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第7章 数模和模数转换器

第7章 数模和模数转换器. 7.1 D/A 转 换 器 7.2 A/D 转 换 器 读图练习：3位半数字电压表. 在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量，通信过程中的语言、图像、文字等物理量需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，是数字电子技术的重要组成部分。.

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第7章 数模和模数转换器

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  1. 第7章数模和模数转换器 • 7.1 D/A 转 换 器 • 7.2 A/D 转 换 器 • 读图练习：3位半数字电压表

  2. 在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量，通信过程中的语言、图像、文字等物理量需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，是数字电子技术的重要组成部分。

  3. 能将数字量转换为模拟量(电流或电压)，使输出的模拟量与输入的数字量成正比的电路称为数模转换器，简称D/A或DAC（DigitaltoAnalogConverter）。能将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比的电路称为模数转换器，简称A/D或ADC（AnalogtoDigitalConverter）。D/A、A/D转换技术的发展非常迅速，目前已有各种中、大规模的集成电路可供选用。

  4. 7.1 D/A 转 换 器 • 数模转换的基本原理就是将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，这样所得的总模拟量与数字量成正比，于是便实现了从数字量到模拟量的转换。

  5. 7.1 D/A转换器 • 7.1.1 DAC的基本原理 D/A转换器的功能是将数字信号转换为模拟信号（电压或电流） 1．DAC的基本概念 一个n位二进制数Dn-1Dn-2…D1D0可以用其按权展开式表示为： （Dn-1Dn-2…D1D0）2=Dn-12n-1+Dn-22n-2+…D121+D020 从最高位Dn-1（Most Significant Bit，简写为MSB）到最低位D0（Least Significant Bit，简写为LSB）的权依次为2n−1、2n−2、…、21、20。 数模转换器（DAC）的输入是数字量，输出为模拟量，输出u0应与输入数字量的大小成正比。故有： u0=K（Dn−12n−1+Dn−22n−2+…D121+D020） 也就是说，将表示数字量的有权码每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了D/A转换。

  6. 如图所示是一个输入为3位二进制数时D/A转换器的转换特性，它形象地反映了D/A转换器的基本功能。 3位D/A转换器的转换特性

  7. 7.1.1 二进制权电阻网络D/A转换器 • 1.电路结构 • 权电阻网络D/A转换电路如图7.1所示。它主要由权电阻网络D/A转换电路、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中权电阻网络D/A转换电路是核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，将流过各权电阻的电流相加，并转换成与输入数字量成正比的模拟电压输出。

  8. 图7.1 二进制权电阻网络D/A转换电路

  9. 2.工作原理 • 二进制权电阻网络的电阻值是按4位二进制数的位权大小取值的，最低位电阻值最大，为23R，然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。

  10. 模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同相输入端（地）；若d=1，相应的S合向反相输入端。 • i正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的转换。 权电阻网络中的电阻从R到 R成倍增大，位数越多阻值越大，很难保证精度。

  11. 3.运算放大器的输出电压 • 采用运算放大器进行电压转换有两个优点：一是起隔离作用，把负载电阻与电阻网络相隔离，以减小负载电阻对电阻网络的影响；二是可以调节RF控制满刻度值（即输入数字信号为全1）时输出电压的大小，使D/A转换器的输出达到设计要求。

  12. 7.1.2 R-2RT型网络D/A转换器 • 1.电路结构 • R-2RT型电阻网络中串联臂上的电阻为R，并联臂上的电阻为2R，如图所示。从每个并联臂2R电阻往后看，电阻都为2R，即流过每个与电子开关Si相连的2R电阻的电流Ii是前级电流Ii+1的 • 一半。因此，Ii=2iI0=2iIREF/2n，即与二进制i位权成正比。

  13. 在D/A变换器中，使用了各种电子模拟开关，有双极型晶体管的，也有MOS管的。模拟开关在输入数字信号（Di）的控制下，使变换网络中相应支路在基准电源和地之间或在运算放大器输入（虚地）和地之间切换。在D/A变换器中，使用了各种电子模拟开关，有双极型晶体管的，也有MOS管的。模拟开关在输入数字信号（Di）的控制下，使变换网络中相应支路在基准电源和地之间或在运算放大器输入（虚地）和地之间切换。 理想模拟开关要求在接通时压降为0 V，断开时电阻无穷大。而双极型晶体管在饱和导通时管压降很小，截止时有很大的截止电阻，因此可用作理想模拟开关。 • 7.1.3 D/A转换器的主要技术参数

  14. 7.1.4D/A转换器的主要技术指标 • D/A转换器的主要技术指标包括转换精度、转换速度和温度系数等。 • 1．转换精度 • D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 • （1）分辨率：是指对输出电压的分辨能力。 • 分辨率是D/A转换器在理论上可达到的精度，定义为电路能分辨的最小输出（V）和满度输出（Vm）之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位(LSB)为1，其余位均为0时的输出电压，记为 。最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记为 。 • 分辨率= • D/A变换器的位数n表示了分辨率，分辨率也可以用数字位数表示。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。

  15. （2）转换误差 • 转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。 • 转换误差用以说明D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用满度值的百分数表示，也可用LSB的倍数表示。如转换误差为（1/2）LSB，表示绝对误差为V/2。 • D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2。 • 2．转换速度 • （1）建立时间tset • 建立时间是指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量NB从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间来表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。

  16. （2）转换速率SR • 转换速率是指大信号工作状态模拟输出电压的最大变化率，通常以V/s为单位。反映了电压型输出的DAC中输出运算放大器的特性。 • 3．温度系数 • 温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。

  17. 7.1.3 D/A转换器的主要技术参数 • 1.分辨率 • 分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率定义为最小分辨电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位(LSB)为1，其余位均为0时的输出电压，记为ULSB。最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记为UFSR。

  18. 2.转换精度 • D/A转换器的转换精度分绝对精度和相对精度。绝对精度是指实际输出模拟电压值与理论计算值之差，通常用最小分辨电压的倍数表示。相对精度是绝对精度与满刻度输出电压（或电流）之比，通常用百分数表示。

  19. 3.转换时间 • D/A转换器从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值时所需要的时间，称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。

  20. 7.1.5 集成D/A转换器 AD7520的引脚图AD7520内部电路及组成的D/A转换器

  21. 7.2 A/D 转 换 器 • 7.2.1 概述 • 1. A/D转换的基本原理 • A/D转换器的工作原理如图7.7所示。

  22. 图7.7 A/D转换器的工作原理

  23. 2.采样-保持原理 • 采样-保持原理可用图7.8来说明。 图7.8 采样保持原理

  24. 3. A/D转换器的主要技术指标 • （1） 分辨率 • A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。 • （2） 相对精度 • 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。 • （3） 转换速度 • 转换速度是指完成一次转换所需的时间。

  25. 7.2.2 常用的A/D转换器类型 • 1.并联比较型A/D转换器 • 并联比较型A/D转换的电路如图7.9所示。

  26. 图7.9 并联比较型A/D转换的电路图

  27. 2.逐次逼近型A/D转换器 • 逐次逼近型A/D转换器的原理框图如图7.10所示。 图7.10 逐次逼近型A/D转换器的原理框图

  28. 3位A/D转换器的原理图如图7.11所示。 • 图7.11 3位逐次逼近型A/D转换器电路

  29. 图7.12 逐次逼近式A/D转换的逼近过程

  30. 一个n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行n次比较，需要n+2个时钟脉冲。其转换速度较慢，属于中速A/D转换器。但由于电路简单，成本低，因此，也被广泛使用。

  31. 3.双积分型A/D转换器 • 双积分型A/D转换器是一种间接型A/D转换器，它由基准电压VREF、积分器、比较器、计数器和定时触发器组成，如图7.13所示。

  32. 图7.13 双积分型A/D转换器

  33. 双积分型A/D转换器的基本原理是对输入模拟电压uI和参考电压VREF分别进行积分，将两次电压平均值分别变换成与之成正比的时间间隔，然后，利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，通过运算得到相应的数字量输出。 • 双积分型A/D转换器由于转换一次要进行两次积分，所以，转换时间长，工作速度慢，但它的电路结构简单，转换精度高，抗干扰能力强，因此，常用于低速场合。

  34. 7.2.3 集成A/D转换器及其应用 • 集成A/D转换器种类很多，如从使用角度上可分为两大类：一类在电子电路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能端，可与计算机相连。

  35. 1.ADC0804A/D转换器 • ADC0804是逐次逼近型单通道CMOS8位A/D转换器，其转换时间小于100μs，电源电压+5V，输入输出都和TTL兼容，输入电压范围0～+5V模拟信号，内部含有时钟电路，图7.14为ADC0804的管脚排列图。

  36. 图7.14 ADC0804管脚排列图

  37. 图7.15是ADC0804的典型应用电路。 图7.15 ADC0804的典型应用电路

  38. 读图练习：3位半数字电压表

  39. 1.了解电路的用途及功能 • 2.查清每片集成电路的逻辑功能 • （1） CC14433的引脚排列如图7.18所示。

  40. 图7.18 CC14433引脚排列图

  41. 图7.19 CC14433的工作时序图

  42. （2） 5G1403为基准电压源。 • 它能够提供2.5V高稳定度输出电压，作精密电压源用，它的外部引线排列图和使用接线图如图7.20所示。

  43. 图7.20 基准电压源5G1403

  44. （3） CC4511是BCD七段显示译码器。 • 内部设有锁存器和输出驱动器。它的引脚排列如图7.21所示。 图7.21 CC4511引脚排列图

  45. （4） 5G1413为反相驱动器，内含7组达林顿结构驱动电路，其引脚图和单元驱动电路如图7.22所示，输出均为集电极开路结构。

  46. 图7.22 5G1413引脚图和单元驱动电路

  47. （5） CC4013为双D触发器，用来控制过量程报警。 • （6） LED数码管，为共阴极结构，当某管阴极为低电平且某段阳极加高电平时，该段点亮显示。

  48. 3.将电路划分为若干个功能块 • 因本例中系统几乎都由中、大规模集成电路组成，功能块比较好分。各功能块框图如图7.23所示。主要有5部分组成，即基准电压源、A/D转换、七段译码驱动、译码显示控制、译码显示，它们之间的关系如图7.23中箭头所示。

  49. 图7.23

  50. 4.分析电路的工作过程 • 将各功能块联系起来，结合电路原理图，分析电路整个的工作过程。

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