第23章 模拟量和数字量的转换 23.1 数—模转换器 23.2 模―数转换器

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

23.1 数–模转换器 数–模(D/A)转换器的任务是将数字量转换成模拟量,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。

uo - 23.1.1 倒T型电阻网络D A转换器 转换原理 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 A B D 2R A B D +UR S2 S3 S1 S0 R3 R2 R1 R0 + - RF d3 d2 d1 d0 R I3 I1 I0 I01 C 1 I2 IR

. uo - A B D +UR I01 C IR UD = UR 即： S2 S3 S1 S0 R3 R2 R1 R0 + - RF d3 d2 d1 d0 R I3 I1 I0 I01 C 1 I2 IR UD = UR 即： 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

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

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

有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。 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

23.2 模–数转换器 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 模–数转换器 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。 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。

23.2.1 逐次逼近式A/D转换器 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： 暂时结果 砝 码 重 比 较 判 断 顺 序 1 8 g 保留 8g < 13g ， 8 g 2 8 g + 4 g 12g < 13g ， 保留 12 g 3 8 g + 4 g + 2 g 14g > 13g， 撤去 12 g 13g ＝13g， 保留 8 g + 4 g + 1 g 13g 4

四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路 d3 d2 d1 d0 读出“与门” E 读出控制端 U1 UA 电压 比较器 逐次逼近 寄存器 Q F3 S R F2 F1 F0 & d3 d2 d1 d0 读出“与门” ≥1 E 读出控制端 U1 UA － ＋ ∞ △ 电压 比较器 逐次逼近 寄存器 控制逻辑门 时钟脉冲 五位顺序脉冲发生器 四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路 四位D/A转换器 C Q4 Q3 Q2 Q1 Q0

u0 1. 转换原理 (待转换的模拟电压) UI 控 制 逻 辑 UA 试探电压 数码寄存器 顺序脉冲发生器 D/A转换器 时钟 清0、置数 － ＋ D/A转换器 u0 控 制 逻 辑 时钟 清0、置数 CP(移位命令) “1”状态是否保留 控制端 UA 试探电压 砝码是 否保存 放哪一 个砝码

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

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

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

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。 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。

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

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