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1、 8.1 概述概述 8.2 数数/模（模（D/A）转换器转换器 8.3 模模/数（数（A/D）转换器转换器 退退 出出第第8单元单元 数数/模、模模、模/数转换数转换 学习要求 模数转换和数模转换的工作原理；R-2R倒T型电阻网络D/A转换器的工作原理；逐次比较型的A/D转换转换器的工作原理；模数转换和数模转换的主要参数； 掌握常用数模转换器的使用方法。 8.18.1概述概述 感官和器件接触和接收的是模拟信号，在存储在传送中使用的是数字信号。把数字信号转变为相应的模拟信号的电路称为数模（D/A）转换器，简称为DAC。把模拟信号转变为相应的数字信号的电路称为模数（A/D）转换器，简称为ADC。利
2、用D/A转换、A/D转换的系统想一想：你身边有哪些电子产品内需要A/D转换器和D/A转换器？ 检测电路模拟电信号A/D转换数字电路或计算机系统D/A转换喇叭、显像管等声音、图像等利用D/A转换、A/D转换的系统 模拟信号模拟信号数字信号数字信号8. .2 数数/模（模（D/A）转换器转换器 8.2.1D/A转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字总模拟量，从而实现数字/ /模拟转换。模拟转换。1R-2R倒倒T型电阻网
3、络型电阻网络D/A转换器转换器 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si将电阻2R接地。822电阻网络D/A转换器 模拟开关数码 从任一端口左边往右看，对地电阻都为R，每一端口都可以看作两路分流，所以，越往右后电流越小。节点对地等效电阻 基准电流基准电流: I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。分析计算：分析计算：流入运算放大器反相端的总电流I为: 运算放大器的输出电压为 :上式括号内为n位二进制数的十进制数值，可用NB表
4、示。如果使式中Rf=R，则上式可以改写为: 将数码推广到n位的情况，可得出输入数字量与输出模拟量之间的一般表达式: 分析计算：分析计算：2D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 n按输出方式分有：数字电流型和数字电压型。n数字电流型要加一个电压放大器。n按输出极性分有：单极性（只有负电压或只有正电压）和双极性（从负电压变化正到正电压）。1.转换精度转换精度 3DAC的主要性能指标的主要性能指标 （2）转换误差转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。比例系数误差、失调误差、非线性误差。 此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压(数数字字量量：00000001)与与
5、最最大大输输出出电电压压(数数字字量量：全全1）之之比比来来表表示示分分辨率，辨率，N位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。（1）分分辨辨率率D/A转转换换器器模模拟拟输输出出电电压压可可能能被被分分离离的的等等级数。级数。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常用数字量的位数表示常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。最小最小 vO= - KNB = - K1 最大最大 vO= - KNB = - K(2n-1)vO= - KNB2.转换速度转换速度在在输输入入不不变变的的情情
6、况况下下，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量。一一般般用用满满刻刻度度输输出出条条件件下下温温度度每每升升高高1，输输出出电电压压变化的百分数作为温度系数。变化的百分数作为温度系数。（2）转转换换速速率率（SR）在在大大信信号号工工作作状状态态下下模模拟拟电电压压的的变变化率。化率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。3. 温度系数温度系数4集成电阻网络D/A转换器的应用 DAC0832带有两个输入数据缓冲寄存器
7、，是一种单电源（+5+15V）的CMOS型器件。其参考电压VREF可在-9V+9V范围内选择，转换速度约为1s。D/A转换器在实际电路中应用很广，它不仅常作为接口电路用于微机系统，而且还可利用其电路结构特征和输入、输出电量之间的关系构成数控电流源、电压源、数字式可编程增益控制电路和波形产生电路等。 DAC0832的功能示意图和外引线图下图是一个单极性电压输出的电路原理图，根据数字量转换，得到的输出电流Iout1通过运算放大器的反馈电阻 流向放大器的输出端，其输出电压为 。数字输入下图是一个双极性电压输出电路原理图，其输出电压数字输入DAC0832的应用电路想一想：要求输出电压的最大值为10V，
8、分辨率为10mV，则最少应选用多少位的DAC？ 8.2.2 一位D/A转换器 一位D/A转换器：把数字量的大小转换成不同脉冲宽度或不同脉冲频率的一种转换器。 一位（bit）数模转换器由于电路简单、失真小、内置数字滤波器，可以提高输出模拟信号的信噪比等原因，在音频DAC中应用得非常多。 一位D/A转换波形图 由由于于输输入入的的模模拟拟信信号号在在时时间间上上是是连连续续量量，所所以以一一般般的的A/D转转换过程为：换过程为： 取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。如图所示。如图所示。 83 模模/数（数（A/D）转换器转换器 8.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理1A/D转换
9、原理模拟信号数字信号采样保持量化编码D/A转换的信号处理过程 （1）采样和保持）采样和保持 采样：把在时间上是连续的输入模拟信号ui转换成在时间上是断续的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号幅度的大小。 取样定理，采样信号的频率fs和输入模拟信号的最高频率fimax之间必须满足下述条件:fs2fimax 因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。（2）量化和编码）量化和编码 在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用S表示。 编码是把量化的数值用二进制
10、代码表示。把编码后的二进制代码输出就得到A/D转换的输出信号，对同一正弦波，若S越小，误差将越小，编码时所需二进制代码的位数就越多，对器件要求也越高。 2A/D转换器的主要技术指标 分辨率说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。（1）分辨率）分辨率 例例如如，相相对对误误差差LSB/2，就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到到的的输输出出数数字字量量之之间间的的误误差差小小于于最最低低位位的的半半个字。个字。转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实
11、实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。（2）转转换换速速度度可可用用转转换换时时间间表表示示, ,指指从从转转换换控控制制信信号号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换器次之；间接换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。（2）转换速度）转换速度3A/D转换器的分类、特点及应用转换器的分类、特点及应用 可分成并行比较型、
12、逐次逼近型和积分型A/D转换器的分类、特点及应用分类特点应用并行比较型速度最快，但设备成本较高，精度也不易做高数字通信技术和高速数据采集技术逐次逼近型工作速度中等，精度也较高，成本较低中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统积分型精度可以做得很高，抗干扰性能很强，速度很慢数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统832 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 1逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器原理转换器原理 ：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：原理框图原理框图（
13、1）清零 （2）触发转换过程（3）等待转换过程的结束（4）读取数字信号结果脉冲uiuAEOC启动脉冲数字量输出待转换电压输入顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器数/模转换电压比较器逐次逼近型A/D转换器的原理框图电压值和过程分析假设该A/D转换器所用D/A转换最大输出电压为1.0V，设输入电压为0.625V。3位数码从左到右排列分别为高位、次高位、低位，若为1时所对应的电压值如表:二进制代码“1”所在位置高位次高位低位相对应电压值（V）050.250.125逐次逼近过程发析如表: 即当0.625V电压输入该D/A转换器，相应输出的数字信号从最高位到最低位排列是101。 顺序顺序脉冲发生器数码逐次逼近寄
14、存器数码uA（V）与输入电压比较结果比 较 后 逐次 逼 近 寄存 器 锁 存结果（ 启 动脉冲）000000时 钟 脉冲11001000506250.5100时 钟 脉冲21101100.750.6250.75100时 钟 脉冲31111010.6250.625=0.625101时 钟 脉冲4输 出EOC输 出 锁 存结果1012集成A/D转换器的应用 （1）ADC0804引脚及使用说明ADC0804引脚图 ADC0804控制信号的时序图 (2). ADC0804的典型应用 在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控（被测）对象数据以达到由计算机进行实时检测、控制的目的，常用微处理器和
15、A/D转换器组成数据采集系统。单通道微机化数据采集系统的示意图如图:(3)串行模数转换器ADC0832的应用 本单元学习指导 把数字信号转换成模拟信号的电路称为数/模（D/A）转换。它的主要指标有：分辨率、转换精度和转换时间。数/模转换器有电阻网络和一位D/A转换器。电阻网络D/A转换器是把输入数据量转换成与之相对应十进制大小成正比的电压或电流输出。一位D/A转换器则把是输入数据量的大小转换成脉宽的宽窄，然后通过低通滤波器取出与脉宽成正比的平均直流成分，得到模拟信号。本单元学习指导 把模拟信号转换成数字信号的电路称为模/数（A/D）转换。它的主要指标有：分辨率和转换时间。模/数转换器的转换步骤
16、是：采样、保持、量化、编码。在采样时，采样频率fS和输入信号最大频率fimax之间的关系是：fS2fimax。模/数转换器主要有并行比较型、逐次逼近型和双积分型。电压/频率转换和频率/电压转换在某种意义上也是一种特殊的A/D和D/A转换。本章以专用V/F、F/V芯片LM331为例，说明如何进行进行V/F和F/V转换。实验八 D/A、A/D转换 一、实验目的 1 进一步理解D/A、A/D转换的原理，转换的方式及各自的特点。2了解D/A、A/D集成芯片的结构、功能测试及应用。 二、实验仪器及材料 v1仪器： 示波器v2数字电子实验箱v3材料：DAC08328bitD/A转换 1片ADC08098b
17、it逐次渐进式A/D转换器 1片LM324通用运算放大器 1片74LS74双D触发器 1片74LS02四或非门 一片电阻：10k(2个)按钮开关 三实验内容 1D/A转换器实验 LM324工作时，VCC接+12V，GND接-12V。按图接好线，检查电路准确无误后接通电源。按表在DAC0832的信号输入端D0D7利用电平输出器输入相应的电路状态，分别用电压表测量各输入情况下对应下的模拟输出电压V0，并将测试结果输入填入表中。然后将输出电压按序号填入测试波形图中。 1D/A转换器实验 O（V） 012345678序号 D/A转换器测试波形图2A/D转换器实验 A/D转换器实验图 ADC0809是有
18、路输入通道，只有输入ABC地址不同，就可以选择任意通道输入。其管脚与ADC0804基本相同，差异主要：A、B、C-地址信号；ALE-锁存信号，给该端加正脉冲，锁存A、B、C的地址；STA-转换开始启动端，正脉冲启动；OE-数据输出充许时，该端有一正脉冲输入。 ADC0809的读取方法有两种：一种是用延时方法，在启动转换开始后，延时150s左右（以CLK的频率取640Hz为例）再读取D0D的数据；另一种是检测ADC0809在转换结束时EOC端产生的脉冲信号，当检测到该信号为高时平时读取D0D的数据。本实验采用延时输出。 四实验报告要求 1画出实验有关的波形与表格。2说明ADC和DAC的作用。3在A/D转换实验中，把待转换电压从IN1输入，会出现什么现象？为什么？ 五想想做做 用音乐集成电路输出的音乐信号作为ADC0809的输入信号，然后ADC0809的八个数据输出端接发光二极管，同时输入到DAC0832的数据输入端，DAC0832加电压放大器后其输出接喇叭。其余使能端满足各自的工作条件。DAC0832的取样脉冲可由4060产生，不同的分频输出不同取样频率的脉冲。观察指示灯的变化和喇叭输出声音的变化。特别注意取样脉冲改变时音质的变化。 本单元结束本单元结束返回本单元目录返回本单元目录退出退出
