第12章模拟量和数字量的转换
合集下载
模拟量和数字量的转换—D_A转换器(电子技术课件)
1
2 LSB
FSR
1
2
≤ 0.05%，即 ×
1
2 −1
≤ 0.05% ⇒
1
由于10位D/A转换器分辨率为 10
2 −1
的D/A转换器。
=
1
2 −1
1
1023
≤ 0.1%。
= 0.097%，故应取十位或十位以上
总结
DAC主要技术指标： VLSB 、 VFSR 、分辨率、转换速度、
转换精度
倒T形电阻网络D/A转换器
位数比较多时问题更突出。难以在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻
都有很高的精度，对制作集成电路不利且影响转换器精度。
总结
权电阻网络DAC：结构比较简单，所用电阻元件数很少。
但各个电阻阻值相差较大，尤其在输入信号位数比较多时
问题更突出，影响转换器精度。
开关树型DAC
分压器型
双积分型ADC
间接ADC
权电容网络DAC
V-F变换型ADC
总结
1. DAC：数模转换器
ADC：模数转换器
2. DAC的分类、ADC的分类
D/A转换器的应用
以AD7520为例，介绍D/A转换器的应用。
AD7520是一种10位CMOS型的D/A转换集成
芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口
1
对于n位D/A转换器，分辨率也可表示为：分辨率= 。如10位D/A转换器
2 −1
1
的分辨率为 10
2 −1
=
1
1023
≈ 0.001。DAC输入位数n越多，电路的分辨率越高。
分辨率体现D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。
4. 转换速度：指从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间。
2 LSB
FSR
1
2
≤ 0.05%，即 ×
1
2 −1
≤ 0.05% ⇒
1
由于10位D/A转换器分辨率为 10
2 −1
的D/A转换器。
=
1
2 −1
1
1023
≤ 0.1%。
= 0.097%，故应取十位或十位以上
总结
DAC主要技术指标： VLSB 、 VFSR 、分辨率、转换速度、
转换精度
倒T形电阻网络D/A转换器
位数比较多时问题更突出。难以在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻
都有很高的精度，对制作集成电路不利且影响转换器精度。
总结
权电阻网络DAC：结构比较简单，所用电阻元件数很少。
但各个电阻阻值相差较大，尤其在输入信号位数比较多时
问题更突出，影响转换器精度。
开关树型DAC
分压器型
双积分型ADC
间接ADC
权电容网络DAC
V-F变换型ADC
总结
1. DAC：数模转换器
ADC：模数转换器
2. DAC的分类、ADC的分类
D/A转换器的应用
以AD7520为例，介绍D/A转换器的应用。
AD7520是一种10位CMOS型的D/A转换集成
芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口
1
对于n位D/A转换器，分辨率也可表示为：分辨率= 。如10位D/A转换器
2 −1
1
的分辨率为 10
2 −1
=
1
1023
≈ 0.001。DAC输入位数n越多，电路的分辨率越高。
分辨率体现D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。
4. 转换速度：指从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间。
模拟量与数字量转换-电子技术_图文
增益误差
非线性误差
二、 D/A转换器的构成
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，各支路的电流不 变的。
设RF=R/2
对于权电阻DAC而言，n位二进制数转换 为模拟量：
输出模拟电压的大小直接与输入 二进制 数的大小成正比，实现了数字量 到模拟量的 转换 。
集成ADC0809： 8位、前置8选1模拟开关、 后置三态输出数据锁存器，
另有相应的控制端，便于程序控制，易于直接微机 。
思考题 1、DAC和ADC有什么用途? 2、 R-2R T形电阻网络有什么特点？ 为什么通常采用R-2R T 形电阻网络DAC而不用权电阻DAC? 3、什么是DAC、 ADC的分辨率和转换精度？ 4、比较并联比较型ADC和逐次比较型DAC的优缺点?
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，所得的总模拟量就与数字量成正比 ，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
基本原理
转换特性
D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字 量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换 器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模
如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器 的输出电压为：
第2节 A / D 转换器
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。
一、 A/D转换器的基本原理
模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。
时间上和量值上都连续
模拟信号
时间上和量值上都离散
数字信号
编码 取样
取样和保持是由取样－保持电路完成的。
vI S(t)
模拟量与数字量的转换
uo
1 01 01 01 0
S0
S1
S2
S3
2R 2R
2R
2R
2R
AR
BR
C R D IR
UR
①分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻都是R。
②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，各支路的电流不变。
从参考电压UR处输入的电流IR为：
uo
RF I
U R RF 24 R
(d3 23 d2 22 d1 21 d0 20 )
10.1.3 集成数模转换器及其应用
NC GND
UEE Io d7 d6 d5 d4
1
16
2
15
3
14
4 DAC0808 13
5
12
6
11
7
10
8
9
(a)
COP d0
UR(-) d1
数
DAC
字
控
制
计
算
机
ADC
多 路
功率放大
执行机构
开
…
…
关
功率放大
执行机构
加热炉
…
加热炉
多
信号放大
温度传感器
路
…
…
开 关
信号放大
温度传感器
10.1.1 T型电阻网络数模转换器
Rf
R
R
R A 2R
∞ －
2R 2R
2R
2R
2R
+ +
uo
S0
S1
S2
S3
微型计算机原理及应用第12章AD及DA转换
31
编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量 化电平的整数倍)用二进制数码、BCD码或其他 码来表示。 至此，即完成了A/D转换的全过程，将 各采样点的模拟电压转换成了与之一一对应的 二进制数码。
32
实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、 双积分法及电压频率转换法等。 . 逐次逼近法A/D转换器 逐次逼近法A/D转换是一个具有反馈回路的闭路系 统。A/D转换器可划分成3大部分：比较环节、控制环节 、比较标准(D/A转换器)。 下 图就是逐次逼近法A/D转换器的原理电路。其主 要原理为：将一个待转换的模拟输入信号VIN与一个“推 测”信号V1相比较，根据推测信号是大于还是小于输入 信号来决定减小还是增大该推测信号，以便向模拟输入 信号逼近。推测信号由D/A变换器的输出获得，当推测 信号与模拟输入信号“相等”时，向D/A转换器输入的 数字即为对应的模拟输入的数字。 33
17
2.1 8位数模转换器DAC0832 例2 用DAC0832控制绘图仪 X-Y绘图仪由X、Y两个方向的电机驱动，其中一个电
机控制绘图笔沿X方向运动,另一个电机控制绘图笔沿Y方 向运动，从而绘出图形。因此对X-Y绘图仪的控制有两点 基本要求：一是需要两路D/A转换器分别给X通道和Y通道 提供模拟信号，二是两路模拟量要同步输出。
28
29
保持
所谓保持，就是将采样得到的模拟量值 保持下来，即是说，s(t)=0期间，使输出不是 等于0，而是等于采样控制脉冲存在的最后瞬 间的采样值。可见，保持发生在s(t)=0期间。 实际中进行A/D转换时所用的输入电压，就是 这种保持下来的采样电压，也就是每次采样结 束时的输入电压。
30
量化和编码
stack segment stack stack dw 32 dup(0) ends segment proc far assume ss：stack，cs：code „„ MOV DX，380H INC AL OUT DX，AL PUSH AX MOV AH，11 ；11号功能调用 INT 21H CMP AL，0 ；有键入AL=FFH，无键入AL=0 POP AX JE AGAIN ；无键入继续 ret endp ends end start
第12章 数模与模数转换
d0
d1
输入
…
dn－1
uo 或 io D / A 输出
uo Ku (dn1 2n1 dn2 2n2 d1 21 d0 20 )
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
9
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.2.1 数/模转换电路的基本概念
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
2
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.1 数/模与模/数转换的基本概念
作用在被控对象上的信号通常也是模拟信号，这就需 要将计算机处理过的数字信号再转换为模拟信号，才能作 用于被控制对象，这种把数字量转换成相应的模拟量的过 程叫做数/模转换，其相应的转换电路叫做数/模转换器 （Digital-Analog Converter， DAC）。数字控制系统框图 如图12-1所示。
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
22
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.2.3 D/A转换器主要技术指标
3.转换速度 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所
需要的时间称为转换速度。 不同的DAC转换速度亦不同，一般约在几微秒到几十微秒
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
3
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.1 数/模与模/数转换的基本概念
图12-1 数字控制系统框图
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
模拟量转数字量万能公式
模拟量转数字量万能公式在咱们的科技世界里，有一个特别神奇的概念，叫做“模拟量转数字量”。
这玩意儿听起来好像挺复杂，挺高大上的，但其实啊，它就像我们学骑自行车，一开始觉得难，掌握了窍门之后就会发现，也就那么回事儿。
我记得有一次，我在一个电子实验室里，看到一群学生正在为这个问题抓耳挠腮。
他们面前摆着各种仪器，眼神里充满了困惑和迷茫。
其中有个叫小明的同学，那着急的样子，就像是热锅上的蚂蚁。
咱们先来说说啥是模拟量。
简单来讲，模拟量就像是一条连续不断的河流，它的数值可以在一定范围内任意变化，没有固定的间隔或者台阶。
比如说，温度、压力、声音的强弱，这些都是模拟量。
那数字量呢？数字量就像是一级一级的台阶，它的数值是离散的，只能是一些特定的值。
比如说，咱们电脑里存储的数字 0 和 1 ，就是典型的数字量。
那为啥要把模拟量转成数字量呢？这就好比我们要把一条流淌的河，变成一段一段的水池子，这样我们的电脑啊、电子设备啊，才能更好地处理和理解这些信息。
这时候，咱们就得提到那个传说中的“万能公式”啦！其实啊，它并不是一个真正像数学公式那样写在纸上就能套用的式子，而是一套方法和思路。
比如说，咱们要测量一个温度。
温度是模拟量，那怎么转成数字量呢？首先，咱们得确定一个测量的范围，比如说 0 到 100 度。
然后，我们把这个范围分成很多小的区间，假设分成 1000 个区间。
每个区间就代表一个数字值。
这时候，我们用一个传感器来测量温度，传感器会把温度的变化转化成电信号。
然后通过一个叫做 ADC（模数转换器）的东西，把这个电信号转换成数字信号。
这个 ADC 就像是一个神奇的魔法盒子，能把模拟的东西变成数字的。
但是这里面可有点小讲究哦。
比如说，这个 ADC 的精度，精度越高，转换出来的数字量就越准确。
就像你用一把刻度很精细的尺子去测量东西，肯定比用一把粗糙的尺子准得多。
再比如说，采样频率也很重要。
采样频率就像是你拍照的快门速度，速度越快，就能捕捉到更多的细节。
模拟量与数字量的转换
1.T型电阻网络数模转换器
如图12.1所示为4位T型电阻网络数模转换器电路，由T型电阻网络、模拟电子开关、运算放大器和基准电压等部分组成。T型电阻网络可应用戴维南定理和叠加定理逐步化简，从而求得输出电压为：
RU
"o"■"(d电'd212"d尸・d0R)
如果输入的是n位二进制数，且R■3R,贝上f
u■■UR(d*n・■d*nw■…■d■Ri■d■RO)
解数模转换器的输出电压uo为：°
uHIUR(d0■d*2■d*1■d*0)
o243210
式中d■Q，d■Q，d■Q，UBIEV，随着计数脉冲C的变化，输出电压332211R
uo的值如表12.1所示。由表12.1可知输出电压uo的最大值为4.6875V，输出电压uo随计数脉冲C变化的波形如图12.7所示。°
第
12.1
（1）理解数模与模数转换的基本原理。
（2）了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法。
12.2
本章重点：
（1）数模转换器的工作原理。
（2）模数转换器的工作原理。
பைடு நூலகம்本章难点：
（1）逐次逼近型模数转换器的构成。
（2）逐次逼近型模数转换器的工作原理。
本章考点：
（1）T型电阻网络数模转换器的分析。
（2）数模转换器输出电压的计算。
12.2.2
模数转换器是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出的电路，结构类型很多。常用的逐次逼近型模数转换器的分辨率较高、转换误差较低、转换速度较快，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，如图12.3所示。
图12.3逐次逼近型模数转换器的原理框图
逐次逼近型模数转换器的工作原理类似于用天平称量物体的质量。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压u,送到比较器中与u.
如图12.1所示为4位T型电阻网络数模转换器电路，由T型电阻网络、模拟电子开关、运算放大器和基准电压等部分组成。T型电阻网络可应用戴维南定理和叠加定理逐步化简，从而求得输出电压为：
RU
"o"■"(d电'd212"d尸・d0R)
如果输入的是n位二进制数，且R■3R,贝上f
u■■UR(d*n・■d*nw■…■d■Ri■d■RO)
解数模转换器的输出电压uo为：°
uHIUR(d0■d*2■d*1■d*0)
o243210
式中d■Q，d■Q，d■Q，UBIEV，随着计数脉冲C的变化，输出电压332211R
uo的值如表12.1所示。由表12.1可知输出电压uo的最大值为4.6875V，输出电压uo随计数脉冲C变化的波形如图12.7所示。°
第
12.1
（1）理解数模与模数转换的基本原理。
（2）了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法。
12.2
本章重点：
（1）数模转换器的工作原理。
（2）模数转换器的工作原理。
பைடு நூலகம்本章难点：
（1）逐次逼近型模数转换器的构成。
（2）逐次逼近型模数转换器的工作原理。
本章考点：
（1）T型电阻网络数模转换器的分析。
（2）数模转换器输出电压的计算。
12.2.2
模数转换器是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出的电路，结构类型很多。常用的逐次逼近型模数转换器的分辨率较高、转换误差较低、转换速度较快，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，如图12.3所示。
图12.3逐次逼近型模数转换器的原理框图
逐次逼近型模数转换器的工作原理类似于用天平称量物体的质量。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压u,送到比较器中与u.
模拟量和数字量的转换
OE
CLK: 时钟输入端 A0 、A1 、A2 ：8路模拟开关 的3位地址选通输入端。 VCC : 主电源输入端
GND：接地端
CL K VCC VREGF N(+D)
B1
1
28
2
27
3
26
4
25
5
24
6
23
ADC
7
22
8 0809 21
9
20
1019Biblioteka 111812
17
13
16
14
15
IN2 IN1 IN0 A0 A1 A2
A/D转换其实就是对采样信号进行量化和编码， 并最终输出二进制数码的过程。
模拟量和数字量的 转换
（2）逐次逼近A/D转换器
工作原理
3.2V uI
8V D/A
比
较
器
10
转换开始前，
先将逐次逼近寄
存器清零
转换控制信号
MSB 1000 LSB
逐次渐近 寄存器
MSB
LSB
并行数字输出 1000
参考 电源
时钟 信号
模拟量和数字量的 转换
一、任务目标
➢掌握D/A和A/D转换电路的 原理 ➢了解常用集成A/D和D/A 芯片的使用及性能参 数
模拟量和数字量的 转换 二、相关知识 （一）D/A转换器 （1）D/A转换器的基本原理 功能：把数字量转换成与其成一定比例关系的模拟量
要求：输出的模拟量与输入的数字量成正比。
CS ：输入寄存器选择信号 D13
WR1 ：输入寄存器写选通
D12
信号
D11
XFER ：数据传送信号 D10 (LSB)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数—模转换装置输出的模拟量A就是和输入的数字量D 成正比例的电压或电流信号。即A=KD，其中的K称为转换 比例系数。
以十位DAC为例，输入的是十位二进制代码，共有210
种组合。若输出电压的最大值为5V，则该转换器所能转换
出的最小电压为
5 210
1
5，其V 转换步距也为
1023
，5 显V 然
1023
（3）电压比较器。将数据寄存器中数据对应的电压 与输入电压比较，输出结果用于修改数据寄存器中的 数据。 （4）控制逻辑及时钟。用于实现整机的逻辑控制。 2. 工作过程
FF8－FF1组 成8位数据寄
存器
10个D触发器接成环形 移位寄存器
假设输入电 压uI＝149 V
第Q因8此一－第据1u个9QC二寄2＝C1V为P个存0到，，1C器0来P保大0的到0时留于0状来0，。，0态时0W不为，，8保＝1Wu1留I10与7，0＝。01其02108，余0v，其比W该余较i均数W，为据i小均0使于为，u，0D。＝数
CP为高电平时，S闭合； CP为低电平时，S断开。
S是电子开关
L是开关的 驱动电路
当S闭合时，A1和A2均工作在电压跟随器状态，所以 uo＝u/o＝uI，电容上的电压uC＝uI；当S断开时，由于Ch 上的电压不变，所以输出电压uo的数值得以保持不变。
采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率失的采原两样信倍信号时号的，是信采否息样会呢信丢？号可以 不失真地恢复为原模拟信号。
2.转换精度和线性度 转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想
值之差，即最大静态转换误差。这误差和运放的 零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差 等很多原因引起的。
线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的 原因一般是由各模拟通路的偏差和压降不同造成的。
3.输入数字电平和输出电平
输入数字电平是指输入的数字信号分别为0和 1时所对应的输入高、低电平的值，不同的转换器 该值略有区别。输出电平是指输出电压的最大值， 不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输 出型的可达30V，电流输出型的可达3A。
数十 ns
数十 s 数十 ms
12.2.3 常用ADC简介
目前常用ADC大多是单片集成转换器，种类很多。 1.ADC0800系列
ADC0800系列属逐次比较型比较器，如ADC0801， ADC0804，ADC0809等，可把输入模拟信号转换为8 位数字信号输出。
ADC0809片内有带锁存功能的8路模拟开关，可实 现对8路输入模拟电压进行分时转换，输出采用TTL三 态锁存缓冲器，可直接与外部数据总线连接。采用28 脚双列直插封装，其外引线排列图如图所示。
电路和转换控制电路构成，采用20脚双列直插封装，
芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后
变成电压信号输出。
图12-5 DAC0830系列的外引线排列图
2.集成DA7520
集成DA7520和前述0830系列不同的是其电路只包
含转换网络和模拟电子开关。是10位CMOS电流开关
型转换器，其结构简单，通用性好。DA7520的外引线
…
Dn-1 Dn-2
D1 n 位二进制数输出 D0 D = Dn-1 Dn-2 D1 D0
]”表示取整。
△ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位， 它是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。
A /D 转换的一般步骤
输入模拟量
uI(t)
SC
uI(t)
采样保持电路
量化 编码
电路
…
输出数字量
Dn-1 DD10
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的
整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。
2.集成采样－保持器LF198
A1，A2是网络的输出电流 如果输入的是n位二进制数，则 当取RF＝R时，则上式为 与T形电阻网络的输出电压相同。
12.1.2数—模转换器的主要技术指标
1.分辨率 分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。
当输入的数字量为1时（仅最低位为1，其余各位 全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为1 时，输出最大，此二者之比即为分辨率，例如10位 DAC转换器的分辨率为：
集成运放的输出
模拟电压为U0 如果输入的是n位二进制数，则
如果输入的是n位二进制数，则
当取RF＝3R时，则上式为
例如对四位的数—模转换器而言：
R—2RT形电阻网络数—模转换器的优点是它只 需及和2只两种阻值的电阻，这对选用高精度电阻和 提高转换器的精度都是有利的。
2.倒T形电阻网络数—模转换器
电路组成与转换原理
4.工作温度范围 温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，
好的产品工作温度可在-40 ℃ ~150℃之间。
12.1.3 数—模转换器的主要产品介绍
1. DAC0830系列
DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC转换电路，
包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主
要由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换
T形电阻网络：当输入的数字信号的某一位为“1”
时，开关接到参考电压UR上，为“0”时接地，这个T 形电阻网络开路时的输出电压UA(未接运算放大器时) 可以应用叠加原理进行计算。
即分别计算只当d0＝1、dl＝l、d2＝l、d3＝l(其余位 为0)时的电压分量，而后叠加得到UA。
应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出T形电 阻网络开路时的输出电压UA，等效内阻(除去电源后开 路网络的等效电阻)为R。
D0
D1
D2
D3 iΣ
RF
-
△
∞ +
uO
0 10 10 10 1 +
S0
S1
S2
S3
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1
I2
I3
I
VREF
地关打；电向模打压哪拟向由转一开“倒换侧关0”电，TS侧路i倒型打时(电T简向，阻型称“相网电1I应络/”阻U、侧网2转R模时络换支拟，均电路开相可路接关应等)组地和效2成R。一为。故个支下电无路图流论接：虚开
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1 A I2 B I3 C I
VREF
1)从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。
2)不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)或接
“地”(也就是不论输入信号是1或是0)，各支路的电流是不变的。
因此，从参考电压端输入的电流为IR＝ 分流公式得出各支路的电流：
0
111 7 = 7/8V 110 6 = 6/8V 101 5 = 5/8V 100 4 = 4/8V 011 3 = 3/8V 010 2 = 2/8V 001 1 = 1/8V 000 0 = 0V
最大量化误差 = = (1/8)V
(15/15)V
111
(13/15)V
110 (11/15)V
第12章 模拟量和数字量的转换
为何要进行数模和模数转换？
数字量
数字量
模拟量
模拟量
传感器 被控对象 自然界物理量
第12章 模拟量和数字量的转换
定义：能将模拟量转换为数字量的装置称为模—数转换器， 简称A/D或ADC；能将数字量转换为模拟量的装置称为数— 模转换器，简称D/A或DAC。ADC和DAC是模拟电路和数字 电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的“桥梁”。
1/（210-1）≈0.001 有时也用输入信号的有效位数来表示分辨率，有 效位数越多分辨率就越高。显然分辨率越高，转换的 精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。
表12-1 不同DAC转换器的分辨率
转换器输入数字量的位数
分辨率
4
1/15
8
1/255
10
1/1023
12
1/4095
16
1/65535
特点：
由于要两次积分，因此双积分型ADC转换器的转 换速度较低，但转换数字量位数n增加时，电路复杂程 度增加不大，易于提高分辨率，其通常用在对速度要 求不高的场合，如数字万用表等。
具体电路略
双积分型ADC转换器原理图
(二) 主要参数
1. 分辨率
指 ADC 输出数字量的最低位变化一 个数码时，对应输入模拟量的变化量。
101 (9/15)V
100
(7/15)V 011
(5/15)V
010 (3/15)V
001
(1/15)V 0
000
最大量化误差
= /2 = (1/15)V
7 =14/15V 6 = 12/15V 5 = 10/15V 4 = 8/15V 3 = 6/15V 2 = 4/15V 1 = 2/15V 0 = 0V
排列图如图12.6所示。
图12.6 DA7520的外引线排列图
12.2 模-数转换器
模-数转换一般要经过采样、保持、量化和编码4 个步骤。目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和 电压频率变换型转换器等。
1.A /D 转换的基本原理和一般步骤
模拟输 入信号
uI
D
uＩ
ADC “[
第12章 模拟量和数字量的转换
本章基本要求：
理解数模和模数转换器的概念和作用。 了解数模转换的基本原理。 了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的电路与工作 原理。 了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。 了解模数转换的基本原理。 了解常用 A/D 转换器。 了解 A/D 转换器的主要参数。
以十位DAC为例，输入的是十位二进制代码，共有210
种组合。若输出电压的最大值为5V，则该转换器所能转换
出的最小电压为
5 210
1
5，其V 转换步距也为
1023
，5 显V 然
1023
（3）电压比较器。将数据寄存器中数据对应的电压 与输入电压比较，输出结果用于修改数据寄存器中的 数据。 （4）控制逻辑及时钟。用于实现整机的逻辑控制。 2. 工作过程
FF8－FF1组 成8位数据寄
存器
10个D触发器接成环形 移位寄存器
假设输入电 压uI＝149 V
第Q因8此一－第据1u个9QC二寄2＝C1V为P个存0到，，1C器0来P保大0的到0时留于0状来0，。，0态时0W不为，，8保＝1Wu1留I10与7，0＝。01其02108，余0v，其比W该余较i均数W，为据i小均0使于为，u，0D。＝数
CP为高电平时，S闭合； CP为低电平时，S断开。
S是电子开关
L是开关的 驱动电路
当S闭合时，A1和A2均工作在电压跟随器状态，所以 uo＝u/o＝uI，电容上的电压uC＝uI；当S断开时，由于Ch 上的电压不变，所以输出电压uo的数值得以保持不变。
采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率失的采原两样信倍信号时号的，是信采否息样会呢信丢？号可以 不失真地恢复为原模拟信号。
2.转换精度和线性度 转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想
值之差，即最大静态转换误差。这误差和运放的 零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差 等很多原因引起的。
线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的 原因一般是由各模拟通路的偏差和压降不同造成的。
3.输入数字电平和输出电平
输入数字电平是指输入的数字信号分别为0和 1时所对应的输入高、低电平的值，不同的转换器 该值略有区别。输出电平是指输出电压的最大值， 不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输 出型的可达30V，电流输出型的可达3A。
数十 ns
数十 s 数十 ms
12.2.3 常用ADC简介
目前常用ADC大多是单片集成转换器，种类很多。 1.ADC0800系列
ADC0800系列属逐次比较型比较器，如ADC0801， ADC0804，ADC0809等，可把输入模拟信号转换为8 位数字信号输出。
ADC0809片内有带锁存功能的8路模拟开关，可实 现对8路输入模拟电压进行分时转换，输出采用TTL三 态锁存缓冲器，可直接与外部数据总线连接。采用28 脚双列直插封装，其外引线排列图如图所示。
电路和转换控制电路构成，采用20脚双列直插封装，
芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后
变成电压信号输出。
图12-5 DAC0830系列的外引线排列图
2.集成DA7520
集成DA7520和前述0830系列不同的是其电路只包
含转换网络和模拟电子开关。是10位CMOS电流开关
型转换器，其结构简单，通用性好。DA7520的外引线
…
Dn-1 Dn-2
D1 n 位二进制数输出 D0 D = Dn-1 Dn-2 D1 D0
]”表示取整。
△ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位， 它是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。
A /D 转换的一般步骤
输入模拟量
uI(t)
SC
uI(t)
采样保持电路
量化 编码
电路
…
输出数字量
Dn-1 DD10
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的
整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。
2.集成采样－保持器LF198
A1，A2是网络的输出电流 如果输入的是n位二进制数，则 当取RF＝R时，则上式为 与T形电阻网络的输出电压相同。
12.1.2数—模转换器的主要技术指标
1.分辨率 分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。
当输入的数字量为1时（仅最低位为1，其余各位 全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为1 时，输出最大，此二者之比即为分辨率，例如10位 DAC转换器的分辨率为：
集成运放的输出
模拟电压为U0 如果输入的是n位二进制数，则
如果输入的是n位二进制数，则
当取RF＝3R时，则上式为
例如对四位的数—模转换器而言：
R—2RT形电阻网络数—模转换器的优点是它只 需及和2只两种阻值的电阻，这对选用高精度电阻和 提高转换器的精度都是有利的。
2.倒T形电阻网络数—模转换器
电路组成与转换原理
4.工作温度范围 温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，
好的产品工作温度可在-40 ℃ ~150℃之间。
12.1.3 数—模转换器的主要产品介绍
1. DAC0830系列
DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC转换电路，
包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主
要由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换
T形电阻网络：当输入的数字信号的某一位为“1”
时，开关接到参考电压UR上，为“0”时接地，这个T 形电阻网络开路时的输出电压UA(未接运算放大器时) 可以应用叠加原理进行计算。
即分别计算只当d0＝1、dl＝l、d2＝l、d3＝l(其余位 为0)时的电压分量，而后叠加得到UA。
应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出T形电 阻网络开路时的输出电压UA，等效内阻(除去电源后开 路网络的等效电阻)为R。
D0
D1
D2
D3 iΣ
RF
-
△
∞ +
uO
0 10 10 10 1 +
S0
S1
S2
S3
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1
I2
I3
I
VREF
地关打；电向模打压哪拟向由转一开“倒换侧关0”电，TS侧路i倒型打时(电T简向，阻型称“相网电1I应络/”阻U、侧网2转R模时络换支拟，均电路开相可路接关应等)组地和效2成R。一为。故个支下电无路图流论接：虚开
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1 A I2 B I3 C I
VREF
1)从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。
2)不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)或接
“地”(也就是不论输入信号是1或是0)，各支路的电流是不变的。
因此，从参考电压端输入的电流为IR＝ 分流公式得出各支路的电流：
0
111 7 = 7/8V 110 6 = 6/8V 101 5 = 5/8V 100 4 = 4/8V 011 3 = 3/8V 010 2 = 2/8V 001 1 = 1/8V 000 0 = 0V
最大量化误差 = = (1/8)V
(15/15)V
111
(13/15)V
110 (11/15)V
第12章 模拟量和数字量的转换
为何要进行数模和模数转换？
数字量
数字量
模拟量
模拟量
传感器 被控对象 自然界物理量
第12章 模拟量和数字量的转换
定义：能将模拟量转换为数字量的装置称为模—数转换器， 简称A/D或ADC；能将数字量转换为模拟量的装置称为数— 模转换器，简称D/A或DAC。ADC和DAC是模拟电路和数字 电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的“桥梁”。
1/（210-1）≈0.001 有时也用输入信号的有效位数来表示分辨率，有 效位数越多分辨率就越高。显然分辨率越高，转换的 精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。
表12-1 不同DAC转换器的分辨率
转换器输入数字量的位数
分辨率
4
1/15
8
1/255
10
1/1023
12
1/4095
16
1/65535
特点：
由于要两次积分，因此双积分型ADC转换器的转 换速度较低，但转换数字量位数n增加时，电路复杂程 度增加不大，易于提高分辨率，其通常用在对速度要 求不高的场合，如数字万用表等。
具体电路略
双积分型ADC转换器原理图
(二) 主要参数
1. 分辨率
指 ADC 输出数字量的最低位变化一 个数码时，对应输入模拟量的变化量。
101 (9/15)V
100
(7/15)V 011
(5/15)V
010 (3/15)V
001
(1/15)V 0
000
最大量化误差
= /2 = (1/15)V
7 =14/15V 6 = 12/15V 5 = 10/15V 4 = 8/15V 3 = 6/15V 2 = 4/15V 1 = 2/15V 0 = 0V
排列图如图12.6所示。
图12.6 DA7520的外引线排列图
12.2 模-数转换器
模-数转换一般要经过采样、保持、量化和编码4 个步骤。目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和 电压频率变换型转换器等。
1.A /D 转换的基本原理和一般步骤
模拟输 入信号
uI
D
uＩ
ADC “[
第12章 模拟量和数字量的转换
本章基本要求：
理解数模和模数转换器的概念和作用。 了解数模转换的基本原理。 了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的电路与工作 原理。 了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。 了解模数转换的基本原理。 了解常用 A/D 转换器。 了解 A/D 转换器的主要参数。