第 23 章模拟量和数字量的转换

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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。


1. 1. 电路电路23.1.1 T23.1.1 T 型电阻网络型电阻网络 D/AD/A 转换器转换器

由数个相同的电路环节构成，每个电路环节由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。有两个电阻和一个模拟开关。

参考电压参考电压

存放四位存放四位二进制数二进制数

最低位最低位(LSB)(LSB)

最高位最高位(MSB)(MSB)

模拟模拟开关开关

UUOO

++

––

22RRAA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

++

++

--AA

RRFF

22RR

00 001111

数码寄存器数码寄存器QQ00 QQ11 QQ22 QQ33


1. 1. 电路电路23.1.1 T23.1.1 T 型电阻网络型电阻网络 D/AD/A 转换器转换器

参考电压参考电压最低位最低位(LSB)(LSB)


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，开关接电源时，开关接电源 UURR ；为；为 00 时接“地”。时接“地”。

模拟模拟开关开关

UUOO

++

––

22RRAA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

++

++

--AA

RRFF

22RR

00 001111

数码寄存器数码寄存器QQ00 QQ11 QQ22 QQ33

存放四位存放四位二进制数二进制数


2. 2. 转换原理转换原理分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压 UUoo 之间的关系之间的关系

TT 型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压 UUAA 即是反相比例运算即是反相比例运算电路的输入电压。电路的输入电压。

反相比例反相比例运算电路运算电路

TT 型电型电子网络子网络

22RRAA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

UUOO

++

++

--AA

RRFF

22RR

00 001111

++

––


22.. 转换原理转换原理

用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算 UUAA

AA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

22RR

00 001111

最低位最低位(LSB)(LSB)


1 0 0 01 0 0 0对应二进制数为对应二进制数为 00010001


2.2. 转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为 00010001 时，时，

AA

22RR22RR22RRRR

RR RR RR

等效电路如右下图等效电路如右下图

04R

A 2d

UU

开路电压

11

11

22

22

33

33

22RR22RR22RR22RR

RR RR RR

22RR

UURR

AA

RR

04R

2d

U

AA00

00


2. 2. 转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为 00010001 时，时，等效电路如下等效电路如下

RR

AA

04R

2d

U

同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为 00100010 时，有时，有



04R

A 2d

UU

开路电压

13R

A 2d

UU

开路电压

22R

A 2d

UU

开路电压

31R

A 2d

UU

开路电压

AA

RR

13R

2d

U


2. 转换原理

04R

13R

22R

31R

EA 2222d

Ud

Ud

Ud

UUU

TT 型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压 UUAA ，即等效电源电压，即等效电源电压 UUE E

。。

等效电阻为等效电阻为 RR

等效电路如右图等效电路如右图RR

AA

UUEE

)2222(2

00

11

22

334

R ddddU


2.2. 转换原理转换原理

EF

ο 3U

R

RU

输出电压

)2222(23

00

11

22

334

RF

ddddR

UR

若输入的是若输入的是 nn 位二进制数，则位二进制数，则

)222(23

00

22

11

RFo

dddR

URU n

nn

nn

22RR

UUOO

++

++

--AA

RRFF

++

––

RR

UUEE++

––

AA


2.2. 转换原理转换原理

若取若取 RRF F = 3R= 3R ，则，则

)222(2

00

22

11

Ro

dddU

U nn

nnn

若输入的是若输入的是 nn 位二进制数，则位二进制数，则

)222(23

00

22

11

RFo

dddR

URU n

nn

nn

22RR

UUOO

++

++

--AA

RRFF

++

––

RR

UUEE++

––

AA


倒 T 型电阻网络 D A 转换器

分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压 uuoo 之间的关系之间的关系转换原理转换原理

倒倒 TT 型解码网络型解码网络

UUOO

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2R

R3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR


.

UC = UR / 2

UB = UR /4UA = UR /8

UD = UR 即：由于解码网络的电路结构由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点和参数匹配，则图中各点((DD 、、 CC 、、 BB 、、 A) A) 电位逐电位逐位减半。位减半。

UUOO

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2R

R3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR


因此，每个因此，每个 22RR 支路支路中的电流也逐位减半。中的电流也逐位减半。

RUI RR /10 2

1II 21 2

1II

32 2

1II RII

2

13

即：即：

UUOO

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2R

R3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR


0R

1R

2R

3R

16842d

R

Ud

R

Ud

R

Ud

R

U

)24(816 0123

R ddddR

U

012301 IIIII

)24(82 01234

FRO dddd

R

RUU

UUOO

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2R

R3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR


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。输出之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


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；

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+

+

–

AD7520 的外引线排列及连接电路


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

CSCS

WRWR11

WRWR22

XFERXFER

D/AD/A

DD77

DD00

........

....

11

11

≥≥

≥≥


2) 2) 芯片管脚芯片管脚

DAC 0832 管脚分布图

CSWR1

WR2AGND

D4

D5

D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RF

DGND

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

D5

D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RF

DGND

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

CS

WR1

WR2AGND

D4

D5

D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RF

DGND

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

CS

WR1

WR2AGND

D4

D5

D6

D7

D0

D1

D2

D3

UCC

UREF

RF

DGND

ILE

XFER

Iout1

Iout2

1

2

34

56

7

8

9

10

1918

17

16

15

14

1312

11

20



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

CSCS

WRWR11

WRWR22AGNDAGND

DD44

DD55

DD66

DD77

DD00

DD11

DD22

DD33

UUCCCC

UUREFREF

RRFF

DGNDDGND

ILEILE

XFERXFER

IIout1out1

IIout2out2

11

22

33

44

55

66

77

88

99

1010

1919

1818

1717

1616

1515

1414

1313

1212

1111

2020

DAC 0832 DAC 0832 管脚分布图管脚分布图


23.2 23.2 A/DA/D 转换器转换器模–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。

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

逐次逼近型模—数转换器原理框图


23.2.1 23.2.1 逐次逼近式逐次逼近式 A/DA/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。若有四个砝码共重明。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，可以用下表步骤克，可以用下表步骤来秤量：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

暂时结果砝码重比较判断顺序

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


1. 1. 转换原理转换原理

放哪一放哪一个砝码个砝码

砝码是砝码是否保存否保存

((待转换的模拟电压待转换的模拟电压 ))

顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器

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

清清 00 、置数、置数

CPCP((移位命令移位命令 ))

““11””状态是否保状态是否保留留控制端控制端

UUAA试探电压试探电压


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 23.2.2 A/D A/D 变换器的主要技术指标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。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。


ADC0809ADC0809 八位八位 A/DA/D 转换器转换器

GNDGND

CCBB

AA

－

＋＋

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

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

UURR(-)(-)

BB

DD44

DD00

DD22

DD77

DD66

DD55

11223344

5566

778899

1010 191918181717161615151414

131312121111

2020

25252424232322222121

262627272828 ININ22

ININ11

ININ00

GNDGNDDD11

ALEALEEOCEOC STARTSTART

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。


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

双积分型 A/D 转换器的电路图

1. 1. 电路图电路图


A/D 转换器的工作波形图

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

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


A/D 转换器的工作波形图

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

2. 2. 转换原理转换原理

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。

第 23 章 模拟量和数字量的转换

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第 23 章模拟量和数字量的转换