第 23 章模拟量和数字量的转换

下一页返回上一页退出章目录

第第 2323 章模拟量和数字量的转换章模拟量和数字量的转换

23.1 D23.1 D//AA 转换器转换器

23.2 23.2 AA//DD 转换器转换器


第第 2323 章模拟量和数字量的转换章模拟量和数字量的转换

本章要求本章要求

1. 1. 了解了解 D/AD/A 、、 A/DA/D 转换的基本概念和转换原理转换的基本概念和转换原理 ;;

2. 2. 了解了解 D/AD/A 、、 A/DA/D 转换常用芯片的使用方法。转换常用芯片的使用方法。


模模数与数数与数模转换器是计算机与外部设备模转换器是计算机与外部设备的重要接口的重要接口 ,, 也是数字测量和数字控制系统的重要也是数字测量和数字控制系统的重要部件。部件。

将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模数数转换器转换器 (( 简称简称 A/DA/D 转换器或转换器或 ADCADC)) ；；

传感器传感器

模拟控制模拟控制

模模拟拟信信号号

数字计算机数字计算机

数字控制数字控制

数数字字信信号号

ADCADC

DACDAC

将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器模转换器(( 简称简称 D/AD/A 转换器或转换器或 DACDAC))


23.123.1 D/AD/A 转换器转换器数–模数–模转换（转换（ D/AD/A 转换器转换器）的基本思想：）的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，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，这就是构成模拟量，这就是构成 D/AD/A 转换器的基本思想。转换器的基本思想。


23.1.1 23.1.1 倒倒 TT 型电阻网络型电阻网络 D/AD/A 转换器转换器

参考电压参考电压

各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为““ 1”1”时，开关时，开关接运放反相输入端接运放反相输入端；为；为 ““ 0” 0” 时接“地”时接“地”。。

1. 1. 电路电路

模拟模拟开关开关

UUOO

RF

IR

DCA+UR

S1S0 S2 S3

2R 2R 2R 2R

++

A

0

R R R

I01

B

11

2R

d0 d1 d2 d3

I02 ++

-1 10 0 0

(LSB) (MSB)

UUOO

RF

IR

DCA+UR

S1S0 S2 S3

2R 2R 2R 2R

++

A

0

R R R

I01

B

11

2R

d0 d1 d2 d3

I02 ++

-1 10 0 0

(LSB) (MSB)


从基准电压从基准电压 UURR 输出的总输出的总电流固定不变电流固定不变

R

UIR

R 10 2

1II

21 2

1II

32 2

1II

RII2

13

2. 2. 转换原理转换原理

UUOO

RF

IR

DCA+UR

S1S0 S2 S3

2R 2R 2R 2R

++

A

0

R R R

I01

B

11

2R

d0 d1 d2 d3

I02 ++

-1 10 0 0

(LSB) (MSB)

UUOO

RF

IR

DCA+UR

S1S0 S2 S3

2R 2R 2R 2R

++

A

0

R R R

I01

B

11

2R

d0 d1 d2 d3

I02 ++

-1 10 0 0

(LSB) (MSB)


0R

1R

2R

3R

01 16842d

R

Ud

R

Ud

R

Ud

R

UI

)24(816 0123

R ddddR

U

)24(82 01234

FRFFO dddd

R

RURIU

012301 IIIII

运算放大器输出的模拟电压运算放大器输出的模拟电压

流入运算放大器的流入运算放大器的总总电流电流

)2...22(2

00

22

11

FRO ddd

R

RUU n

nn

nn

若输入 n 位二进制数

)2...22(2

00

22

11

FRO ddd

RUU n

nn

nn

若 RF=R


23.1.2 D/A23.1.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。

1. 分辨率

22.. 线性度线性度通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示 D/AD/A 转换器的线性度。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。比的百分数定义为非线性误差。 33.. 输出电压输出电压 ( ( 电流电流 )) 的建立时间的建立时间

例例 :: 十位十位 D/AD/A 转换器转换器的分辨率为的分辨率为 0010

1023

1

12

110 .

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

有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。

通常通常 D/AD/A 转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于 11SS


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。

23.1.3 DAC0832 D/A 转换器


1. 1. 内部简化电路框图内部简化电路框图

DAC 0832 简化电路框图

八位八位

寄存器寄存器输入输入

八位八位

寄存器寄存器DACDAC

八位八位

转换器转换器

UUREFREF

RRFF

IIout1out1

IIout2out2

AGNDAGND

UUCCCC

DGNDDGND&&ILEILE

CSCSWRWR11

WRWR22

XFERXFER

D/AD/A

DD77

DD00

........

....

11

11

≥≥

≥≥

八位八位

寄存器寄存器输入输入

八位八位

寄存器寄存器DACDAC

八位八位

转换器转换器

UUREFREF

RRFF

IIout1out1

IIout2out2

AGNDAGND

UUCCCC

DGNDDGND&&ILEILE

CSCSWRWR11

WRWR22

XFERXFER

D/AD/A

DD77

DD00

........

....DD77

DD00

........

....

11

11

≥≥

≥≥


2. 2. 芯片管脚芯片管脚

DAC 0832 管脚分布图

CSWR1

WR2AGND

D4

D5D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RFDGND

ILE

XFER

Iout1

Iout2

1

2

34

56

7

8

9

10

1918

17

16

15

14

1312

11

20


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

CSWR1

WR2AGND

D4

D5D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RFDGND

ILE

XFER

Iout1

Iout2

1

2

34

56

7

8

9

10

1918

17

16

15

14

1312

11

20


数字地端

反馈电阻外接端


CSWR1

WR2AGND

D4

D5D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RFDGND

ILE

XFER

Iout1

Iout2

1

2

34

56

7

8

9

10

1918

17

16

15

14

1312

11

20


CSWR1

WR2AGND

D4

D5D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RFDGND

ILE

XFER

Iout1

Iout2

1

2

34

56

7

8

9

10

1918

17

16

15

14

1312

11

20

输入锁存允许信号，高电平有效

芯片工作电压输入端

写入控制端低电平有效，与配合使用XFER



电流输出端单极性输出时。

Iout2 接模拟地

传送控制端低电平有效，与WR2

配合使用

CSWR1

WR2AGND

D4

D5D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RFDGND

ILE

XFER

Iout1

Iout2

1

2

34

56

7

8

9

10

1918

17

16

15

14

1312

11

20



DA0832 的典型应用

单片机的地址线 P2.7 与 XFER 连接作为片选信号；D/A 中两级寄存器的写信号均由单片机的 WR 端控制；

当 P2.7 为“ 0” 选中 DAC0832 时，只要输出 WR 控制信号， DAC8032 就能完成数字量的输入锁存和 D/A 的输出。

当基准电压是 5V 时，输出电压范围是 0 ～ 5V 。

单片机8051P0.1

P0.7

D7

D0

CSXFER

WR1

WR2

P2.7

WR

DAC0832Ucc

ILE

RF

+5V

Iout1

Iout2

Uo

Rf

+

单片机8051P0.1

P0.7

D7

D0

CSXFER

WR1

WR2

P2.7

WR

DAC0832Ucc

ILE

RF

+5V

Iout1

Iout2

Uo

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；

GND ：接地端。UR ：参考电源，可正可负；

AD7520 的外引线排列及连接电路

UR

IO1

IO2

RF

GND

d4

AD7520

1

2

3

4

5

6

78

1615

14

13

12

11

109

UDD+UR

d3

d2

d1

d0

d5

d6

d7

d8

d9 UUOO+

+

–UR

IO1

IO2

RF

GND

d4

AD7520

1

2

3

4

5

6

78

1615

14

13

12

11

109

UDD+UR

d3

d2

d1

d0

d5

d6

d7

d8

d9 UUOO+

+

–


A/D 转换

88 位电流输出型位电流输出型 D/AD/A 转换器。转换器。

I/V 转换

可通过编程，利用数可通过编程，利用数 // 模转换器输出特定波形。模转换器输出特定波形。255RO

输入数字量UU

UREF

AD7524

CS WRIO2

IO1

UDD

GND

+5V +5V

IOW

译码器来

UO+

+US

- US

D7~D0

Rf

UREF

AD7524

CS WRIO2

IO1

UDD

GND

+5V +5V

IOW

译码器来

UO+

+US

- US

D7~D0

Rf


23.2 A/D23.2 A/D 转换器转换器模 – 数模 – 数 (A/D)(A/D) 转换器的任务是将模拟量转换转换器的任务是将模拟量转换成数字量成数字量 ,,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其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。性能不同，类型也比较多。下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式 A/DA/D 转换电路的原理和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。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—数转换器原理框图逐次逼近型模—数转换器原理框图

顺序脉冲发生器

逐次逼近寄存器 DAC 电压

比较器

输出数字量输入电压 Ui

UA

顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器

逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 DACDAC 电压

比较器电压比较器

输出数字量输入电压 Ui

UA


23.2.1 23.2.1 逐次逼近式逐次逼近式 A/D A/D 转换器转换器其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重若有四个砝码共重 1515克克 ,, 每个重量分别为每个重量分别为 88 、、 44 、、 22 、、11克。设待秤重量克。设待秤重量 Wx = 13Wx = 13 克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：

22 8 g + 4 g

33 8 g + 4 g + 2 g

44 8 g + 4 g + 1 g

11 8 g 8g < 13g ，

12g < 13g ，

14g > 13g ，

13g ＝ 13g ，

8 g8 g

12 g12 g

12 g12 g

13g

暂时结果暂时结果砝码重砝码重比较判断比较判断顺序顺序保留保留

保留保留

撤去撤去保留保留


QF3

S R RF2

S

Q

RF1

S

Q

RF0

S

Q

& d3

& d2

& d1

& d0

读出“与门”

& & & &

≥ 1 ≥ 1 ≥ 1

d3

d0

E

读出控制端

Ui 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

CQ4 Q3 Q2 Q1 Q0

d2 d1

QF3

S R RF2

S

Q

RF1

S

Q

RF0

S

Q

& d3

& d2

& d1

& d0

读出“与门”

& & & &

≥ 1 ≥ 1 ≥ 1

d3

d0

E

读出控制端

Ui UA

－＋

∞

△

＋电压比较器


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

CQ4 Q3 Q2 Q1 Q0

d2 d1


((待转换的模拟电压待转换的模拟电压))


UUII －－

＋＋

数码寄存器数码寄存器

D/AD/A转换器转换器

uO

控控

制制

逻逻

辑辑

时钟

清清00、置数、置数


CPCP((移位命令移位命令))

““11””状态是否保留状态是否保留

控制端控制端

UUAA试探电压试探电压((待转换的模拟电压待转换的模拟电压))


UUII －－

＋＋

数码寄存器数码寄存器


uO

控控

制制

逻逻

辑辑

时钟





控制端控制端

UUAA试探电压试探电压

UUII －－

＋＋

数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器


uO

控控

制制

逻逻

辑辑

时钟时钟





控制端控制端

UUAA试探电压试探电压


放哪一放哪一个砝码个砝码

砝码是砝码是否保存否保存


2. 2. 转换过程转换过程

22

33

44

11 1 0 0 0 UUAA << UUII

6V

UUAA << UUII

5. 5V

留留

去去

留留

留留

4V

UUAA >> UUII

5V

UUAA UUII

““1”1”留否留否dd3 3 dd2 2 dd1 1 dd00 UUAA(V)(V)顺序顺序比较判断比较判断

1 1 0 0

1 0 1 0

1 0 1 1

例：例： UURR= 8V= 8V ，， UUI I = 5.52V= 5.52V

)2222(2

8 00

11

22

334A ddddU

D/A 转换器输出 UA 为正值


转换数字量转换数字量 1011 4+1+0.5 = 5.5V1011 4+1+0.5 = 5.5V

转换误差为 –转换误差为 – 0.02V0.02V

例：例： UURR= 8V= 8V ，， UUI I = 5.52V= 5.52V

若输出为若输出为 88 位数字量位数字量

转换数字量转换数字量 1011000110110001

4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V

转换误差为转换误差为 +0.01125V+0.01125V

位数越多误差越小位数越多误差越小

)222(2

8 00

66

778A dddU


逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图6

VU /A

3D

2D

1D

0D

t0 t1 t3

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

t2

R3 211 U,D 对应于时




V,8R U设参考电压5

432

10

。输入电压 V52.5I U

UUAA > U> UII

UUAA < U< UII

输出数字量转换完毕 ,10110123 dddd

V5.5U对应模拟电压(( 转换误差转换误差 : –0.02V): –0.02V)


23.2.2 A/D 23.2.2 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标1. 1. 分辨率分辨率以输出二进制数的位数表示分辨率。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。位数越多，误差越小，转换精度越高。2. 2. 转换速度转换速度完成一次完成一次 A/DA/D 转换所需要的时间，即从它接到转换所需要的时间，即从它接到转转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。所需要的时间。3. 3. 相对精度相对精度实际的各个转换点偏离理想特性的误差。实际的各个转换点偏离理想特性的误差。

44.. 其它其它功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。


ADC0809ADC0809 八位八位 A/DA/D 转换器转换器

GNDGND

CCBBAA

－

++

8通道模拟开关

比较器逻辑控制


D/A转换器地址锁存译码器

三态输出锁存器

UUDDDD

UURR(+)(+) UURR((--))

DD77

DD00

DD66DD55DD44DD33DD22DD11

ININ77

ININ66

ININ55

ININ44ININ33

ININ22

ININ11

ININ00

ALEALE

EOCEOC

STARTSTART CLOCKCLOCK

EOUTEOUT

++

GNDGND

CCBBAA

－

++

8通道模拟开关

比较器逻辑控制


D/A转换器地址锁存译码器

三态输出锁存器

UUDDDD

UURR(+)(+) UURR((--))

DD77

DD00

DD66DD55DD44DD33DD22DD11

ININ77

ININ66

ININ55

ININ44ININ33

ININ22

ININ11

ININ00

ALEALE

EOCEOC

STARTSTART CLOCKCLOCK

EOUTEOUT

++


ADC 0809ADC 0809 管脚分布图管脚分布图

BB

UURR((--))

DD44

DD00

DD22

DD77

DD66

DD55

11223344

5566

778899

1010 191918181717161615151414

131312121111

2020

25252424232322222121

262627272828 ININ22

ININ11

ININ00

GNDGND

DD11

ALEALEEOCEOCSTARTSTART

CLOCKCLOCK

DD33

ININ33

ININ44

ININ55

ININ66

ININ77

EOUTEOUT

AA

CC

UUR R (+)(+)UUDDDD

UURR((--))

DD44

DD00

DD22

DD77

DD66

DD55

11223344

5566

778899

1010 191918181717161615151414

131312121111

2020

25252424232322222121

262627272828 ININ22

ININ11

ININ00

GNDGND

DD11

ALEALEEOCEOCSTARTSTART

CLOCKCLOCK

DD33

ININ33

ININ44

ININ55

ININ66

ININ77

EOUTEOUT

AA

CC

UUR R (+)(+)UUDDDD


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。


双积分型 A/D 转换器的电路图

1. 1. 电路图电路图

S1 R

S2

C

uA

积分器

CP

_

+

n位二进制计数器

&

+A C

_

++

Q0Q1Qn-1

逻辑控制电路 1K

1J

RD

FFS RD

-UR uS1uC

G

d0d1dn-1

uL

+ui

Q

S1 R

S2

C

uA

积分器

CP

_

+

n位二进制计数器

&

+A C

_

++

Q0Q1Qn-1

逻辑控制电路

逻辑控制电路 1K

1J

RDRD

FFS RDRD

-UR uS1uC

G

d0d1dn-1

uL

+ui

Q


A/D 转换器的工作波形图

2. 2. 转换原理转换原理(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。

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。

(2) 对输入模拟电压的积分

uA

t

t

t

O

O

T1 T2

Ot

O

… …

uS1 u1

-UR

uC

CP 2n个 N个

定时定压

ui小ui大

uA

t

t

t

O

O

T1 T2

Ot

O

… …

uS1 u1

-UR

uC

CP 2n个 N个

定时定压

ui小ui大


A/D 转换器的工作波形图


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。

(2) 对输入模拟电压的积分

A/D 转换器的工作波形图如图所示。

uA

t

t

t

O

O

T1 T2

Ot

O

… …

uS1 u1

-UR

uC

CP 2n个 N个

定时定压

ui小ui大

uA

t

t

t

O

O

T1 T2

Ot

O

… …

uS1 u1

-UR

uC

CP 2n个 N个

定时定压

ui小ui大

第 23 章 模拟量和数字量的转换

Documents

第 23 章模拟量和数字量的转换