數字電子技術--第8章-數模和模數轉換

1、數 字 電 子 技 術第8章 數/模和模/數轉換,范立南 田丹 李雪飛 張明 編著清華大學出版社,,第8章 數/模和模/數轉換,8.1 概述8.2 D/A轉換器 8.3 A/D轉換器8.4 實例電路分析：數字電壓表電路,8.1 概述,在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現生產過程的控制，要將生產現場測得的信息如溫度、壓力、流量等傳遞給計算機。計算機經過計算、處理后，將結果以數字量的形式輸出，并轉換為適合于對生產過程進

2、行控制的量。溫度、壓力、流量等都是隨著時間連續(xù)變化的模擬量，而計算機處理的是數字信號，這樣就需要模/數轉換器將模擬量轉換為數字量。而計算機輸出的數字信號去控制被控對象又需要將數字量轉換為模擬量，所以需要經數/模轉換器將數字量轉換器模擬量。,為了保證數據處理結果的準確性，A／D轉換器和D／A轉換器必須有足夠高的轉換精度。同時，為了適應快速過程的控制和檢測的需要，A／D轉換器和D／A轉換器還必須有足夠快的轉換速度。因此，轉換精度和轉換速度是

3、衡量A／D轉換器和D／A轉換器性能優(yōu)劣的主要標志。,目前常見的D／A轉換器有，權電阻網絡型D／A轉換器、倒T形電阻網絡D／A轉換器、權電流型D／A轉換器和雙極性D／A轉換器等。,A／D轉換器的類型也有多種，比如并行比較型A/D轉換器、逐次逼近型A/D轉換器和雙積分型A/D轉換器等。,8.2 D/A轉換器,8.2.1 D/A轉換的基本原理,D/A轉換器實質上都是一種解碼器。,假設輸入的二進制數為 (

4、 )，參考電壓為 ，則D/A轉換器輸出的模擬量 可表示為,式中K為解碼電路的解碼系數。,因為任何一個二進制數 都可以表示為,,所以,,由以上可知，D/A轉換器的輸出電壓 在數值上等于二進制數為“1”的每一位所對應的模擬電壓之和。,D/A轉換器的方框圖如下圖所示。,8.2.2 權電阻網絡型D/A轉換器,權電阻網絡型D/A轉換器的原理圖,S3、S2、S1和S04個電

5、子開關的狀態(tài)分別受輸入代碼d3、d2、d1和d0的取值控制，代碼為1時開關接到參考電壓上，代碼為0時開關接地。,根據反相比例加法器輸入與輸出之間的關系式可得,,對于n位的權電阻網絡D/A轉換器，當反饋電阻為R/2時，輸出電壓的計算公式可寫成,,當輸入的數字量 =0時， 。,當 =11…11時， 。,,故的最大變化范圍是0~

6、 。,權電阻網絡型D／A轉換器電路的優(yōu)點是結構比較簡單，所用的電阻元件數較少。缺點是各個電阻的阻值相差較大，尤其是在輸入信號的位數較多時，這個問題就更加突出。,8.2.3 倒T形電阻網絡D/A轉換器,倒T形電阻網絡D/A轉換器,計算受電子開關控制的各支路電流大小的等效電路如下圖所示。,從參考電源流入到T形電阻網絡的總電流為 ，根據并聯分流公式，可得各個電子開關所在支路的電流為I/2、I/4、I/8

7、和I/16。,,,,,,如果令 時開關 接地(運放的同相輸入端 )， 時開關 接運放的反相輸入端。根據反相加法器的計算公式可得倒T形電阻網絡D/A轉換器的輸出電壓為,,倒T形電阻網絡D/A轉換器的特點是電阻種類少，只有R和2R兩種，因此可以提高制造精度。由于在倒T形電阻網絡D／A轉換器中，各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差。這樣不僅提高了轉換

8、速度，而且也減少了動態(tài)過程中輸出信號可能出現的尖脈沖。它是目前集成D／A轉換器中轉換速度較高且使用較多的一種。常用的DAC0832就是采用這種結構。,8.2.4 權電流型D/A轉換器,當輸入數字量的某位代碼為1時，對應的開關將恒流源接到運算放大器的反相輸入端；當輸入代碼為0時，對應的開關接地，故輸出電壓為,,,可見， 正比于輸入的數字量。,8.2.5 雙極性D/A轉換器,雙極性碼表示模擬信號的幅值和極性，適用于具有正負極性的模

9、擬信號的轉換。常用的雙極性碼有偏移碼、補碼和原碼，如下表所示。,偏移碼是自然二進制碼經過偏移而得到的一種雙極性碼，它是補碼的符號位取反而得到的。在轉換器應用中，偏移碼是最容易實現的一種雙極性碼。,雙極性輸出的D/A轉換器,,,為了使輸入代碼為100時對應的輸出電壓等于零，只要使 與此時的 大小相等即可，故應取,,通過上面的分析不難得出，雙極性輸出的D/A轉換器的一般方法是只要在運算放大器的輸入端接入一個偏移電流，使最高位

10、為1而其他各位為0時輸出電壓為0，同時將輸入的符號位取反后接到一般的D/A轉換器的輸入，就得到了雙極性輸出的D/A轉換器。,8.2.6 D/A轉換器的技術指標,1．分辨率,分辨率用于表征D／A轉換器對輸入微小量變化的敏感程度。其定義為最小輸出電壓(對應的輸入數字量只有最低有效位為“1”)與最大輸出電壓(對應的數字輸入信號所有有效位全為“1”)之比。,例如對于8位D/A轉換器，其分辨率為,,有時也用數字輸入信號的有效位數來給出分辨率。例如

11、，單片集成D/A轉換器DAC0832的分辨率為8位，DAC1210的分辨率為12位。,2．轉換誤差,轉換誤差是轉換器實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差，它是一個實際的性能指標。轉換誤差通常用滿量程(FSR)的百分數來表示。,例如一個DAC的線性誤差為0.05%，也就是說轉換誤差是滿量程的萬分之五。有時轉換誤差用最低有效位LSB的倍數來表示。例如一個DAC的轉換誤差為LSB/2，則表示輸出電壓的絕對誤差是最低有效位為1時的輸

12、出電壓的1/2。,3．轉換時間,D/A轉換器的轉換時間規(guī)定為轉換器完成一次轉換所需的時間，也即從轉換命令發(fā)出開始到轉換結束為止的時間。,D/A轉換器的轉換時間是由其建立時間 來決定的，表示從輸入的數字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差 范圍內的這段時間，如下圖所示。,除了上述指標外，在使用D/A轉換器時，還必須知道工作電源電壓、輸出方式、輸出值的范圍和輸入邏輯電平等，這些都可以在使用手冊中查到。,8

13、.2.7 集成D/A轉換器及其應用,1．DAC0832的內部結構,DAC0832是美國國家半導體公司(National)生產的8位D/A轉換集成芯片，能完成數字量輸入、模擬量(電流)輸出的轉換。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準電壓的范圍為±10V，其具有價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在計算機應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。,DAC0832的原理框圖,可以通過對控制引腳的不同設置而決定是采用雙緩沖方式（兩級

14、輸入鎖存），單緩沖方式（兩級同時輸入鎖存或只用一級輸入鎖存，另一級始終直通）還是完全接成直通的形式。,引腳圖,2．DAC0832的引腳功能,DI0~DI7：8位數據輸入線。,,：數據允許鎖存信號，高電平有效。,,,,：輸入寄存器選擇信號，低電平有效。它與 信號結合可對 信號是否起作用進行控制。,,,,：輸入寄存器的寫選通信號，低電平有效，用以把數字量輸入鎖存于輸入寄存器重，在 有效時，必須

15、 和 同時有效。,,：數據傳送信號，低電平有效。,,,：DAC寄存器的寫選通信號，低電平有效，用以將鎖存于輸入寄存器的數字量傳送到D/A寄存器中鎖存。 有效時，必須 有效。,IOUT1：電流輸出引腳1。隨DAC寄存器的內容線性變化，當DAC寄存器輸入全為1時，輸出電流最大，DAC寄存器輸入全為0時，輸出電流為0。,IOUT2：電流輸出引腳2，與IOUT1電流互補輸出，即IO

16、UT1+ IOUT2=常數。,：反饋電阻連接端。由于片內已具有反饋電阻，故可以和外接運算放大器直接相連。該運算放大器是將D/A芯片電流輸出轉換為電壓輸出VOUT。,,,：基準電源輸入引腳。該引腳把一個外部標準電壓源與內部T型網絡相接，外接電壓源的穩(wěn)定精度直接影響D/A轉換精度，所以要求 精度應盡可能高一些，范圍為-10V~+10V。,VCC：電源電壓輸入端，范圍為+5V~+15V。,DGND：數字地。,AGND：模擬地。

17、模擬量電路的接地端始終與數字電路接地端相連。,3．DAC0832的輸出方式,DAC0832是電流型輸出器件，它不能直接帶負載，所以需要在其電流輸出端加上運算放大器，將電流輸出線性地轉換成電壓輸出。根據運放和DAC0832的連接方法不同，可以分為單極性輸出和雙極性輸出兩種。,(1) 單極性輸出。,其輸出電壓為,VOUT1=－IOUT1×Rfb,或者為,,VOUT1=－VREF×,(2) 雙極性輸出。,其輸出VOUT2為

18、,,VOUT2= VREF×,4．DAC0832的應用,DAC0832的三種工作方式適用于不同的場合。在應用系統(tǒng)中只有一路D/A轉換器或有多路D/A轉換，當并不要求同步輸出時，可采用單緩沖工作方式；當系統(tǒng)中有多路D/A轉換器并且要求同步輸出時，必須采用雙緩沖工作方式；當要求系統(tǒng)的輸出電壓值跟隨輸入的數字量變化時，就需要采用直通工作方式。,DAC0832與80C51單片機的雙緩沖方式接口電路,8.3 A/D轉換器,8.3.1

19、A/D轉換的基本原理,A／D轉換過程包括采樣、保持、量化和編碼4個步驟。,1．采樣和保持,(1) 采樣是將時間上連續(xù)變化的信號轉換為時間上離散的信號，即把時間上連續(xù)的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。,,,,,(a)連續(xù)信號,(b) 采樣器S,,(c)離散的脈沖序列,連續(xù)信號的采樣過程如下圖所示。,,,為了不失真地恢復原來的輸入信號，根據采樣定理，一個頻率有限的模擬信號，其采樣頻率 必須大于等于輸入模

20、擬信號所包含的最高頻率 的兩倍，即采樣頻率必須滿足,,(2) 保持就是將采樣最終時刻的信號電壓保持下來，直到下一個采樣信號出現。,采樣保持電路及工作波形如下圖所示。,,,(a) 采樣保持電路 (b)工作波形,2．量化和編碼,用數字量來表示模擬量時，任何一個數字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數量單位的整數倍。在進行A/D轉換時，必須把采樣電壓表示為這個最小單位的整數倍，

21、這個轉化過程叫做量化。所取的最小數量單位叫做量化單位，用△表示。顯然，數字信號最低有效位(LSB)的1所代表的數量大小就等于△。,把量化的結果用代碼(可以是二進制，也可以是其他進制)表示出來，稱為編碼。這些代碼就是A/D轉換的輸出結果。,在進行量化的過程中，不可避免地會引入誤差，這種誤差稱為量化誤差。,當采用的量化方法不同時，所引入的誤差也不同。,(1) 只舍不入法。,這種方法是將小于量化單位△的值舍掉，取下限值數字量。例如將0~1V的

22、模擬信號轉化成3位二進制數，因3位二進制數可以表示8種狀態(tài)，所以量化的最小單位△=，采用只舍不入法進行量化的電平如右圖所示。由圖可以看出，最大的量化誤差為1/8V。,(2) 四舍五入法。,這種方法是將小于Δ/2 的值舍掉，取下限值數字量，將大于△/2而小于△的值看做一個量化單位△，取其上限值的數字量。例如，同樣將0~1V的模擬信號轉化成3位二進制數，現在取量化單位為△=2/15，采用四舍五入法進行量化的電平如右圖所示。由圖可以看出，最大

23、的量化誤差僅為1/15V。,,8.3.2 并行比較型A/D轉換器,輸入的模擬電壓 已經是采樣保持電路的輸出電壓了，取值范圍為0～ ，輸出為3位二進制代碼 。,,,3位并行比較型A／D轉換器的代碼轉換表,并行比較型A／D轉換器的轉換精度主要取決于量化電平的劃分，分得越細(△取得越小)，精度越高。此外，轉換精度還受參考電壓的穩(wěn)定度、分壓電阻相對精度及電壓比較器靈敏度的影響。,并行比

24、較型A／D轉換器的最大優(yōu)點是轉換速度快，故又稱高速A／D轉換器。,并行比較型A／D轉換器的缺點是，需要使用較多的電壓比較器和觸發(fā)器。,8.3.3 逐次逼近型A/D轉換器,,,由上述轉換過程可知，逐次逼近型A/D轉換器的轉換時間取決于轉換中的數字位數的多少，完成每位數字的轉換需要一個時鐘周期，第n+1個時鐘周期作用后，第n位數據才存入寄存器，最后一個時鐘周期數據送到輸出寄存器，所以完成一次轉換所需要的時間為n+2個時鐘周期。因此，它的轉換

25、速度比并聯比較型A/D轉換器低，而且輸出位數較多時，電路比并行的簡單。正因為如此，逐次逼近型A/D轉換器是目前應用十分廣泛的集成A/D轉換器。,8.3.4 雙積分型A/D轉換器,雙積分型A／D轉換器的轉換原理是，首先將輸入的模擬電壓信號轉換成與其大小成正比的時間脈寬信號，然后在這個時間內對固定頻率的時鐘進行計數，計數結果就是正比于輸入模擬電壓信號的數字信號。,雙積分型A／D轉換器的原理框圖,轉換開始前，轉換控制信號 =0，將計數

26、器置零，控制邏輯使開關S0閉合，S1斷開，電容C完全放電。,當 變?yōu)?時開始轉換。由控制邏輯使S0斷開，S1接通輸入模擬電壓信號 ，積分器對 進行固定時間T1的積分。積分結束時積分器的輸出電壓為,,當時間T1到了以后，產生溢出信號，通過控制邏輯電路，使開關S1轉接到參考電壓(或稱為基準電壓) 一側，積分器向相反方向積分。如果積分器的輸出電壓上升到零時所經過的積分時間為T2，則可得,,

27、,,,該式說明，在T1固定的條件下，積分器的輸出電壓 與輸入電壓 成正比。,則,,所以,,,,可見，反向積分到 =0的這段時間T2與輸入信號 成正比。,令計數器在T2這段時間里對固定頻率為 ( )的時鐘脈沖進行計數，則計數結果也一定與 成正比，即,,式中的D為表示模擬輸入電壓信號 對應的數字量。,雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖如下圖所示。,雙積分型

28、A／D轉換器的優(yōu)點是：第一，工作性能比較穩(wěn)定，轉換精度高。第二，抗干擾能力強。,雙積分型A／D轉換器的缺點是工作速度低。,8.3.5 A/D轉換器的主要技術指標,1．分辨率,分辨率用來說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。有n位輸出的A/D轉換器能區(qū)分輸入模擬信號的 個不同等級，因此，其分辨率為,分辨率=,,式中， 是輸入模擬信號的最大值。,2．轉換誤差,A/D轉換器的轉換誤差通常以輸出誤差的最大值形式給出，它表

29、示實際輸出的數字量與理論上應該輸出的數字量之間的差別，一般以輸出最低有效位的倍數給出。,3．轉換時間,轉換時間是指A／D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數字信號所經過的時間。,并行比較型A／D轉換器的轉換速度最快。,逐次逼近型A／D轉換器的轉換速度次之。,雙積分型A／D轉換器的轉換速度要低得多了。,8.3.6 集成A/D轉換器簡介,1．ADC0809的內部結構,引腳圖,2．ADC0809的引腳功能,IN7~ IN0：8路

30、模擬量輸入端口，電壓范圍為0~5V。,D7~D0：8位數字量輸出端口。,ADDA、B、C：8路模擬開關的三位地址輸入端，以選擇對應的輸入通道。ADD C為高位，ADD A為低位。,ALE：地址鎖存允許信號輸入端。高電平時，轉換通道地址送入鎖存器中，下降沿時將三位地址線A、B、C鎖存到地址鎖存器中。,START：啟動控制輸入端口，它與ALE可以連接在一起，當通過軟件輸入一個正脈沖，便立即啟動模/數轉換。,EOC：轉換結束信號輸出端。EOC

31、=0，說明A/D正在轉換中；EOC=1，說明A/D轉換結束，同時把轉換結果鎖在輸出鎖存器中。,OE：輸出允許控制端，高電平有效。在此端提供給一個有效信號則打開三態(tài)輸出鎖存緩沖器，把轉換后的結果送至外部數據線。,VREF（+）、VREF（-）、Vcc、GND：VREF（+）和VREF（-）為參考電壓輸入端，Vcc為主電源輸入端，單一的+5V供電，GND為接地端。一般VREF（+）與Vcc連接在一起，VREF（-）與GND連接在一起。,CL

32、K：時鐘輸入端。由于ADC0808/0809芯片內無時鐘，所以必須靠外部提供時鐘，外部時鐘的頻率范圍為10K~1280KHz。,ADC0809的工作時序分為鎖存通道地址、啟動A/D轉換、檢測轉換結束和讀出轉換數據4個步驟。,3．ADC0809的工作時序,（1）鎖存通道地址。根據所選通道編號，輸入ADDC、ADDB、ADDA的值，并使ALE=1（正脈沖），鎖存通道地址。,（2）啟動A/D轉換。使START=1(正脈沖)啟動A/D轉換。使用

33、時需要注意，當輸入時鐘周期為1μs時，啟動ADC0809約10μs后，EOC才變?yōu)榈碗娖健?”，表示正在轉換。,（3）檢測轉換結束。當完成一次A/D轉換后，控制及時序電路送出EOC=1的信號，表示轉換結束。,（4）讀出轉換數據。在EOC=1時，使OE=1將A/D轉換后的數據讀出，并從數據線D7~D0送出。,ADC0809的工作時序圖如下圖所示。,4．ADC0809的應用,ADC0809與計算機接口時，根據其EOC引腳的連接方式不同，有三

34、種工作方式。 當EOC引腳懸空時，采用的是延時方式； 當EOC引腳與計算機的中斷引腳相連時，采用的是中斷方式； 當EOC引腳與數據線或I/O口線相連時，采用的是查詢方式。,ADC0809與80C51的查詢方式連接圖,8.4實例電路分析：數字電壓表電路,數字電壓表是利用A/D轉換原理，將被測電壓(模擬量)轉換為數字量，并將測量結果以數字形式顯示出來的一種電子測量儀器。 數字電

35、壓表中最通用最常見的是直流數字電壓表，在此基礎上，配合各種適當的輸入轉換裝置，如交流—直流轉換器、電流—電壓轉換器、歐姆——電壓轉換器等，可以構成能測交流電壓的交流數字電壓表，能測電壓、電流、電阻的數字多用表等。,直流數字電壓表的系統(tǒng)原理圖,直流數字電壓表主要由A/D轉換部分、數據處理部分和顯示部分組成。,A/D轉換部分是數字電壓表的核心，選用典型的A/D轉換器ADC0809。,數據處理部分是由單片機來執(zhí)行的，比如將A/D轉換后的數字量