振动式等压力传感器来测量; ;若测若测量人体血压量人体血压, ,则应采用专门的血压传感器。此外则应采用专门的血压传感器。此外, ,还有流量传感器、还有流量
5、传感器、位移传感器、光电传感器等各种不同功能的传感器。位移传感器、光电传感器等各种不同功能的传感器。 l l信号的预处理信号的预处理 ：信号放大、滤波、电平转换等。：信号放大、滤波、电平转换等。l l多路切换的方法有两种多路切换的方法有两种: :多路模拟开关多路模拟开关MUXMUX( (MultiplexerMultiplexer) )实现多路信号的切换实现多路信号的切换; ;另一种是选另一种是选用内部带多路转换开关的用内部带多路转换开关的A/DA/D转换器转换器(ADC0809, (ADC0809, 带有带有8 8路模拟开关路模拟开关的的A/DA/D转换器转换器) )。D/AD/A通道中也可
6、以使用多路开关通道中也可以使用多路开关, ,不过由于不过由于D/AD/A转转换器比较便宜换器比较便宜, ,实际系统中较少使用多路开关。实际系统中较少使用多路开关。 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20246 6二、多路模拟开关二、多路模拟开关 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述1 1 1 1多路开关的作用多路开关的作用多路开关的作用多路开关的作用2 2 2 2多路开关的工作原理多路开关的工作原理多路开关的工作原理多路开关的工作原理3 3 3 3多路开关芯片多路开关芯片多路开关芯片多路开关芯片7/23/20247/23/2
7、0247 71. 1. 1. 1. 多路开关的作用多路开关的作用多路开关的作用多路开关的作用对对多个多个多个多个变化较为变化较为缓慢的模拟信号缓慢的模拟信号缓慢的模拟信号缓慢的模拟信号进行进行A/DA/D转换时，转换时，利用利用多路开关多路开关多路开关多路开关将各路模拟信号将各路模拟信号轮流与轮流与轮流与轮流与A/DA/D转换器接通，转换器接通，转换器接通，转换器接通，使使一个一个一个一个A/DA/D转换器能转换器能完成多个完成多个完成多个完成多个模拟信号的模拟信号的转换转换转换转换，节省硬件开销。，节省硬件开销。 n n选选选选1 1多路开关多路开关采采采采样样样样保保保保持持持持A / D
8、A / D模拟量模拟量模拟量模拟量1 1模拟量模拟量模拟量模拟量2 2模拟量模拟量模拟量模拟量n n微微机机系系统统多路开关在模拟量输入多路开关在模拟量输入/ /输出通道中，输出通道中，作用是切换模拟信号，故又称作用是切换模拟信号，故又称模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关。二、多路模拟开关二、多路模拟开关 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20248 8二、多路模拟开关二、多路模拟开关l l用途（作用）用途（作用）: :切换模拟信号切换模拟信号 对于对于A/DA/D通道来说通道来说, ,需要用多路输入、一路输出的模拟开关需要用多路
9、输入、一路输出的模拟开关, ,使使输入的多路模拟信号轮流与输入的多路模拟信号轮流与A/DA/D转换器接通。对于转换器接通。对于D/AD/A通道通道, ,则则要在要在D/AD/A转换器之后加一个一路输入、多路输出的模拟开关转换器之后加一个一路输入、多路输出的模拟开关, ,使输出的模拟信号轮流分配到各模拟通路。使输出的模拟信号轮流分配到各模拟通路。 Analog MultiplexerAnalog MultiplexerN-1N-1，1-N 1-N 分时使用分时使用1 1端器件端器件 l l典型典型MUXMUX芯片芯片AD7501/3AD7501/3八选一单向八选一单向; ;CD4051CD405
10、1、CD4052 8-1 CD4052 8-1 双向切换双向切换双向切换双向切换，它们既可作多路输入、，它们既可作多路输入、一路输出的模拟开关一路输出的模拟开关, ,也可作一路输入、多路输出的模拟开也可作一路输入、多路输出的模拟开关。关。 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20249 92. 2. 2. 2. 多路开关的工作原理多路开关的工作原理多路开关的工作原理多路开关的工作原理电电平平转转换换译译码码驱驱动动A A0 0A A1 1A An nS S0 0S S1 1S Sn nOUTOUT多路多路模拟输入模拟输入选择选择控制控制输入输入一
11、一 路路模拟输出模拟输出二、多路模拟开关二、多路模拟开关 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/202410103. 3. 3. 3. 多路开关芯片多路开关芯片多路开关芯片多路开关芯片rr 4 4选选1 1：CD4052CD4052、AD7502AD7502rr8 8选选1 1：CD4051CD4051、AD7501AD7501rr1616选选1:CD40671:CD4067、AD7506AD7506二、多路模拟开关二、多路模拟开关 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20241111微机的数据采集与
12、控制系统微机的数据采集与控制系统控制控制对象对象D / AD / A放大器放大器执行部件执行部件计计算算机机多多路路开开关关传传感感器器1 1放放大大器器1 1滤滤波波器器1 1模模拟拟量量1 1采采样样保保持持A / DA / D传传感感器器n n放放大大器器n n滤滤波波器器n n模模拟拟量量n n7/23/20247/23/20241212二、多路模拟开关二、多路模拟开关l l引脚引脚引脚引脚S S为选通端为选通端为选通端为选通端, ,只有当只有当只有当只有当S S为低为低为低为低电平时电平时电平时电平时, ,才能选中某一通道才能选中某一通道才能选中某一通道才能选中某一通道, ,使使使使
13、开关接通。开关接通。开关接通。开关接通。A A2 2AA0 0是开关通道是开关通道是开关通道是开关通道号输入端号输入端号输入端号输入端, ,当当当当A A2 2AA0 0输入输入输入输入000111000111时时时时, ,分别对应分别对应分别对应分别对应0707通通通通道上的开关处于闭合状态。通道上的开关处于闭合状态。通道上的开关处于闭合状态。通道上的开关处于闭合状态。通常常常常, S, S和和和和A A2 2AA0 0信号由接在信号由接在信号由接在信号由接在CPUCPU数据总线上的一个锁存器数据总线上的一个锁存器数据总线上的一个锁存器数据总线上的一个锁存器提供提供提供提供, ,这样就可以用
14、输出指令这样就可以用输出指令这样就可以用输出指令这样就可以用输出指令实现通道选择。实现通道选择。实现通道选择。实现通道选择。 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20241313多路开关多路开关AD4501AD4501AD4501AD4501真值表真值表真值表真值表I/OI/O7 7I/OI/O0 0 为为为为8 8路模拟路模拟路模拟路模拟输入输入输入输入I/O I/O 为为为为1 1路路路路模拟模拟模拟模拟输出输出输出输出S SA2A2A1A1A0A0选通选通0 00 00 00 0I/OI/O0 00 00 00 01 1I/OI/O1 10
15、 00 01 10 0I/OI/O2 20 00 01 11 1I/OI/O3 30 01 10 00 0I/OI/O4 40 01 10 01 1I/OI/O5 50 01 11 10 0I/OI/O6 60 01 11 11 1I/OI/O7 71 1 CDCD4051405116161515141413131212111110109 91 12 23 34 45 56 67 78 8V VDDDDI/OI/O2 2I/OI/O1 1I/OI/O0 0I/OI/O3 3A A0 0A A1 1A A2 2I/OI/O4 4I/OI/O6 6O/IO/II/OI/O7 7I/OI/O5 5S
16、 SV VEEEEV VSSSS 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述二、多路模拟开关二、多路模拟开关7/23/20247/23/20241414 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述二、多路模拟开关二、多路模拟开关7/23/20247/23/20241515 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述二、多路模拟开关二、多路模拟开关CDCD40514051I/OI/O7 7I/OI/O6 6 I/OI/O0 0 I/OI/O S SA A2 2A A1 1A A0 0ININ7 7ININ6 6 . . . . ININ0 0S/HS/H
17、A/DA/D74LS74LS3733734Q4Q3Q3Q2Q2Q1Q1Q4D4D3D3D2D2D1D1DD D3 3D D2 2D D1 1D D0 0译译码码器器CLKCLK地址总线地址总线7/23/20247/23/20241616 多路模拟开关的典型应用是与采样保持器和多路模拟开关的典型应用是与采样保持器和多路模拟开关的典型应用是与采样保持器和多路模拟开关的典型应用是与采样保持器和A/DA/D转换器配合转换器配合转换器配合转换器配合, ,构构构构成多路数据采集通道。图成多路数据采集通道。图成多路数据采集通道。图成多路数据采集通道。图12-412-4是用是用是用是用CD4051CD4051
18、作多路开关作多路开关作多路开关作多路开关, ,构成具构成具构成具构成具有有有有8 8个输入通道的数据采集电路的例子。个输入通道的数据采集电路的例子。个输入通道的数据采集电路的例子。个输入通道的数据采集电路的例子。 经放大、滤波等预处理之后的经放大、滤波等预处理之后的经放大、滤波等预处理之后的经放大、滤波等预处理之后的8 8路模拟信号路模拟信号路模拟信号路模拟信号ININ0 0 ININ7 7分别送到分别送到分别送到分别送到CD4051CD4051的的的的8 8个个个个I/OI/O引脚引脚引脚引脚,CPU,CPU数据总线的数据总线的数据总线的数据总线的D D3 3 D D0 0接到锁存器接到锁存
19、器接到锁存器接到锁存器74LS27374LS273的输入端。锁存后的的输入端。锁存后的的输入端。锁存后的的输入端。锁存后的D3D3位位位位4Q4Q与选通端与选通端与选通端与选通端S S相连相连相连相连, ,当当当当D D3 3=0=0时时时时, S=0, S=0,使使使使CD4051CD4051选通；选通；选通；选通；D D2 2DD0 0位经锁存后分别与位经锁存后分别与位经锁存后分别与位经锁存后分别与CD4051CD4051的的的的通道号输入端通道号输入端通道号输入端通道号输入端A A2 2AA0 0相连相连相连相连, ,实现通道选择。实现通道选择。实现通道选择。实现通道选择。假设锁存器的假
20、设锁存器的假设锁存器的假设锁存器的I/0I/0地址为地址为地址为地址为ADPORT,ADPORT,若要将接在若要将接在若要将接在若要将接在IN6IN6端的模拟信号切端的模拟信号切端的模拟信号切端的模拟信号切换到换到换到换到A/DA/D转换器去转换器去转换器去转换器去, ,可用如下指令实现可用如下指令实现可用如下指令实现可用如下指令实现: : MOV AL, 00000MOV AL, 00000110110B ;B ;D3D3必须为必须为必须为必须为0, D0, D2 2DD0 0=110,=110,表示通道表示通道表示通道表示通道6 6 OUT ADPORT, AL OUT ADPORT, A
21、L 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述二、多路模拟开关二、多路模拟开关7/23/20247/23/20241717三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述微机的数据采集系统微机的数据采集系统7/23/20247/23/20241818 模拟信号经预处理后从多路开关输出时模拟信号经预处理后从多路开关输出时模拟信号经预处理后从多路开关输出时模拟信号经预处理后从多路开关输出时, ,信号幅度已达到几伏信号幅度已达到几伏信号幅度已达到几伏信号幅度已达到几伏的数量级的数量级的数量级的数量级, ,它还必须经过采样、量化和编码的过
22、程才能成为它还必须经过采样、量化和编码的过程才能成为它还必须经过采样、量化和编码的过程才能成为它还必须经过采样、量化和编码的过程才能成为数数数数字量字量字量字量。1.1.采样和量化采样和量化 采样采样采样采样就是按相等的时间间隔就是按相等的时间间隔就是按相等的时间间隔就是按相等的时间间隔t t从电压信号上截取一个个离散的从电压信号上截取一个个离散的从电压信号上截取一个个离散的从电压信号上截取一个个离散的电压瞬时值电压瞬时值电压瞬时值电压瞬时值, ,这些值都有精确的大小这些值都有精确的大小这些值都有精确的大小这些值都有精确的大小。严格地讲。严格地讲。严格地讲。严格地讲, ,必须用无穷多必须用无穷
23、多必须用无穷多必须用无穷多位小数才能真正表示出它们的电压值来位小数才能真正表示出它们的电压值来位小数才能真正表示出它们的电压值来位小数才能真正表示出它们的电压值来, ,但实际上只能把这些但实际上只能把这些但实际上只能把这些但实际上只能把这些采集下来的电压瞬时值表示到一定的精度。采集下来的电压瞬时值表示到一定的精度。采集下来的电压瞬时值表示到一定的精度。采集下来的电压瞬时值表示到一定的精度。有一个被采样的信号电压的幅度范围为有一个被采样的信号电压的幅度范围为有一个被采样的信号电压的幅度范围为有一个被采样的信号电压的幅度范围为0 07 7伏伏伏伏, ,若把它们分为若把它们分为若把它们分为若把它们分
24、为8 8层层层层, ,包括电平包括电平包括电平包括电平0V0V在内在内在内在内, ,每个分层为每个分层为每个分层为每个分层为1 1伏伏伏伏, ,然后看每个采样处于哪个然后看每个采样处于哪个然后看每个采样处于哪个然后看每个采样处于哪个分层之中分层之中分层之中分层之中, ,该分层的起始电平就是这个采样的数字量。该分层的起始电平就是这个采样的数字量。该分层的起始电平就是这个采样的数字量。该分层的起始电平就是这个采样的数字量。三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20241919三、采样、量化和编码三、采样、量化和
25、编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242020 将将将将t t0 0时刻采样的实际值变成数字量的过程称为时刻采样的实际值变成数字量的过程称为时刻采样的实际值变成数字量的过程称为时刻采样的实际值变成数字量的过程称为量化量化量化量化。每个分层所包。每个分层所包。每个分层所包。每个分层所包含的最大电压值与最小电压值之含的最大电压值与最小电压值之含的最大电压值与最小电压值之含的最大电压值与最小电压值之差差差差为为为为1 1伏伏伏伏, ,它被称为它被称为它被称为它被称为量化单位量化单位量化单位量化单位, ,用用用用q q表示。表示。表示。表示。
26、显然显然显然显然, ,量化单位越小量化单位越小量化单位越小量化单位越小, ,一定范围内的电压值被分的层数就越多一定范围内的电压值被分的层数就越多一定范围内的电压值被分的层数就越多一定范围内的电压值被分的层数就越多, ,采样值采样值采样值采样值的数字量与实际电平之间的误差也越小的数字量与实际电平之间的误差也越小的数字量与实际电平之间的误差也越小的数字量与实际电平之间的误差也越小, ,精度也就越高精度也就越高精度也就越高精度也就越高。 每个每个每个每个A/DA/D转换器都有一个允许的最大输入电压范围转换器都有一个允许的最大输入电压范围转换器都有一个允许的最大输入电压范围转换器都有一个允许的最大输入
27、电压范围, ,通常还有一个参通常还有一个参通常还有一个参通常还有一个参考电压考电压考电压考电压V VR R输入引脚输入引脚输入引脚输入引脚, ,在输入电压值范围内改变在输入电压值范围内改变在输入电压值范围内改变在输入电压值范围内改变V VR R的值的值的值的值, ,可以设定可以设定可以设定可以设定A/DA/D转转转转换器能够转换的电压范围换器能够转换的电压范围换器能够转换的电压范围换器能够转换的电压范围, ,也即指定它的也即指定它的也即指定它的也即指定它的量程量程量程量程。 例如，一个例如，一个例如，一个例如，一个8 8位的位的位的位的A/DA/D转换器，它将把输入电压信号分成转换器，它将把输
28、入电压信号分成转换器，它将把输入电压信号分成转换器，它将把输入电压信号分成2 28 8=256=256层，层，层，层，若它的量程为若它的量程为若它的量程为若它的量程为0 05V5V，那么，它能分辨的最小的量化单位（那么，它能分辨的最小的量化单位（那么，它能分辨的最小的量化单位（那么，它能分辨的最小的量化单位（A A代表电代表电代表电代表电压量程范围）为：压量程范围）为：压量程范围）为：压量程范围）为：三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/202421212.2.编码编码 经采样和量化后经采样和量化后经采样和
29、量化后经采样和量化后, ,模拟量转化成了数字量模拟量转化成了数字量模拟量转化成了数字量模拟量转化成了数字量, ,数字量可以用不同数字量可以用不同数字量可以用不同数字量可以用不同的代码来表示的代码来表示的代码来表示的代码来表示, ,这就是数字量的这就是数字量的这就是数字量的这就是数字量的编码编码编码编码。 编码的形式有好几种编码的形式有好几种编码的形式有好几种编码的形式有好几种, ,如如如如二进制码二进制码二进制码二进制码,BCD,BCD码码码码,ASCII,ASCII码码码码等。等。等。等。 两种最常用的编码形式两种最常用的编码形式两种最常用的编码形式两种最常用的编码形式: :l l自然二进制
30、码自然二进制码自然二进制码自然二进制码l l双极性二进制编码。双极性二进制编码。双极性二进制编码。双极性二进制编码。三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242222(1)(1)(1)(1)自然二进制码自然二进制码自然二进制码自然二进制码 数据转换中常用二进制小数形式表示数字量数据转换中常用二进制小数形式表示数字量数据转换中常用二进制小数形式表示数字量数据转换中常用二进制小数形式表示数字量, ,这就是自然二这就是自然二这就是自然二这就是自然二进制码进制码进制码进制码, ,或称为自然二进制小数码。或称为自
31、然二进制小数码。或称为自然二进制小数码。或称为自然二进制小数码。 n n位自然二进制小数码表示一个小数位自然二进制小数码表示一个小数位自然二进制小数码表示一个小数位自然二进制小数码表示一个小数N N的形式是的形式是的形式是的形式是: : N=d N=d1 12 2-1-1+d+d2 22 2-2-2+d+dn n2 2-n-n式中式中式中式中, ,系数系数系数系数d di i的取值只有的取值只有的取值只有的取值只有0 0或或或或1 1两种可能两种可能两种可能两种可能, ,它表示二进制小数中第它表示二进制小数中第它表示二进制小数中第它表示二进制小数中第i i位上的数码位上的数码位上的数码位上的数
32、码,2,2-n-n表示了小数中各位上的加权。第表示了小数中各位上的加权。第表示了小数中各位上的加权。第表示了小数中各位上的加权。第1 1位加权最大位加权最大位加权最大位加权最大, ,当当当当d di i=1=1时时时时, ,它对它对它对它对N N的贡献的贡献的贡献的贡献( (加权加权加权加权) )最大最大最大最大, ,等于等于等于等于1/2,1/2,它被称为最高有它被称为最高有它被称为最高有它被称为最高有效位效位效位效位MSBMSB；最右边的第最右边的第最右边的第最右边的第n n位的加权最小，等于位的加权最小，等于位的加权最小，等于位的加权最小，等于1/2n1/2n，被称为最被称为最被称为最被
33、称为最小有效位小有效位小有效位小有效位LSBLSB，实际上就等于量化单位实际上就等于量化单位实际上就等于量化单位实际上就等于量化单位q q。三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242323三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述输入模拟量输入模拟量 二进制小数二进制小数输出数码输出数码对应电压对应电压FSR=+5VFSR=+5VFSR=+10VFSR=+10V0 00.00000.0000000000000.0000.0000.0000.000
34、1/16FSR1/16FSR0.00010.0001000100010.3120.3120.6250.6252/16FSR2/16FSR0.00100.0010001000100.6250.6251.2501.2503/16FSR3/16FSR0.00110.0011001100110.9370.9371.8751.87515/16FSR15/16FSR0.11110.1111111111114.6874.6879.3759.375四位（四位（四位（四位（n=4n=4）二进制小数码的表示）二进制小数码的表示）二进制小数码的表示）二进制小数码的表示7/23/20247/23/20242424(2
35、)(2)双极性二进制编码双极性二进制编码双极性二进制编码双极性二进制编码 如果如果如果如果A/DA/D转化器允许输入双极性信号，如转化器允许输入双极性信号，如转化器允许输入双极性信号，如转化器允许输入双极性信号，如5V5V，为了表示为了表示为了表示为了表示V Vx x的极性，还可用双极性码来表示数字量。常用的双极性二进制的极性，还可用双极性码来表示数字量。常用的双极性二进制的极性，还可用双极性码来表示数字量。常用的双极性二进制的极性，还可用双极性码来表示数字量。常用的双极性二进制编码主要有符号编码主要有符号编码主要有符号编码主要有符号- -数值二进制码和偏移二进制码两种编码方式，数值二进制码和
36、偏移二进制码两种编码方式，数值二进制码和偏移二进制码两种编码方式，数值二进制码和偏移二进制码两种编码方式，它们的它们的它们的它们的4 4位二进制编码如表位二进制编码如表位二进制编码如表位二进制编码如表12-212-2所示。所示。所示。所示。三、采样、量化和编码三、采样、量化和编码 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242525常用的双极性二进制编码表常用的双极性二进制编码表 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述数数输入量输入量符号数值符号数值偏移二进制偏移二进制对应电压对应电压(V),FSR=+-5V(V),FSR=+-
37、5V7 77/8FSR7/8FSR0111011111111111+4.375+4.3756 66/8FSR6/8FSR0110011011101110+3.750+3.7505 55/8FSR5/8FSR0101010111011101+3.125+3.1254 44/8FSR4/8FSR0100010011001100+2.500+2.5003 33/8FSR3/8FSR0011001110111011+1.875+1.8752 22/8FSR2/8FSR0010001010101010+1.250+1.2501 11/8FSR1/8FSR0001000110011001+0.625+0.
38、6250 00 00 000000000100010000.0000.0000 010001000 1 1-1/8FSR-1/8FSR1001100101110111-0.625-0.625 2 2-2/8FSR-2/8FSR1010101001100110-1.25-1.25 3 3-3/8FSR-3/8FSR1011101101010101-1.875-1.875 4 4-4/8FSR-4/8FSR1100110001000100-2.500-2.500 5 5-5/8FSR-5/8FSR1101110100110011-3.125-3.125 6 6-6/8FSR-6/8FSR11101
39、11000100010-3.750-3.750 7 7-7/8FSR-7/8FSR1111111100010001-4.375-4.375 8 8-8/8FSR-8/8FSR00000000-5.000-5.0007/23/20247/23/20242626四、采样保持器四、采样保持器1.1.采样过程采样过程 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242727 图图图图中中中中, ,连连连连续续续续的的的的模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号x(t)x(t)加加加加到到到到采采采采样样样样器器器器的的的的输输输输入入入入端端端端，采采采采样样样样器
40、器器器的的的的输输输输出出出出受受受受采采采采样样样样脉脉脉脉冲冲冲冲S(t)S(t)的的的的控控控控制制制制，采采采采样样样样脉脉脉脉冲冲冲冲是是是是一一一一种种种种周周周周期期期期为为为为A A，宽宽宽宽度度度度为为为为t t0 0的的的的矩矩矩矩形形形形脉脉脉脉冲冲冲冲序序序序列列列列。每每每每当当当当采采采采祥祥祥祥脉脉脉脉冲冲冲冲出出出出现现现现时时时时，开开开开关关关关S S接接接接通通通通t t0 0秒秒秒秒，输输输输入入入入模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号可可可可以以以以通通通通过过过过采采采采样样样样器器器器到到到到达达达达输输输输出出出出端端端端；采采采采样样样样脉脉脉脉冲
41、冲冲冲消消消消失失失失时时时时,S,S断断断断开开开开，采采采采样样样样器器器器无无无无输输输输出出出出。这这这这样样样样，从从从从采采采采样样样样器器器器输输输输入入入入的的的的连连连连续续续续模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号在在在在采采采采样样样样脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的调调调调制制制制下下下下，在在在在输输输输出出出出端端端端得得得得到到到到宽宽宽宽度度度度为为为为t t0 0，周周周周期期期期为为为为A A的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲序序序序列列列列x(x() )，脉脉脉脉冲冲冲冲序序序序列列列列的的的的幅幅幅幅度度度度被被被被x(x() )所所所所调调调调制制制制，这这这这个个个个过过过
42、过程程程程就就就就是是是是采采采采样样样样。x(nx(n) )序序序序列列列列就就就就是是是是采采采采样样样样所所所所得得得得的的的的离离离离散散散散模模模模拟拟拟拟量量量量，这这这这些些些些离离离离散散散散量量量量出出出出现现现现的重复频率就是采样脉冲的的重复频率就是采样脉冲的的重复频率就是采样脉冲的的重复频率就是采样脉冲的频率频率频率频率f fs s，f fs s称为称为称为称为采样率采样率采样率采样率, ,其值为其值为其值为其值为1/1/。四、采样保持四、采样保持 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242828 一一一一个个个个模模模
43、模数数数数转转转转换换换换器器器器完完完完成成成成一一一一次次次次模模模模数数数数转转转转换换换换，要要要要进进进进行行行行量量量量化化化化、编编编编码码码码等等等等操操操操作作作作, ,每每每每种种种种操操操操作作作作均均均均需需需需化化化化费费费费一一一一定定定定的的的的时时时时间间间间, ,这这这这段段段段时时时时间间间间称称称称为为为为模模模模数数数数转转转转换换换换时时时时间间间间t tc c。在在在在转转转转换换换换时时时时间间间间t tc c内内内内, ,若若若若输输输输入入入入模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号比比比比较较较较平平平平坦坦坦坦, ,即即即即x(t)x(t)的的的的
44、变变变变化化化化量量量量x x很很很很小小小小, ,可可可可认认认认为为为为x x 0 0。这这这这样样样样, ,由由由由采采采采样样样样过过过过程程程程引引引引入入入入的的的的误误误误差差差差可可可可以以以以忽忽忽忽略略略略不不不不计计计计。在在在在这这这这种种种种情情情情况况况况下下下下，模模模模数数数数转转转转换换换换器器器器可可可可直直直直接接接接与与与与采采采采样样样样器器器器的的的的输输输输出出出出端端端端相相相相连连连连。一一一一般般般般将将将将采样开关制作在采样开关制作在采样开关制作在采样开关制作在A/DA/D转换器内部转换器内部转换器内部转换器内部, ,使采样器和转换器合为一
45、体。使采样器和转换器合为一体。使采样器和转换器合为一体。使采样器和转换器合为一体。 当当当当x(t)x(t)变变变变化化化化速速速速率率率率较较较较高高高高时时时时, ,在在在在转转转转换换换换过过过过程程程程中中中中, ,输输输输入入入入模模模模拟拟拟拟量量量量有有有有一一一一个个个个可可可可观观观观的的的的A Ax x，结结结结果果果果将将将将会会会会引引引引入入入入较较较较大大大大的的的的误误误误差差差差。也也也也就就就就是是是是说说说说，在在在在A/DA/D转转转转换换换换过过过过程程程程中中中中，加加加加在在在在转转转转换换换换器器器器上上上上的的的的电电电电平平平平在在在在波波波波
46、动动动动，这这这这样样样样，就就就就很很很很难难难难说说说说输输输输出出出出的的的的数数数数字字字字量量量量表表表表示示示示t tc c期期期期间间间间输输输输入入入入信信信信号号号号上上上上哪哪哪哪一一一一点点点点的的的的电电电电压压压压值值值值，在在在在这这这这种种种种情情情情况况况况下下下下就就就就要要要要用用用用采采采采样样样样保保保保持器来解决这个问题。持器来解决这个问题。持器来解决这个问题。持器来解决这个问题。四、采样保持四、采样保持 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/20242929四、采样保持器四、采样保持器 12-1 12-1
47、 12-1 12-1 概述概述概述概述采采采采样样样样保保保保持持持持器器器器电电电电路路路路由由由由模模模模拟拟拟拟开开开开关关关关S,S,保保保保持持持持电电电电容容容容C CH H和和和和缓缓缓缓冲冲冲冲放放放放大大大大器器器器A A组组组组成成成成。S S合合合合上上上上, ,输输输输入入入入模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号V Vi i通通通通过过过过开开开开关关关关S S向向向向保保保保持持持持电电电电容容容容C CH H充充充充电电电电。由由由由于于于于缓缓缓缓冲冲冲冲放放放放大大大大器器器器的的的的跟跟跟跟随随随随特特特特性性性性, ,这这这这期期期期间间间间输输输输出出出出电电
48、电电压压压压V Vo o眼眼眼眼随随随随输输输输入入入入电电电电压压压压V Vi i而而而而变变变变化化化化。当当当当采采采采样样样样脉脉脉脉冲冲冲冲命命命命令令令令结结结结束束束束后后后后, ,开开开开关关关关S S断断断断开开开开, ,电电电电容容容容C CH H上上上上的的的的电电电电压压压压能能能能在在在在一一一一段段段段时时时时间间间间内内内内保保保保持持持持基基基基本本本本不不不不变变变变, ,缓缓缓缓冲冲冲冲放放放放大大大大器器器器的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压V Vo o便便便便被被被被保保保保持持持持在在在在开开开开关关关关断断断断开开开开前前前前瞬瞬瞬瞬间间间间的
49、的的的值值值值, ,从从从从而而而而实实实实现了采样和保持的功能。现了采样和保持的功能。现了采样和保持的功能。现了采样和保持的功能。7/23/20247/23/202430302. 2. 采样保持器采样保持器A/DA/D转换器完成一次转换过程需要一定的时间，在这段时间内转换器完成一次转换过程需要一定的时间，在这段时间内, , 输入端模拟信号的大小应保持不变，否则将影响转换的精度。输入端模拟信号的大小应保持不变，否则将影响转换的精度。四、采样保持四、采样保持 12-1 12-1 12-1 12-1 概述概述概述概述7/23/20247/23/2024313112-2 D/A转换器1 1数数/ /
50、模转换原理模转换原理2 2数数/ /模转换器的主要性能指标模转换器的主要性能指标3 3几种数几种数/ /模转换器模转换器7/23/20247/23/202432321)1) 原理分析原理分析1数数/ /模转换原理模转换原理 12-2 DA12-2 DA转换器转换器D/AD/A转换器转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。多数多数D/AD/A变换器把数字量（如二进制编码）变成模拟电流，如果要变换器把数字量（如二进制编码）变成模拟电流，如果要将其转换成模拟电压，还要使用电流将其转换成模拟电压，还要使用电流/ /电压转换器（电
51、压转换器（I/VI/V）来实现）来实现（少数（少数D/AD/A转换器内部有转换器内部有I/VI/V变换电路，可直接输出模拟电压）。变换电路，可直接输出模拟电压）。I/VI/V转换电路由运算放大器组成。转换电路由运算放大器组成。7/23/20247/23/20243333数字量数字量 D D = D = Dn-1 n-1 D D1 1D D0 0 B B = = D Dn-1n-1 2 2n-1n-1+ + + + D D1 1 2 21 1+ + D D0 0 2 20 0将数字量的每一位按权值转换为对应的模拟量，再将各模拟量将数字量的每一位按权值转换为对应的模拟量，再将各模拟量相加，所得之和
52、就是整个数字量对应的模拟量。相加，所得之和就是整个数字量对应的模拟量。1)1) 原理分析原理分析1数数/ /模转换原理模转换原理 12-2 DA12-2 DA转换器转换器D/AD/A转换器转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。l l输入量是数字量，输出量是模拟量输入量是数字量，输出量是模拟量l l输出量与输入量应成比例关系，即输出量与输入量应成比例关系，即 Vo = D ViVo = D Vi7/23/20247/23/202434342)2) D/A D/A 转换电路的组成转换电路的组成1数数/ /模转换原理模转换原
53、理 12-2 DA12-2 DA转换器转换器 A AR RS S1 1I I1 12R2RS S2 2I I2 24R4RS S3 3I I3 38R8RS S4 4I I4 4d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4R Rf fI If f I IOO_ _+ +V VR RV V0 07/23/20247/23/202435352)2) D/A D/A 转换电路的组成转换电路的组成1数数/ /模转换原理模转换原理 12-2 DA12-2 DA转换器转换器 A AR RS S1 1I I1 12R2RS S2 2I I2 24R4RS S3 3I I3 38R8RS S4 4I I4
54、 4d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4R Rf fI If f I IOO_ _+ +V VR RV V0 0I I0 0 = d = d1 1II1 1+ +d d2 2II2 2+ + d d3 3II3 3 + + d d4 4II4 4 = d = d1 1 VR/RVR/R+ +d d2 2 VR/2RVR/2R+ + d d3 3 VR/3RVR/3R + + d d4 4 VR/4RVR/4R = 2V = 2VR R/R(/R(d d1 12 2-1-1+ +d d2 22 2-2-2+ +d d3 32 2-3-3+ +d d4 42 2-4-4) ) 由于流入
55、运放的电流由于流入运放的电流为为0 0，所以，所以I If fI I0 0。因点虚。因点虚地，地，V V0 0 = -= -I If fRRf f若固定若固定V VR R，则输出电，则输出电压压V V0 0与输入数字量成正比与输入数字量成正比例关系。例关系。7/23/20247/23/202436361数数/ /模转换原理模转换原理 12-2 DA12-2 DA转换器转换器 A AR RS S1 1I I1 12R2RS S2 2I I2 24R4RS S3 3I I3 38R8RS S4 4I I4 4d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4R Rf fI If f I IOO_ _
56、+ +V VR RV V0 0如果如果R Rf fR/2R/2，输入数字量，输入数字量d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4=1000=1000，V VR R=+5V=+5V，则输出电压，则输出电压: : V V0 0- -I I0 0RRf f = -2V= -2VR R/R(11/2+01/4+01/8+01/16)/R(11/2+01/4+01/8+01/16) = -1/2*V = -1/2*VR R = = -2.5V-2.5V7/23/20247/23/20243737当数字量当数字量当数字量当数字量d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4为为为为 0000000
57、0B B 时，时，时，时，V Vo o = = 0 0当数字量当数字量当数字量当数字量d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4为为为为 10001000B B 时，时，时，时，V Vo o = -1/2 = -1/2 V VR R = = - 2.5V- 2.5V 当数字量当数字量当数字量当数字量d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4为为为为 11111111B B 时，时，时，时，V Vo o = -15/16 = -15/16 V VR R= = - 4.6875V- 4.6875V这样这样这样这样, ,用二进制数字控制开关的通断用二进制数字控制开关的通断用二进制数字控制
58、开关的通断用二进制数字控制开关的通断, ,就可产生相应的输出电压就可产生相应的输出电压就可产生相应的输出电压就可产生相应的输出电压信号。但是信号。但是信号。但是信号。但是, ,与模数转换器只能包含有限数目的分层数那样与模数转换器只能包含有限数目的分层数那样与模数转换器只能包含有限数目的分层数那样与模数转换器只能包含有限数目的分层数那样, ,数数数数模转换器中的开关和权电阻的模转换器中的开关和权电阻的模转换器中的开关和权电阻的模转换器中的开关和权电阻的数目也是有限数目也是有限数目也是有限数目也是有限的的的的, ,因此因此因此因此,D/A,D/A转换器转换器转换器转换器输出的电压仅是输出的电压仅是
59、输出的电压仅是输出的电压仅是某些固定某些固定某些固定某些固定的值。的值。的值。的值。 【例例例例】: :参考电压参考电压参考电压参考电压 V VR R =+5V =+5V，7/23/20247/23/202438383)3) T T型网络型网络D/AD/A转换器转换器数字量数字量数字量数字量V Vo o+ +- -R Ro oV VREFREFS Sn-n-1 1D Dn-n-1 12R2RI In-n-1 1R RS Sn-n-2 2D Dn-n-2 22R2RI In-2n-2R RS S1 1D D1 12R2RI I1 1R RS S0 0D D0 02R2RI I0 02R2RI=V
60、I=VREFREF/R/RI/2I/21 1I/2I/22 2I/2I/2n-1n-1I/2I/2n nI Ii i模拟量模拟量模拟量模拟量模拟开关模拟开关模拟开关模拟开关 T T型型型型电阻电阻电阻电阻网络网络网络网络参考电压参考电压参考电压参考电压 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20243939l l T T型电阻网络特点型电阻网络特点: :l l只有只有 R R 和和 2R2R 两种电阻两种电阻; ;l l各节点向左和向上看的等效电阻均为各节点向左和向上看的等效电阻均为2R;2R;l l整个网络的整个网络的等效电阻为等效电阻为R R 12-2 DA1
61、2-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20244040若共有若共有n条分支，各支电流条分支，各支电流 I j 为：为：Ro 12-2 DA12-2 DA转换器转换器 I Ii i = D D n-1n-1 I I n-1n-1 + D + D n-2n-2 I I n-2n-2 + + + D + D1 1 I I 1 1 + D + D 0 0 I I0 0 = (Dn-1 2n-1 + + D1 21 + D0 20) = DV VREFREF 2 2n nR RV VREFREF 2 2n nR RD D7/23/20247/23/20244141数字输入量数字输入量数字输
62、入量数字输入量000 001 010 011 100 101 110 111实实实实际际际际满满满满量量量量程程程程标标标标称称称称满满满满量量量量程程程程模拟输出量模拟输出量模拟输出量模拟输出量 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20244242二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标1.1.输入数字量输入数字量2.2.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20244343二、二
63、、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标1.1.输入数字量输入数字量 12-2 DA12-2 DA转换器转换器它包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻它包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平等。辑电平等。1.1.输入数字量输入数字量2.2.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率l l一般一般D/AD/A只接收自然二进制编码，少数产品采用只接收自然二进制编码，少数产品采用双极性二进制编码或双极性二进制编码或BCDBCD编码。编码。l l输入数据的格式一般都是输入数据的格式一般都是并
64、行码并行码。l l输入数据的逻辑电平一般为输入数据的逻辑电平一般为TTLTTL电平，少数产品电平，少数产品还可能接受还可能接受CMOSCMOS或或PMOSPMOS电平的数字量。电平的数字量。7/23/20247/23/20244444二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标2.2.输出模拟量输出模拟量 12-2 DA12-2 DA转换器转换器一般一般D/AD/A是电流输出型，并会给出在规定的参考电压是电流输出型，并会给出在规定的参考电压V VR R( (或或V Vrefref) )下，输入为满码时的输出电流表达式。下，输入为满码时的输出电流表达式。1.1.输入数字量输入数字量2.2
65、.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率D/AD/A A AV Vf fI IO1O1I IO2O2- -+ +V V0 0I/VI/V转换电路的输出电压表达式转换电路的输出电压表达式: : V V0 0 = = - - I I0 0RRf f = - V= - VR R 输入数字量输入数字量2562567/23/20247/23/20244545二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标3.3.分辨率分辨率 12-2 DA12-2 DA转换器转换器1.1.输入数字量输入数字量2.2.
66、输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率l l指指指指 D/A D/A 转换器所能产生的最小模拟增量。转换器所能产生的最小模拟增量。转换器所能产生的最小模拟增量。转换器所能产生的最小模拟增量。l l是数字量最低有效位是数字量最低有效位是数字量最低有效位是数字量最低有效位LSBLSB所对应的模拟值所对应的模拟值所对应的模拟值所对应的模拟值。l l分辨率分辨率分辨率分辨率与输入数字量的的位数与输入数字量的的位数与输入数字量的的位数与输入数字量的的位数n n之间的关系：之间的关系：之间的关系：之间的关系
67、： = FSR / 2= FSR / 2n n ( (FSRFSR为为为为D/AD/A的满量程的满量程的满量程的满量程) )l l分辨率近似等于输入为满码时的输入电压值。分辨率近似等于输入为满码时的输入电压值。分辨率近似等于输入为满码时的输入电压值。分辨率近似等于输入为满码时的输入电压值。8 8位位位位D/AD/A的分辨率为：的分辨率为：的分辨率为：的分辨率为：1/21/28 8 = = 1/2561/256*FSR = *FSR = 0.39%0.39%FSRFSR1212位位位位D/AD/A的分辨率为：的分辨率为：的分辨率为：的分辨率为：1/21/21212 = = 1/40961/409
68、6*FSR =*FSR = 0.0244% 0.0244%FSRFSRl l分辨率与转换器的位数之间具有固定的对应关系，一般简单分辨率与转换器的位数之间具有固定的对应关系，一般简单分辨率与转换器的位数之间具有固定的对应关系，一般简单分辨率与转换器的位数之间具有固定的对应关系，一般简单地用它们的位数来表示。地用它们的位数来表示。地用它们的位数来表示。地用它们的位数来表示。 如：如：如：如：D/AD/A分辨率为分辨率为分辨率为分辨率为8 8，1010，1212，1616等等。等等。等等。等等。7/23/20247/23/20244646指模拟输出指模拟输出指模拟输出指模拟输出实际值实际值实际值实际
69、值与与与与理想输出值理想输出值理想输出值理想输出值之间的之间的之间的之间的偏差。偏差。偏差。偏差。l l用于衡量用于衡量用于衡量用于衡量D/AD/A转换器将数字量转换成转换器将数字量转换成转换器将数字量转换成转换器将数字量转换成模拟量时，所得模拟量的精确程度。模拟量时，所得模拟量的精确程度。模拟量时，所得模拟量的精确程度。模拟量时，所得模拟量的精确程度。l l造成偏差的原因：造成偏差的原因：造成偏差的原因：造成偏差的原因： 是由于是由于是由于是由于D/AD/A转换器各个部件具有制转换器各个部件具有制转换器各个部件具有制转换器各个部件具有制作误差作误差作误差作误差, ,包括零点、线性、温漂等项包
70、括零点、线性、温漂等项包括零点、线性、温漂等项包括零点、线性、温漂等项误差。误差。误差。误差。l l通常用差值与满量程输出电压或电通常用差值与满量程输出电压或电通常用差值与满量程输出电压或电通常用差值与满量程输出电压或电流的百分比表示。流的百分比表示。流的百分比表示。流的百分比表示。数字量数字量数字量数字量 理想值理想值理想值理想值 实际值实际值实际值实际值 00h 0 -0.001V00h 0 -0.001V 01h -0.039V -0.041V 01h -0.039V -0.041V 10h -5V -5.002V 10h -5V -5.002V FFhFFh -9.96V -9.968
71、V -9.96V -9.968V4.4.转换准确度转换准确度二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标 12-2 DA12-2 DA转换器转换器1.1.输入数字量输入数字量2.2.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率7/23/20247/23/20244747例例例例 若某若某若某若某n n位位位位D/AD/A转换器的准确度为转换器的准确度为转换器的准确度为转换器的准确度为 1/ 2LSB1/ 2LSB， 则可能出现的最大偏差则可能出现的最大偏差则可能出现的最大偏差则可能出现的最大偏
72、差A =A = = =【注意注意注意注意】：精度与分辨率是两个不同的参数。精度与分辨率是两个不同的参数。精度与分辨率是两个不同的参数。精度与分辨率是两个不同的参数。rr 精度精度精度精度取决于取决于取决于取决于D/AD/A转换器各个部件的制作误差转换器各个部件的制作误差转换器各个部件的制作误差转换器各个部件的制作误差, , 包括零点、线性、温漂等项误差包括零点、线性、温漂等项误差包括零点、线性、温漂等项误差包括零点、线性、温漂等项误差; ;rr 分辨率分辨率分辨率分辨率取决于取决于取决于取决于D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。转换器的位数。转换器的位数。FS2n12 FS2n+1l l转
73、换精度的表示方法：转换精度的表示方法：转换精度的表示方法：转换精度的表示方法：用偏差用偏差用偏差用偏差A A与满量程与满量程与满量程与满量程FSRFSR的百分数表示。的百分数表示。的百分数表示。的百分数表示。 A/FSRA/FSR用最低位用最低位用最低位用最低位LSBLSB的几分之几表示。的几分之几表示。的几分之几表示。的几分之几表示。4.4.转换准确度转换准确度二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标 12-2 DA12-2 DA转换器转换器1.1.输入数字量输入数字量2.2.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时
74、间建立时间7.7.转换速率转换速率7/23/20247/23/20244848理理理理想想想想情情情情况况况况下下下下DACDACDACDAC的的的的转转转转换换换换特特特特性性性性应应应应该该该该是是是是线线线线性性性性的的的的，但但但但实实实实际际际际上上上上输输输输出出出出特特特特性性性性并并并并非非非非是是是是理理理理想想想想线线线线性性性性的的的的。将将将将实实实实际际际际转转转转换换换换特特特特性偏离理想转换特性的最大值称为性偏离理想转换特性的最大值称为性偏离理想转换特性的最大值称为性偏离理想转换特性的最大值称为线性误差线性误差线性误差线性误差。数字输入量数字输入量模拟输出量模拟输
75、出量实实实实际际际际满满满满量量量量程程程程标标标标称称称称满满满满量量量量程程程程000000 001001 010010 011011 100100 101101 110110 111111实际特性实际特性实际特性实际特性理想特性理想特性理想特性理想特性线性误差线性误差线性误差线性误差二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标 12-2 DA12-2 DA转换器转换器1.1.输入数字量输入数字量2.2.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率5.5.线性误差线性误差7/23/2024
76、7/23/20244949l l指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化速度。指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化速度。指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化速度。指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化速度。l l主要取决于运算放大器的参数。主要取决于运算放大器的参数。主要取决于运算放大器的参数。主要取决于运算放大器的参数。 单位单位单位单位V/V/ssl l建立时间越大，转换速率越低。建立时间越大，转换速率越低。建立时间越大，转换速率越低。建立时间越大，转换速率越低。l l应用时，应选择转换速率大于数字输入信号变化率。应用时，应选择转换速率大于数字输入信号变化率。应用时，应选
77、择转换速率大于数字输入信号变化率。应用时，应选择转换速率大于数字输入信号变化率。二、二、D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标 12-2 DA12-2 DA转换器转换器1.1.输入数字量输入数字量2.2.输出数字量输出数字量3.3.分辨率分辨率 4.4.转换精度转换精度5.5.线性误差线性误差6.6.建立时间建立时间7.7.转换速率转换速率6.6.建立时间建立时间指从数字输入端发生变化指从数字输入端发生变化指从数字输入端发生变化指从数字输入端发生变化 ( ( 如从全如从全如从全如从全“ “0”0”变为全变为全变为全变为全“ “1” )1” ) 到模拟输出达到稳定到模拟输出达到稳定到模拟输
78、出达到稳定到模拟输出达到稳定( ( 即终值即终值即终值即终值1/2LSB ) 1/2LSB ) 所需的时所需的时所需的时所需的时间。间。间。间。7.7.转换速率转换速率7/23/20247/23/20245050三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器1.D/AD/A转换器的分类转换器的分类转换器的分类转换器的分类2.几种典型的几种典型的几种典型的几种典型的D/AD/A转换器转换器转换器转换器3.D/A D/A 转换器的工作方式转换器的工作方式转换器的工作方式转换器的工作方式 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/202451511. D/A1. D/
79、A1. D/A1. D/A转换器的分类转换器的分类转换器的分类转换器的分类l l按数字量输入方式分按数字量输入方式分按数字量输入方式分按数字量输入方式分 并行并行并行并行输入输入输入输入DACDAC、串行串行串行串行输入输入输入输入DACDACl l按模拟量输出方式分按模拟量输出方式分按模拟量输出方式分按模拟量输出方式分 电压型电压型电压型电压型输出输出输出输出DACDAC、电流型电流型电流型电流型输出输出输出输出DACDAC三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20245252l l 按分辨率按分辨率按分辨率
80、按分辨率8 8位、位、位、位、1010位、位、位、位、1212位、位、位、位、1414位、位、位、位、1616位、位、位、位、1818位、位、位、位、2020位位位位1. D/A1. D/A1. D/A1. D/A转换器的分类转换器的分类转换器的分类转换器的分类三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器l l按性能特点分按性能特点分按性能特点分按性能特点分l l按建立时间按建立时间按建立时间按建立时间 低速、中速、高速和超高速型低速、中速、高速和超高速型低速、中速、高速和超高速型低速、中速、高速和超高速型 （100s 100s 、 1100s
81、1100s、 50ns 100s50ns 100s、 50 ns50 ns）l l按转换精度按转换精度按转换精度按转换精度 高精度、超高精度高精度、超高精度高精度、超高精度高精度、超高精度. .7/23/20247/23/20245353l l 按内部是否有数据输入寄存器分类按内部是否有数据输入寄存器分类按内部是否有数据输入寄存器分类按内部是否有数据输入寄存器分类7/23/20247/23/202454542 2 2 2、几种典型、几种典型、几种典型、几种典型D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器(1)(1)AD7524 AD7524 (2)(2)8 8位位位位、中中中中速速速速(
82、(建建建建立立立立时时时时间间间间1us) 1us) 、电电电电流流流流型型型型、 CMOSCMOS工工工工艺艺艺艺、功功功功耗耗耗耗只只只只有有有有10mw,10mw,精度为精度为精度为精度为1/8LSB1/8LSB。 (2) DAC0832(2) DAC0832 8 8 位并行、中速位并行、中速位并行、中速位并行、中速( (建立时间建立时间建立时间建立时间1us)1us)、电流型电流型电流型电流型、低廉、低廉、低廉、低廉(1020(1020元元元元) )(3) DAC1210(3) DAC1210 12 12位、中速位、中速位、中速位、中速( (建立时间建立时间建立时间建立时间1us) 1
83、us) 、电流型、电流型、电流型、电流型、高分辨率高分辨率高分辨率高分辨率三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20245555(1)、 AD75247/23/20247/23/20245656(1)(1)(1)(1)、 AD7524AD7524AD7524AD7524工作原理工作原理工作原理工作原理 CPUCPU把把把把AD7524AD7524当成一个由当成一个由当成一个由当成一个由8 8位数据锁存器构成的输出端口位数据锁存器构成的输出端口位数据锁存器构成的输出端口位数据锁存器构成的输出端口, ,由由由由地址
84、总线经译码后形成的地址总线经译码后形成的地址总线经译码后形成的地址总线经译码后形成的I/0I/0片选信号与片选信号与片选信号与片选信号与AD7524AD7524的的的的CSCS端相连端相连端相连端相连, ,赋予赋予赋予赋予它一个端口地址。系统总线的它一个端口地址。系统总线的它一个端口地址。系统总线的它一个端口地址。系统总线的I/0I/0写信号写信号写信号写信号IOWIOW接到它的写使能端接到它的写使能端接到它的写使能端接到它的写使能端WRWR。 设设设设AD7524AD7524的口地址为的口地址为的口地址为的口地址为PORT,PORT,被转换的被转换的被转换的被转换的8 8位数字两位位数字两位
85、位数字两位位数字两位DATADATA，当，当，当，当CPUCPU执行下列指令后执行下列指令后执行下列指令后执行下列指令后 MOV MOV AL, AL, DATADATA OUT OUT PORT, ALPORT, AL 8 8位输入数据从位输入数据从位输入数据从位输入数据从D D7 7-D-D0 0送到送到送到送到D/AD/A转换器，转换器，转换器，转换器，WRWR和和和和CSCS有效，转换立有效，转换立有效，转换立有效，转换立即开始，经即开始，经即开始，经即开始，经tsts时间后转换结束。从输出端得到一对电流时间后转换结束。从输出端得到一对电流时间后转换结束。从输出端得到一对电流时间后转换
86、结束。从输出端得到一对电流I Io1o1和和和和I Io2o2。因因因因为为为为tsts很小，所以指令执行完后，转换也就完成了。很小，所以指令执行完后，转换也就完成了。很小，所以指令执行完后，转换也就完成了。很小，所以指令执行完后，转换也就完成了。 三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20245757(1)、 AD75247/23/20247/23/20245858(1)、 AD7524设图设图设图设图12-1012-10中中中中DACDAC的口地址为的口地址为的口地址为的口地址为8OH ,8OH ,产生锯齿
87、波的程序段为产生锯齿波的程序段为产生锯齿波的程序段为产生锯齿波的程序段为: : START: MOV START: MOV AL, 0FFHAL, 0FFH AGAIN: AGAIN: INC INC ALAL OUT OUT 80H, AL80H, ALCALLCALLDELAYDELAYJMPJMPAGAINAGAIN7/23/20247/23/20245959(2)(2)(2)(2)、D/AD/AD/AD/A转换转换转换转换DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832芯片芯片芯片芯片8 8 8 8位并行、中速位并行、中速位并行、中速位并行、中速( ( ( (建立时间建立时间建
88、立时间建立时间1us)1us)1us)1us)、电流型电流型电流型电流型、低廉、低廉、低廉、低廉(10-20(10-20(10-20(10-20元元元元) ) ) ) 引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构 DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832与微机系统的连接与微机系统的连接与微机系统的连接与微机系统的连接 应用举例应用举例应用举例应用举例三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20246060 . . 引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构 2020个引脚
89、、双列直插式个引脚、双列直插式个引脚、双列直插式个引脚、双列直插式7/23/20247/23/20246161 . . 引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构 2020个引脚、双列直插式个引脚、双列直插式个引脚、双列直插式个引脚、双列直插式7/23/20247/23/20246262V V cc cc 芯片电源电压芯片电源电压芯片电源电压芯片电源电压, , +5V+5V+15V+15VV VREF REF 参考电压参考电压参考电压参考电压, , -10V-10V+10V+10V R RFB FB 反馈电阻引出端反馈电阻引出端反馈电阻引出端反馈电阻引出端, , 此端可接运算放大
90、器输出端此端可接运算放大器输出端此端可接运算放大器输出端此端可接运算放大器输出端A AGNDGND 模拟信号地模拟信号地模拟信号地模拟信号地D DGNDGND 数字信号地数字信号地数字信号地数字信号地7/23/20247/23/20246363DIDI7 7 DIDI0 0 数字量输入信号数字量输入信号数字量输入信号数字量输入信号 其中其中其中其中: DI: DI0 0为最低位，为最低位，为最低位，为最低位，DIDI7 7为最高位为最高位为最高位为最高位7/23/20247/23/20246464LE1当当当当 ILEILEILEILE、CSCSCSCS、WR1WR1WR1WR1同时有效时同时
91、有效时同时有效时同时有效时, , , , LE=1LE=1LE=1LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化输入寄存器的输出随输入而变化输入寄存器的输出随输入而变化输入寄存器的输出随输入而变化WR1 WR1 WR1 WR1 , , , , LE=0LE=0LE=0LE=0， 将将将将输输输输入入入入数数数数据据据据锁锁锁锁存存存存到到到到输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器ILEILEILEILE 输入锁存允许信号输入锁存允许信号输入锁存允许信号输入锁存允许信号, , , , 高电平有效高电平有效高电平有效高电平有效CS CS CS CS 片选信号片选信号片选信号片选信号, , , , 低电平
92、有效低电平有效低电平有效低电平有效WR1WR1WR1WR1 写信号写信号写信号写信号1 1 1 1，低电平有效，低电平有效，低电平有效，低电平有效7/23/20247/23/20246565LE2XFERXFER 转移控制信号，低电平有效转移控制信号，低电平有效转移控制信号，低电平有效转移控制信号，低电平有效WR2WR2 写信号写信号写信号写信号2 2，低电平有效，低电平有效，低电平有效，低电平有效l l当当当当XFERXFER、WR2WR2同时有效时同时有效时同时有效时同时有效时, , LE2=1LE2=1， DACDAC寄存器输出随输入而变化；寄存器输出随输入而变化；寄存器输出随输入而变化
93、；寄存器输出随输入而变化；l l WR1 , WR1 , LE=0LE=0， 将输入数据锁存到将输入数据锁存到将输入数据锁存到将输入数据锁存到DACDAC寄存器，数据进入寄存器，数据进入寄存器，数据进入寄存器，数据进入D/AD/A转换器，开始转换器，开始转换器，开始转换器，开始D/AD/A转换转换转换转换7/23/20247/23/20246666IOUT1IOUT1 模拟电流输出端模拟电流输出端模拟电流输出端模拟电流输出端1 1 当输入数字为全当输入数字为全当输入数字为全当输入数字为全” ”1”1”时时时时, , 输出电流最大，约为：输出电流最大，约为：输出电流最大，约为：输出电流最大，约为
94、： 全全全全” ”0”0”时时时时, , 输出电流为输出电流为输出电流为输出电流为0 0I IOUT2OUT2 模拟电流输出端模拟电流输出端模拟电流输出端模拟电流输出端2 2 I IOUT1OUT1 + I + I OUT2 OUT2 = = 常数常数常数常数255VREF256RFB7/23/20247/23/20246767 . DAC0832. DAC0832与微机系统的连接与微机系统的连接与微机系统的连接与微机系统的连接1)1)直通方式直通方式直通方式直通方式一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状
95、态另一个工作于受控锁存器状态另一个工作于受控锁存器状态另一个工作于受控锁存器状态2)2)单缓冲工作方式单缓冲工作方式单缓冲工作方式单缓冲工作方式一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态另一个工作于受控锁存器状态另一个工作于受控锁存器状态另一个工作于受控锁存器状态3)3)双缓冲工作方式双缓冲工作方式双缓冲工作方式双缓冲工作方式 两个寄存器均工作于受控锁存器状态，两个寄存器均工作于受控锁存器状态，两个寄存器均工作于受控锁存器状态，两个寄存器均工作于受控锁存器状态，三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器
96、转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/202468681)1)1)1)直通工作方式直通工作方式直通工作方式直通工作方式 : : : : 两个两个寄存器工作于寄存器工作于直通直通状态状态 ILE接高电平接高电平,CE、WTZ1、WEL和文和文FETE都接数字地都接数字地 DACDAC处于直通方式处于直通方式处于直通方式处于直通方式,8,8位数字量一旦到达位数字量一旦到达位数字量一旦到达位数字量一旦到达DIDI7 7DIDI0 0输入端输入端输入端输入端, ,就就就就立即加到立即加到立即加到立即加到8 8位位位位D/AD/A转换器转换器转换器转换器, ,被转换
97、成模拟量。有些场合可能要用被转换成模拟量。有些场合可能要用被转换成模拟量。有些场合可能要用被转换成模拟量。有些场合可能要用到这种工作方式。例如到这种工作方式。例如到这种工作方式。例如到这种工作方式。例如, ,在构成波形发生器时在构成波形发生器时在构成波形发生器时在构成波形发生器时, ,是把要产生的基是把要产生的基是把要产生的基是把要产生的基本波形数据存在本波形数据存在本波形数据存在本波形数据存在ROMROM中中中中, ,然后连续取出来送到然后连续取出来送到然后连续取出来送到然后连续取出来送到DACDAC去转换成电去转换成电去转换成电去转换成电压信号压信号压信号压信号, ,而不需要用任何外部控制
98、倍号而不需要用任何外部控制倍号而不需要用任何外部控制倍号而不需要用任何外部控制倍号, ,就可以用这种直通方式。就可以用这种直通方式。就可以用这种直通方式。就可以用这种直通方式。 三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/202469692)2)2)2)单缓冲工作方式单缓冲工作方式单缓冲工作方式单缓冲工作方式 : : : : 一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态，一个寄存器工作于直通状态， 一个工作于受控锁存器状态一个工作于受控锁存器状态一个工作于受控锁存器状态一个工作于受控锁
99、存器状态在不要求多相在不要求多相在不要求多相在不要求多相D/AD/A同时输出时，同时输出时，同时输出时，同时输出时，可以采用单缓冲方式，可以采用单缓冲方式，可以采用单缓冲方式，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，此时只需一次写操作，就开始转换，此时只需一次写操作，就开始转换，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高可以提高可以提高可以提高D/AD/A的数据吞吐量。的数据吞吐量。的数据吞吐量。的数据吞吐量。三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20247070单缓冲工作方式单缓冲工作方式单缓冲工作
100、方式单缓冲工作方式 : : : : 输入寄存器输入寄存器输入寄存器输入寄存器工作于工作于工作于工作于受控受控受控受控状态状态状态状态DACDAC寄存器寄存器寄存器寄存器工作于工作于工作于工作于直通直通直通直通状态状态状态状态7/23/20247/23/20247171转换一个数据转换一个数据转换一个数据转换一个数据的程序段：的程序段：的程序段：的程序段：MOV AL, data ;MOV AL, data ;取数字量取数字量取数字量取数字量MOV DX, MOV DX, portportOUT DX, ALOUT DX, AL7/23/20247/23/20247272 3) 3) 3) 3)
101、 双缓冲工作方式双缓冲工作方式双缓冲工作方式双缓冲工作方式: : : : 两个寄存器均工作于受控锁存器状态两个寄存器均工作于受控锁存器状态两个寄存器均工作于受控锁存器状态两个寄存器均工作于受控锁存器状态三、几种典型的三、几种典型的D/AD/A转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/20247373转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：MOV AL, data MOV AL, data ; ;取数字量取数字量取数字量取数字量MOV DXMOV DX，port1port1OUT DX, ALOUT DX,
102、AL ; ;打开第一级锁存打开第一级锁存打开第一级锁存打开第一级锁存MOV DX, MOV DX, port2port2OUT DX, ALOUT DX, AL ; ;打开第二级锁存打开第二级锁存打开第二级锁存打开第二级锁存7/23/20247/23/20247474当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。三、几种典型的三、几种典型的三、几种典型的三、几种典型的D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器
103、转换器7/23/20247/23/20247575编程编程编程编程 ：利用上图，将：利用上图，将：利用上图，将：利用上图，将datav1datav1和和和和datav2datav2处的两组数据，处的两组数据，处的两组数据，处的两组数据， 一一对应转换成模拟量同时输出。一一对应转换成模拟量同时输出。一一对应转换成模拟量同时输出。一一对应转换成模拟量同时输出。7/23/20247/23/20247676. . . . 应用举例应用举例应用举例应用举例例例例例1 1 连线如图，计算当数字量为连线如图，计算当数字量为连线如图，计算当数字量为连线如图，计算当数字量为0CDH0CDH时的输出时的输出时的输
104、出时的输出VoVo。CSCSMOV AL, MOV AL, 0CDH0CDHMOV DXMOV DX，port1port1OUT DX, ALOUT DX, ALMOV DX, MOV DX, port2port2OUT DX, ALOUT DX, AL转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：转换一个数据的程序段：7/23/20247/23/20247777例例例例2 2 利用上例连线图，编程输出一锯齿波。利用上例连线图，编程输出一锯齿波。利用上例连线图，编程输出一锯齿波。利用上例连线图，编程输出一锯齿波。三、几种典型的三、几种典型的三、几种典型的三、几种典型的D/A
105、D/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 12-2 DA12-2 DA转换器转换器7/23/20247/23/202478787/23/20247/23/202479797/23/20247/23/20248080(2)(2)、D/AD/A转换转换DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832芯片芯片芯片芯片8 8位并行、中速位并行、中速位并行、中速位并行、中速( (建立时间建立时间建立时间建立时间1us)1us)、电流型电流型电流型电流型、低廉、低廉、低廉、低廉(1020(1020元元元元) ) 引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构引脚和逻辑结构 DAC0832DAC083
106、2与微机系统的连接与微机系统的连接与微机系统的连接与微机系统的连接 应用举例应用举例应用举例应用举例7/23/20247/23/20248181(3)(3)、D/AD/A转换转换DAC1210DAC1210芯片芯片7/23/20247/23/20248282(3)(3)、D/AD/A转换转换DAC1210DAC1210芯片芯片7/23/20247/23/20248383(3)(3)、D/AD/A转换转换DAC1210DAC1210芯片芯片7/23/20247/23/20248484(3)(3)、D/AD/A转换转换DAC1210DAC1210芯片芯片7/23/20247/23/20248585(3)(3)、D/AD/A转换转换DAC1210DAC1210芯片芯片7/23/20247/23/20248686(3)、D/A转换转换DAC1210DAC1210芯片芯片芯片芯片7/23/20247/23/20248787小结1重点重点模数、数模转换原理及应用2难点难点模数、数模转换原理3作业P433：1，3，4，67/23/20247/23/20248888
