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1、9.1 数数/模转换器（模转换器（DAC）第第9章章 数数/模转换器和模模转换器和模/数转换器数转换器 9.2 模模/数转换器（数转换器（ADC）学习要点熟练掌握和正确理解DAC的工作原理和主要技术指标；了解集成DAC典型芯片的功能，理解其应用。熟练掌握和正确理解ADC的工作原理和主要技术指标；理解和掌握采样定理；了解集成ADC典型芯片的应用。2024/8/12024/8/1显然，数/模与模/数是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 9.19.1数数/ /模转换器模转换器在自动控制和信息处理技术中，信息的获取、传输、处理和利用都是通过数字系统来实现的。如数字控制系
2、统的组成：被控对象模拟传感器信号采集模拟信号AD转换器数字信号数字信号处理系统数字信号DA转换器执行机构控制信号模拟信号2024/8/1能将数字量D转换成模拟量A的装置称为数/模转换器，用DCA简称；能将模拟量A转换为数字量D的装置称为模/转换器，用ADC简称。传感器ADC数字计算机DAC模拟控制控制对象数字信号模拟信号显然，A/D转换器和D/A转换器是沟通模拟、数字领域的纽带和桥梁，它们不仅是重要的接口电路和核心电路，也是测量和控制系统中不可缺少的组成部分。9.1.19.1.1数数/ /模转换器的基本概念及转换特性模转换器的基本概念及转换特性DACDAC数/模转换器是把数字量转变成模拟量的器
3、件，简称为DAC：其中D D代表数字量，A A代表模拟量，转换器用C C表示。1.DAC的基本概念构成数字代码的每一位都具有一定的权重。将数字量转换成模拟量时，须将每一位代码按其权重转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，可得与该数字量成正比的模拟量。这就是构成DAC的基本思想。2. DAC的结构组成和分类的结构组成和分类DAC通常由参考电压、译码电路和电子开关3个基本部分组成。为了将模拟电流转换成模拟电压，通常在输出端外加运放。如：参考电压译码电路电子开关RFXn-1Xn-2X2X1X0 - -+ + + U UR RSn-1Sn-2S2S1S0按解码网络结构的不同，DAC可分为T
4、形电阻网络、倒T形电阻网络、权电阻网络等。3. DAC的功能的功能DAC的n位数字代码以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中。n位代码输入数码寄存器模拟电子开关解码网络求和放大器模拟电压输出基准电压n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟电子开关的工作状态。通过模拟电子开关，将参考电压按权重加到电阻解码网络。再由求和放大电路将各位权值所对应的电压（或电流）量相加，即可输出与输入数字量成正比的模拟量。4. DAC的转换特性的转换特性电流转换系数电压转换系数DAC的输出模拟量和输入数字量之间的转换关系称为转换特性。对有权码的转换：先将每位代码按其权的大小转换成相应的电压(或电流)，然后求和，即可得到
5、与数字量成正比的总模拟量：式中2n-1、2n-221、20是由n位二进制代码D从高位到低位的权。4. DAC的转换特性的转换特性当转换系数ku（或ki）=1、n3时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如图所示：1234567001 010011100101110111uo/VD000理想特性数字输入DAC的转换特性曲线模拟输出5.DAC的主要技术指标用来说明DAC最小输出电压与最大输出电压之比。 一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。1.1.分分辨辨率率2.2.转换精
6、度转换精度指DAC实际输出的模拟电压与理论输出的模拟电压间的最大误差，即输入端为给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与DAC中的元件参数的精度有关，还与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。3.3.建立时间建立时间从DAC输入数字量开始，到输出模拟量且稳定到最终输出量时所需的时间，称为建立时间。显然，数字量的变化越大，建立时间就越长，建立时间反映了DAC电路转换的速度。9.1.2 DAC的基本原理的基本原理1.权电阻网络DACRFXn-1Xn-2X2X1X0 - -+ + + U UR RSn-1Sn-2S2S
7、1S0uo20 R21 R2n-2 R2n-1 R2n-0 RDAC的n位二进制输入代码模拟电子开关权电阻从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍。基准电压运算放大器对解码网络的输出进行求和放大后输出。1.权电阻网络DACu0RFX3X2X1X0 - -+ + +U UR RS3S2S1S020 R21 R22 R23 RI I1 1I I3 31 10 01 10 0当输入的数字信号为1010时，电子模拟开关的动作受此二进制数控制，相应为“1 1”的开关接到位置1上；相应数字量为“0 0”的权电阻由开关S直接到“地”。位置1上的电子开关，将基准电压UR经电阻引起的电流通入
8、运放的反相输入端，即流入求和电路；1.权电阻网络DACuoRFX3X2X1X0 - -+ + +U UR RS3S2S1S020 R21 R22 R23 RI I1 1I I3 31 10 01 10 0I IF F若RF=5k，R=80k时RFX3X2X1X0 - -+ + +U UR RS3S2S1S020 R21 R22 R23 R1.权电阻网络DACuoI IF F仍有RF=5k，R=80kuoI I1 1I I3 31 10 01 11 1I I0 0RFX3X2X1X0 - -+ + +U UR RS3S2S1S020 R21 R22 R23 R1.权电阻网络DACuoI IF F
9、仍有RF=5k，R=80kuoI I2 2I I3 31 11 10 00 0显然，输出模拟电压的大小直接与输入的二进制数大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。2.R-2R倒T型网络DAC - - - -+ + +RFURDn-1Dn-2D2D1D0uoSn-1Sn-2S1S0S2结点结点B结点结点C结点结点D结点结点E结点结点A2RRRRR2R2R2R2R2RDAC的n位二进制输入代码模拟电子开关R-2R倒T型电阻网络基准电压运算放大器对电阻网络的输出进行求和放大后输出。 - - - -+ + +RFU UR R2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2结点结点B结点结点
10、C结点结点D结点结点EDn-1Dn-2D2D1D0uo结点结点A2R当R=RF时，输出电压：I1I2I3I4I5I总总22222R-2RR-2R倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC工作原理分析工作原理分析1 11 10 00 01 1IF11111IAIBICIDIE - - - -+ + +RFURdn-1dn-2d2d1d0uoSn-1Sn-2S1S0S2结点结点B结点结点C结点结点D结点结点E结点结点A2RRRRR2R2R2R2R2RR-2R倒T形电阻网络DAC的优点是只有两种电阻值R和2R，有利于生产制造；由于各支路电流恒定，故开关状态变化时不需要电流建立时间； R-2R倒T形电
11、阻网络DAC中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。当DAC0832芯片的控制端处于有效电平时，为直通工作方式；此工作方式下DAC的两个寄存器都处于常通状态，输入数据直接经两个寄存器到达DAC进行转换。实际应用中，直通工作方式常用于连续反馈控制环节，使输出模拟信号快速连续地反映输入数字量的变化。XFER478 8位位位位D/AD/A转换器转换器转换器转换器11111111131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2输入输入输入输入数据数据数据数据寄存器寄存器寄存器寄存器8 8
12、位位位位DACDAC寄存器寄存器寄存器寄存器&9.1.3集成数/模转换器DAC0832XFER478 8位位位位D/AD/A转换器转换器转换器转换器11111111131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2输入输入输入输入数据数据数据数据寄存器寄存器寄存器寄存器8 8位位位位DACDAC寄存器寄存器寄存器寄存器&DAC0832内部结构原理图当DAC0832用于双缓冲器型工作方式时，首先让写信号端引脚2处低电平，将输入数据先锁存在输入寄存器中，需要转换时写信号引脚18接低电平，将数据送入DAC寄存器并
13、进行转换；为实现两个寄存器均可控，实用中给两个寄存器各分配一个端口地址，以便能按端口地址来分两步进行操作。XFER478 8位位位位D/AD/A转换器转换器转换器转换器11111111131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2输入输入输入输入数据数据数据数据寄存器寄存器寄存器寄存器8 8位位位位DACDAC寄存器寄存器寄存器寄存器&DAC0832内部结构原理图当DAC0832用于单缓冲器型工作方式时，DAC寄存器处于常通状态，当需要DA转换时，将写信号端引脚2接低电平，使输入数据经输入寄存器直接存入
14、DAC寄存器中并进行转换。这种工作方式是通过控制一个寄存器的锁存，使两个寄存器同时选通及锁存。DAC0832引脚功能集成芯片DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。8位数字输入端两个电流输出端电源515V输入端片选信号输入端数字地端基准电源输入端数据选通端输入锁存允许信号端反馈电阻接入端写信号端写信号端模拟地端思考与问题132试述DAC电路转换特性的概念，并写出其转换表达式。DAC的主要技术指标有哪些？DAC0832采用了什么制造工艺？内部主要由哪几部分组成？Sikaoyuwenti4R-2R倒T型电阻网络具有什么特点？ADC
15、ADC9.2模/数转换器模/数转换器是把模拟量转变成数字量的器件，简称为ADC。实用技术中，ADC用来将所测得的被控制对象的某种连续物理量转换成为离散的数字量。ADC在模/数转换过程中，只能在一系列选定的瞬间对输入模拟量采样，之后再转换为输出的数字量。即需通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成模数转换。1.1.采样保持采样保持电路电路输入模拟电压ui采样保持电路CPSuiuoCPC实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。 CP1 1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。 CP0 0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压
16、信号在电容C上保持，直到下一个CP1 1信号到来，再对新的电压信号进行采样。CPSuiuouoCPC采样过程是通过模拟电子开关 S S实现的。模拟电子开关每隔一定的时间间隔闭合一次，当一个连续的模拟信号通过这个电子开关时，就会转换成若干个离散的脉冲信号。 通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。采样定理ui采样电路的输入信号波形采样电路的离散输出波形tu采样间隔时间采样保持时间为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，即采样定理。 2.2.量化编码量化编
17、码电路电路tu数字信号在时间上离散、数值变化不连续，因此任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。把采样电压化为最小数量单位整数倍的过程称为量化。两个量化电压之间的差值称为量化间隔，量化电压的位数越多，量化等级越细，的数值就越小。显然，量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二进制代码表示。量化间隔 是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。tu舍尾取整法舍尾取整法：当最小量化间隔为时，若采样电压的尾数不足/2，则舍尾取整得其量化值。四舍五入法四舍五入法：当最小量化间隔为时，若采样电压的尾数大于/2，则
18、四舍五入得其量化值。采样值量化的方法通常有四舍五入法和舍尾取整法。已知1V。当采样电压等于2.3V时，小数点后的尾数不足0.5V，根据舍尾取整原则，量化电压应等于2V。已知1V。当采样电压等于2.6V时，小数点后的尾数大于0.5V，根据四舍五入原则，量化电压应等于3V。tu量化当量的数值越小，量化的等级越细。但无论是用哪一种量化方式，在量化过程中都必然存在被测输入量与量化值之间的误差。量化误差用表示。量化误差属原理误差，是无法消除的。但是，各离散电平之间的差值越小，量化误差就越小。采用舍尾取整法时，最大量化误差为：采用四舍五入法时，最大量化误差为：tu 如果在实际量化过程中减小量化误差，需在测
19、量范围内减小量化间隔，即增加数字量X的位数和模拟电压的最大值Umax。四舍五入量化方式的量化当量应按下式选取：比较和可看出，四舍五入法的量化误差比舍尾取整法的量化误差小，所以实用中的ADC多采用四舍五入法。编码编码：用二进制代码表示量化后采样信息的过程称为编码。将变化范围为01V的模拟信号电压转换成三位二进制数字量代码。先把1V电压分成238个离散电平，分别是0V、1/8V、2/8V、3/8V7/8V、1V。即 1/8V。模拟电压0V1/8 V2/8 V3/8 V4/8 V5/8 V6/8 V7/8 V1V二进制编码000001010011100101110111代码对应的模拟离散电平0 0V
20、 1 1/8 V22/8 V3 3/8 V44/8 V55/8 V66/8 V77/8 V可见，此例中的量化误差为=1/8 V。9.2.2ADC的主要技术指标1.1.相对精度相对精度相对精度是指ADC转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位ULSB的倍数来衡量。2.2.分辨率分辨率通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，分辨率越高。指ADC完成一次转换所需时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换速度反映了ADC转换的快慢程度。3.3.转换速度转换速度CPCP输出数字量模拟信号输入电电压压比比较较器器基准电压基准电压基准电压基准电
21、压逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器D/AD/A 转换器转换器转换器转换器逻逻辑辑控控制制器器数码数码数码数码 寄存器寄存器寄存器寄存器uF反馈电反馈电压压9.2.3逐次比较型ADC电路组成及工作原理逐次逼近寄存器读出与门逻辑控制门电压比较器四 位 DACQFF3SRQSRQSRd0 + + + +UiCPd1d2E11QSRFF2FF1FF01UAd3五位顺序脉冲发生器Q4Q3Q2Q1Q0d0d1d2d31.电路组成2024/8/1逐次比较型ADC是集成ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码的输出。 当uiuF时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高位
22、的1，次高位置“1 1”；当uiuF时，比较器输出“1 1”，控制器控制寄存器最高位置“0 0”，次高位置“1 1”。寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0 0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置“1 1”，若送入1保留最高位，次高位置“0 0”，第三位置“1 1”，寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态（即产生的数码）就是所要求的ADC输出的数字量。2.工作原理2024/8/19.2.4双积分型ADC的结构组成及工作原理 n位二进制计数器开关控制
23、电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR双积分型ADC在积分前，计数器应先清零，然后闭合电子开关S2，随后再把S2打开，把电容C上储存的电荷电压释放掉。时钟脉冲源采用标准周期，作为测量时间间隔的标准时间。2.工作原理 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR在采样阶段，开关S1与被测电压接通，S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于0
24、0，比较器输出高电平1 1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全1变为全0的瞬间。 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR当计数器为n位时，计数时间T1=2nTC(TC是时钟脉冲的周期)。这时积分器的输出电压为： n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR当计数器由全1变为全0时，进入比较阶段，控制器使S
25、1与参考电压UR相接，这时积分器对UR反向积分，电压u0逐渐上升，计数器又从0开始计数。当积分器积分至u0=0时，比较器输出低电平0，控制器封锁CP脉冲，使计数器停止计数。 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR若计数器的输出数码为D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为： n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR
26、 此时T2=DTC，所以：显然，计数器输出的数码与被测电压成正比，可以用来表示模拟量的采样值。 n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPCPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG - - - -+ + +uo2uo1 + + +- - - -+ +ui- -UR双积分型ADC的转换精度很高，但转换速度较慢，不适合高速应用场合。但是双积分型ADC的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合下，仍然得到了较为广泛的使用。9.2.5集成ADC0809简介左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下
27、： IN0IN7 为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。A、B、C 是模拟信道的地址选择。 CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0D7 是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。集成ADC0809芯片内部包括模拟多路转换开关和A/D转换两大部分。A/
28、D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的数据总线。模拟多路转换开关由8路模拟开关和位地址锁存器与译码器组成，地址锁存器允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。2024/8/1ADC0809集成电路结构组成图ADC0809通过IN0IN7可输入八路单端模拟电压。地址锁存允许信号ALE将三位地址线ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行A/D转换。2024/8/1
29、ADC0809集成电路结构组成图比较前，SAR为全0，变换开始，先使SAR的最高位为1，其余仍为0，数字控制树状开关输出UST，UST和模拟输入UIN送入比较器进行比较。2024/8/1ADC0809集成电路结构组成图USTUIN时比较器输出逻辑0，SAR 的最高位由1变为0；USTUIN时比较器输出逻辑1，SAR的最高位保持1。此后SAR的次高位置1，其余较低位仍为0，而以前比较过的高位保持原来值。再将UST和UIN进行比较。之后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。2024/8/1ADC0809集成电路结构组成图转换结束后，SAR的数字送三态输出锁存器以供读出。2024/8/14A/D转
30、换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前A/D与D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。1倒T型电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种，各2R支路电流Ii与Di数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。2在权电流型D/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/A转换器多采用此种类型电路。3不同的A/D转换方式具有不同的特点，双积分A/D转换器精度高；逐次比较型A/D转换器速度高且转换精度也高，因此得到普遍应用。第8章归纳总结Sikaoyuwenti思考与问题132何谓采样定理？采样保持电路的作用是什么？ADC的量化分别采用哪两种方式？其量化当量各按什么公式选取？两种量化方式的量化误差各在什么范围内？哪种量化方式精度高一些？2024/8/1本章内容本章内容结束结束2024/8/1
