第12章 模拟量和数字量的转换 12.1 D/A转换器 12.2 A/D转换器.

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1 第12章 模拟量和数字量的转换 D/A转换器 A/D转换器

2 概述 数/模与模/数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。 D/A （数/模）转换器：
能将数字量转换为模拟量的装置。 A/D （模/数）转换器： 能将模拟量转换为数字量的装置。

3 12.1 D/A 转换器 D/A （数/模）转换器：(DAC) 输入：n位二进制数N
（N）2=d n-1·2 n-1 + d n-2·2 n-2 + · · · + d 1·2 1 + d 0·2 0 输出：与输入二进制数N成正比的模拟信号（电压或电流）A A=K·N=K（d n-1·2 n-1 + d n-2·2 n-2 + · · · + d 1·2 1 + d 0·2 0 ） 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变换器的基本思想。

4 uo 12.1.1 D/A转换器的组成和工作原理 电路： 运放 - A 1、D/A转换器组成 倒梯形电阻网络DAC 待转换数字量 + RF
IO IO1 d0 d1 d2 d3 模拟电子开关 +UR R S2 S3 S1 1 2R S0 IR 倒梯形电阻网络 基准电压源

5 uo 2. D/A转换器的原理 - A di为1→ Si与运放的反相输入端连接→ uo = -IO1 RF di为0 → Si与地连接
+ - A uo RF IO IO1 +UR R S2 S3 S1 1 2R S0 IR d0 d1 d2 d3 di为1→ Si与运放的反相输入端连接→ uo = -IO1 RF di为0 → Si与地连接 IO1 =？ 与哪些量有关？

6 I3 = IR 2 1 = 21 UR I2 = IR 4 1 = 22 UR R I1 = IR 8 1 = 23 UR R R R
倒梯形电阻网络 0´ 1 1 ´ 2 2 ´ 3 3 ´ IO1 IR = UR /R R I2 I3 I1 2R I0 +UR IR I3 = IR 2 1 = 21 UR R I2 = IR 4 1 = 22 UR R R I1 = IR 8 1 = 23 UR R R R R IO1 =d3·I3+ d2·I2+ d1·I1+ d0·I0 I0 = IR 16 1 = 24 UR R

7 uo - A IO1 =d3·I3+ d2·I2+ d1·I1+ d0·I0
RF IO IO1 +UR R S2 S3 S1 1 2R S0 IR d0 d1 d2 d3 I1 I2 I3 I0 IO1 =d3·I3+ d2·I2+ d1·I1+ d0·I0 = （d3·23+ d2· 22 + d1· 21 + d0· 20） 24 UR R UO1 =-IO1·RF = （d3·23+ d2· 22 + d1· 21 + d0· 20） 24 UR RF R

8 即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换
UO1 =-IO1·RF = （d3·23+ d2· 22 + d1· 21 + d0· 20） 24 UR RF R 若为n位二进制数，则 UO1 = （dn-1·2n-1+ dn-2· 2n-2 + · · · + d0· 20） 2n UR RF R 若RF=R，则 UO1 = （dn-1·2n-1+ dn-2· 2n-2 + · · · + d0· 20） 2n UR 即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换

9 权电阻DAC、梯形DAC 、倒T形DAC等
按电路结构分： 权电阻DAC、梯形DAC 、倒T形DAC等 按输入二进制数位数分： 八位、十位 、十二位、十六位等 例：AD7520： 十位倒T形电阻网络DAC

10 ~ uo 特点： 运算放大器外接 14 3 管脚排列及外接电路： 4 13 1 2 15 16 正电源端 接地端 十位数字量输入端 d0
5G7520 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 模拟电流IO1输出端 模拟电流IO2输出端，一般接地 2 参考电压接线端，UR可正可负 15 内部电阻RF的引出端，另一端在芯片内部接IO1端 16 +UDD GND UR uo － ＋  

11 12.1.2 D/A转换器的主要技术指标 1、分辨率 2、转换精度 3、输出电压( 电流 )的建立时间 4、电源抑制比
指最小输出电压和最大输出电压之比。 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。 210-1 1 = 1023 如十位DAC分辨率： 2、转换精度 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。 3、输出电压( 电流 )的建立时间 从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。 4、电源抑制比 指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。

12 12.2 A/D 转换器 A/D转换器 模拟量转换成数字量的电路。 输入： 连续变化的模拟量 输出： 大小与输入模拟量成正比的数字量

13 12.2.1 逐次逼近型A/D转换器基本组成和工作原理
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： 砝码重 第一次 第二次 第三次 第四次 加4克 加2克 加1克 8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留 砝码总重仍 <待测重量Wx ，故保留 砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除 砝码总重 ＝ 待测重量Wx ，故保留 暂时结果 8 克 12 克 13 克 结 论

14 DAC 1. 基本组成 输入电压量 输出数字量 顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器 电压比较器 顺序脉冲发生器
1. 基本组成 输入电压量 输出数字量 顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器 DAC 电压比较器 顺序脉冲发生器 产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲 由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置“1”，再根据比较器的输出决定该“1”的取舍。 逐次逼近寄存器 将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量 数摸转换器 将DAC输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍 电压比较器

15 5）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即dn-2=1；
原理图 2.工作原理 Uo 置数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器 D/A转换器 + - A 设欲转换量UX 数字量输出 d0 d1 dn-1 Ux 1）给逐次逼近寄存器清零； 2）将逐次逼近寄存器最高位置“1”；即dn-1=1； 3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量UO； 4）当UO < UX ，置数控制逻辑电路使该位“1”保留； 当UO >UX ，置数控制逻辑电路使该位“1”去掉； 5）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即dn-2=1； 直至确定d0

16 d3 d2 d1 d0=1000 例：四位逐次逼近DAC D/A转换器 数字量输出 已知：UX=5.52V DAC的UR=8V
置数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器 D/A转换器 + - A Ux 数字量输出 Uo d0 d1 dn-1 例：四位逐次逼近DAC 已知：UX=5.52V DAC的UR=8V 试分析转换过程。 1）清零： d3 d2 d1 d0=0000 2）将最高位置“1”；即d3 d2 d1 d0=1000 ； 3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1000转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1·23+ 0· · · 20 ）=4V 4）UO < UX ，置数控制逻辑电路使d3=1保留； d3 d2 d1 d0=1000

17 d3 d2 d1 d0=1000 d3 d2 d1 d0=1010 5）将d2置“1”；即d3 d2 d1 d0=1100 ；
6）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1100转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1·23+ 1· · · 20 ）=6V 7）UO > UX ，置数控制逻辑电路使d2=1去掉，使d2=0 ； d3 d2 d1 d0=1000 8）将d1置“1”；即d3 d2 d1 d0=1010 ； 9）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1010转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1·23+ 0· · · 20 ）=5V 10）UO < UX ，置数控制逻辑电路使d1=1保留； d3 d2 d1 d0=1010

18 ADC d3 d2 d1 d0=1011 UX=5.52V d3 d2 d1 d0=1011 转换误差=0.02V，输出位数越多，误差越小
11）将d0置“1”；即d3 d2 d1 d0=1011； 12）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1011转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1·23+ 0· · · 20 ）=5.5V 10）UO < UX ，置数控制逻辑电路使d0=1保留； d3 d2 d1 d0=1011 ADC d3 d2 d1 d0=1011 UX=5.52V 转换误差=0.02V，输出位数越多，误差越小

19 以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高
A/D转换器 的主要技术指标 1、分辨率： 以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高 2、相对精度： 实际转换值和理想特性之间的最大偏差 3、转换速度： 完成一次A/D转换所需要的时间。即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间 4、其它：电源抑制、功率、电压范围等。

20 集成ADC A/D变换组件也有多种型号可供选择，使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0809 为例 ，介绍集成电路A/D变换器。 ADC0809 是八通道八位逐次逼近型模数 转换器。 ADC0809 是28脚双列直插式模数转换器

21 正负参考电压输入端该电压确定模拟量的输入电压范围
结构框图 外部时钟脉冲输入端 转换结束信号端 高电平有效 八位数字量输出 八通道模拟量输入 CLOCK EOC 8选1 模拟量选择器 8位逐次逼近ADC 三态输出锁存器 地址 锁存器 D0 D7 IN0 IN7 输出允许端高电平有效 A B C UR（-） UR（+） START OE 正负参考电压输入端该电压确定模拟量的输入电压范围 启动信号输入端启动脉冲下降沿开始转换 ALE 地址锁存信号输入端 高电平有效 8选1模拟选择器的地址选择输入端

22 D5 D4 D6 UCC UR（+） OE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14 13 12 11 19 18 17 16 15 20 CLK START UR(-) 21 22 23 24 25 26 27 28 D1 D2 D7 D3 D0 ALE C B A IN0 IN1 IN2 IN5 IN4 IN3 IN7 IN6 EOC GND ADC0809 选中通道与地址码关系 管脚功能 选中通道 地址码 C B A IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

23 END