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第 23 章 模拟量和数字量的转换

第 23 章 模拟量和数字量的转换. 23.1 D / A 转换器. 23.2 A / D 转换器. 第 23 章 模拟量和数字量的转换. 本章要求. 1. 了解 D/A 、 A/D 转换的基本概念和转换原理 ;. 2. 了解 D/A 、 A/D 转换常用芯片的使用方法。. 模  数与数  模转换器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。. 模拟信号. 数字信号. 传感器. ADC. 数字计算机. 模拟控制. DAC. 数字控制.

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第 23 章 模拟量和数字量的转换

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  1. 第23章 模拟量和数字量的转换 23.1 D/A转换器 23.2 A/D转换器

  2. 第23章 模拟量和数字量的转换 本章要求 1. 了解D/A、A/D转换的基本概念和转换原理; 2. 了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。

  3. 模数与数模转换器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。模数与数模转换器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。 模拟信号 数字信号 传感器 ADC 数字计算机 模拟控制 DAC 数字控制 将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)； 将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)

  4. 23.1D/A转换器 数–模转换（D/A转换器）的基本思想： 由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思想。

  5. RF A R R R 2R - + A + 2R 2R 2R 2R 2R UO + S0 S1 S2 S3 – 1 0 1 0 1 0 1 0 +UR d0 d1 d2 d3 Q0 Q1 Q2 Q3 数码寄存器 1. 电路 模拟 开关 23.1.1 T型电阻网络D/A转换器 最低位 (LSB) 最高位 (MSB) 参考电压 存放四位 二进制数 由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。

  6. RF A R R R 2R - + A + 2R 2R 2R 2R 2R UO + S0 S1 S2 S3 – 1 0 1 0 1 0 1 0 +UR d0 d1 d2 d3 Q0 Q1 Q2 Q3 数码寄存器 1. 电路 模拟 开关 23.1.1 T型电阻网络D/A转换器 最高位 (MSB) 最低位 (LSB) 参考电压 存放四位 二进制数 各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“1”时，开关接电源UR；为0时接“地”。

  7. RF A R R R 2R - + A + 2R 2R 2R 2R 2R UO + S0 S1 S2 S3 – 1 0 1 0 1 0 1 0 +UR d0 d1 d2 d3 分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系 2. 转换原理 T型电 子网络 反相比例 运算电路 T型网络开路时的输出电压UA即是反相比例运算电路的输入电压。

  8. A R R R 2R 2R 2R 2R 2R S0 S1 S2 S3 1 0 1 0 1 0 1 0 +UR d0 d1 d2 d3 2.转换原理 用戴维宁定理和叠加定理计算UA 最低位 (LSB) 最高位 (MSB) 1 0 0 0 对应二进制数为0001

  9. 0 1 2 3 A R R R A 2R 2R 2R 2R 2R R UR 0 1 2 3 A R R R R 2R 2R 2R 对应二进制数为0001时， 等效电路如右下图 2.转换原理

  10. A A R R 对应二进制数为0001时， 等效电路如下 同理：对应二进制数 为0010时，有 2. 转换原理 同理：对应二进制数 为0100时，有 同理：对应二进制数 为1000时，有

  11. A R UE 2.转换原理 T型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE 。 等效电阻为 R 等效电路如右图

  12. RF A 2R - + A + R UO + + – UE – 2.转换原理 若输入的是 n位二进制数，则

  13. RF A 2R - + A + R UO + + – UE – 2.转换原理 若输入的是 n位二进制数，则 若取 RF = 3R，则

  14. IR D B A 2R C R R R +UR R2 R0 R3 R1 2R 2R 2R 2R RF S1 S3 S2 S0 0 0 1 1 I01 I2 I1 I3 I0 - A UO + + d3 d2 d1 d0 转换原理 倒T型电阻网络D A转换器 分析输入数字量和输出模拟电压uo之间的关系 倒T型解码网络

  15. IR D B A 2R C R R R +UR R2 R0 R3 R1 2R 2R 2R 2R RF S1 S3 S2 S0 0 0 1 1 I01 I2 I1 I3 I0 即： UD= UR - A UO + + d3 d2 d1 d0 . 由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点(D、C、B、A) 电位逐位减半。 UC = UR/ 2 UB = UR /4 UA = UR /8

  16. IR D B A 2R C R R R +UR R2 R0 R3 R1 2R 2R 2R 2R RF S1 S3 S2 S0 0 0 1 1 I01 I2 I1 I3 I0 - A UO 即： + + d3 d2 d1 d0 因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。

  17. IR D B A 2R C R R R +UR R2 R0 R3 R1 2R 2R 2R 2R RF S1 S3 S2 S0 0 0 1 1 I01 I2 I1 I3 I0 - A UO + + d3 d2 d1 d0

  18. 23.1.2 D/A转换器的主要技术指标 1.分辨率 指最小输出电压和最大输出电压之比。 例:十位D/A转换器 的分辨率为 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。 2.线性度 通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。 3.输出电压( 电流 )的建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间 通常D/A转换器的建立时间不大于1S

  19. d4 8 d5 9 7 d6 d3 10 d7 6 d2 11 AD7520 d8 5 d1 12 4 d0 d9 13  – UDD 3 GND UO 14 + IO2 +UR UR 2 + 15 IO1 1 16 RF 集成 ADC 芯片举例 AD7520各管脚功能： d0 ~ d9：十位数字量的输入端； IO1、IO2：电流输出端； RF：反馈信号输入端； UDD：电源接线端； UR：参考电源，可正可负； GND：接地端。 AD7520的外引线排列及连接电路

  20. 23.1.3 DAC0832 D/A转换器 DAC0832是八位的D/A转换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。

  21. UCC D7 . . UREF . 八位 . 八位 八位 Iout1 . . 输入 DAC D/A Iout2 寄存器 寄存器 D0 转换器 RF AGND ILE & DGND CS 1 ≥ WR1 WR2 1 ≥ XFER 1) 内部简化电路框图 DAC 0832简化电路框图

  22. 2) 芯片管脚 UCC 1 CS 20 WR1 2 ILE 19 WR2 AGND 3 18 D3 4 17 XFER D2 D4 5 16 D1 D5 6 15 D0 D6 7 14 D7 8 UREF 13 Iout1 9 RF 12 Iout2 10 11 DGND DAC0832管脚分布图

  23. UCC 1 CS 20 WR1 2 ILE 19 WR2 AGND 3 18 D3 4 17 XFER D2 D4 5 16 D1 D5 6 15 D0 D6 7 14 D7 8 UREF 13 Iout1 9 RF 12 Iout2 10 11 DGND 片选信号， 低电平有效 写入控制， 低电平有效 模拟地端 D0 ~ D7 数字量输入 参考电压 输入端 DAC 0832管脚分布图

  24. 1 UCC CS 20 2 ILE WR1 19 AGND 3 18 WR2 4 D3 17 XFER D2 D4 5 16 反馈电阻 外接端 6 D1 D5 15 7 D0 D6 14 8 UREF D7 13 Iout1 9 RF 12 Iout2 10 11 DGND DAC 0832 管脚分布图 数字地端

  25. 1 UCC CS 20 2 ILE WR1 19 AGND 3 18 WR2 4 D3 17 XFER D2 D4 5 16 6 D1 D5 15 写入控制端 低电平有效，与 配合使用 7 D0 D6 14 8 UREF D7 13 XFER Iout1 9 RF 12 Iout2 10 11 DGND DAC 0832 管脚分布图 芯片工作电压 输入端 输入锁存允许信 号，高电平有效

  26. 1 UCC CS 20 2 ILE WR1 19 AGND 3 18 WR2 4 D3 17 XFER 传送控制端 低电平有效，与 D2 D4 5 16 6 D1 D5 15 配合使用 7 D0 D6 14 WR2 8 UREF D7 13 Iout1 9 RF 12 Iout2 10 11 DGND DAC 0832 管脚分布图 电流输出端 单极性输出时。 Iout2接模拟地

  27. 顺序脉冲 发生器 逐次逼近 寄存器 电压 比较器 DAC 输出数字量 输入电压 Ui UA 模–数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。 23.2 A/D转换器 下面介绍逐次逼近式A/D转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。 逐次逼近型模—数转换器原理框图

  28. 比 较 判 断 暂时结果 顺 序 砝 码 重 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克,每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量： 23.2.1 逐次逼近式A/D转换器 保留 8g < 13g ， 1 8 g 8 g 2 12g < 13g ， 8 g + 4 g 保留 12 g 3 8 g + 4 g + 2 g 14g > 13g， 撤去 12 g 保留 13g ＝13g， 8 g + 4 g + 1 g 13g 4

  29. Ui UA & d3 四位D/A转换器 电压 比较器 － ＋ △ d3 d2 ∞ & ＋ d2 d1 d0 读出“与门” & Q Q Q Q 逐次逼近 d1 F3 F2 F1 F0 寄存器 S S R S S R R R & d0 ≥1 ≥1 ≥1 E 读出控制端 控制逻辑门 & & & & Q4 Q0 Q1 Q3 Q2 C 五位顺序脉冲发生器 时钟脉冲 四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路

  30. UI (待转换的模拟电压) ＋ uO ＋ 试探电压 UA － D/A转换器 清0、置数 控 数码寄存器 “1”状态是否保留 制 控制端 逻 清0、置数 顺序脉冲发生器 辑 CP(移位命令) 时钟 1. 转换原理 砝码是 否保存 放哪一 个砝码

  31. d3 d2 d1 d0 UA(V) 顺 序 比 较 判 断 “1”留否 例：UR= 8V，UI = 5.52V 2. 转换过程 4V UA<UI 1 1 0 0 0 留 UA>UI 2 6V 去 1 1 0 0 5V UA<UI 3 1 0 1 0 留 UAUI 4 1 0 1 1 5. 5V 留 D/A转换器输出UA为正值

  32. 例：UR= 8V，UI = 5.52V 转换数字量1011 4+1+0.5 = 5.5V 转换误差为 –0.02V 若输出为 8位数字量 转换数字量10110001 4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V 转换误差为 +0.01125V 位数越多误差越小

  33. t0 t1 t2 t3 (转换误差: –0.02V) 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 逐次逼近转换过程示意图 UA> UI UA< UI

  34. 23.2.2 A/D 变换器的主要技术指标 1. 分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。 位数越多，误差越小，转换精度越高。 2. 转换速度 完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转 换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出 所需要的时间。 3. 相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。 4.其它 功率、电源电压、电压范围等。

  35. CLOCK START IN7 8 通 道 模 拟 开 关 IN6 EOC 比较器 逻辑控制 IN5 D7 ＋ IN4 三态输出锁存器 D6 ＋ IN3 D5 逐次逼近 寄存器 － IN2 D4 IN1 D3 D2 IN0 D1 D0 C 地址锁存 译 码 器 B EOUT D/A转换器 A ALE UR(+) UR(-) UDD GND ADC0809八位A/D转换器

  36. ADC 0809管脚分布图 28 IN3 IN2 1 27 IN4 IN1 2 26 IN5 IN0 3 IN6 A 4 25 B 24 IN7 5 START 23 C 6 EOC ALE 22 7 D3 8 21 D7 EOUT 9 20 D6 CLOCK 10 D5 19 UDD 11 18 D4 UR (+) 12 D0 17 GND 13 UR(-) 16 D1 14 15 D2

  37. 23.2.2双积分型A/D转换器 双积分型A/D转换器属于电压－时间变换的间接A/D转换器。 基本原理是将一段时间内的输入模拟电压Ui和参考电压UR 通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔,再变换成正比于输入模拟信号的数字量。

  38. S2 C +ui  S1 R  _ _ uC -UR uS1 A + + C uA + + 积分器 FFS Q 1J 逻辑 控制 电路 n位二进制 计数器 & G 1K CP Q1 Q0 Qn-1 uL RD RD dn-1 d1 d0 1. 电路图 双积分型A/D转换器的电路图

  39. u1 uS1 O t -UR uA T1 T2 O t ui小 ui大 uC O t N个 2n个 CP … … O t 定时 定压 2. 转换原理 (1) 转换开始前 转换信号uC=0，各触发器清零,并使S2闭合,让积分电路的电容C完全放电。 (2) 对输入模拟电压的积分 使uL=1，由控制电路将，S2断开，并将S1接到输入电压端，积分电路开始对uI积分。积分输出uA为负值，比较器输出uC为1，开通CP控制门G，计数器开始计数。 A/D转换器的工作波形图

  40. u1 uS1 O t -UR uA T1 T2 O t ui小 ui大 uC O t N个 2n个 CP … … O t 定时 定压 2. 转换原理 (2) 对输入模拟电压的积分 当计到2n个脉冲时,计数器输出全0, 同时输出一进位信号,使FFS置1。 对uI的积分结束，积分时间T1= 2n TCP,TCP为CP的周期，即一个脉冲的时间。T1是一定的(定时)，不因uI而变。 A/D转换器的工 作波形图如图所示。 A/D转换器的工作波形图

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