第12章模拟量与数字量的转换

1、学习要点学习要点能将模拟量转换为数字量的电路称为，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大功率放大执行机构执行机构加热炉加热炉温度传感器温度传感器信号放大信号放大多路开关12.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理1 D /A 转 换 器 的 基 本 原 理 和 转 换 特 性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。u

2、o或io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/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，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出模拟电流io=KiD。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：)2222(00112211oddddK

3、unnnnu12.1.2 T型电阻网络数模转换器型电阻网络数模转换器1 0 1 0 1 0 1 0RRR2R2R2R2RRfS0S3S2S1d3d0d1d2URuoA +2R2R数码di=1（i=0、1、2、3），即为高电平时，则由其控制的模拟电子开关Si自动接通左边触点，即接到基准电压UR上；而当di=0，即为低电平时，则由其控制的模拟电子开关Si自动接通右边触点，即接到地。RRR2R2R2R2RURA2RRfuo +2Rd3d2d1d0=0001时的电路：用戴维南定理从左至右逐级对各虚线处进行等效。UR 21RRR2R2RARfuo +2R2RRUR 22RRR2R2RARfuo +2RU

4、R 23RR2RARfuo +2RUR 24RARfuo +2R由图可得输出电压为：4Rf4Rfo02322RURURRRu由于d0=1、 d3=d2=d1=0，所以上式又可写为：04Rfo023dRURu同理，当d3d2d1d0=0010时的输出电压为：13Rfo123dRURu当d3d2d1d0=0100时的输出电压为：22Rfo223dRURu当d3d2d1d0=1000时的输出电压为：31Rfo323dRURu应用叠加原理将上面4个电压分量叠加，即得T形电阻网络数模转换器的输出电压为：)2222(2323232323001122334Rf31Rf22Rf13Rf04Rfo3o2o1o0

5、oddddRURdRURdRURdRURdRURuuuuu当取Rf=3R时，则上式成为：)2222(2001122334RoddddUu)2222(200112211RoddddUunnnnn括号中的是 4 位二进制数按权的展开式。可见，输入的数字量被转换为模拟电压，而且输出模拟电压 uo与输入的数字量成正 比 。 当 输入 信 号00000123dddd时 ，输 出 电 压0ou；当输入信 号00010123dddd时， 输出电压Ro161Uu， ，当输入信号11110123dddd时，输出电压Ro1615Uu。S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +

6、RR2R2R2R2R2RIRABCD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。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：RUIRR12.1.3 倒倒T型电阻网络数模转换器型电阻网络数模转换器S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0IRUIIRUIIRUIIRUIIRRRFRRRR403122132161 281241 221各支路电流IR为：S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0

7、RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0I)2222(200112233433221100ddddRUdIdIdIdIIREF)2222(2001122334oddddRRUIRuFRF12.1.4 集成数模转换器及其应用集成数模转换器及其应用0.1FIoUR(+5V)UEE(-5V)1162153144135126117108 9DAC0808NCGNDUEEIod7d6d5d4COPUR(-)UR(+)UCCd0d1d2d35 13 1467 1589 21011 412 3 16DAC0808UCC(+5V)2.4k2.4kRLd0d1d2d

8、3d4d5d6d7(a)(b)（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的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。（3）输出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时所需要的时间，称为输出建立时间。001. 0102311211012.1.5 数模转换器的主要技术指标数模转换器的主要技术指标12.2.1 A/D转换器

9、的基本原理转换器的基本原理1 A /D 转 换 器 的 基 本 原 理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。2 采 样 - 保 持 电 路t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开

10、，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。采样定理：max2isff - +CHuoui - +采样脉冲开关驱动电路SA1A2 uo, uiuoui0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t12.2.2 并联比较型模数转换器并联比较型模数转换器ui1D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&URd2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1RRRRRRRCP比较器寄存器编码器F7F6F5F4F3F2F1+-C7+

11、-C6+-C5+-C4+-C3+-C2+-C12R20uiUR/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0000。UR/14ui3UR/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的 二 进 制 代 码 为d2d1d0=001。3UR/14 ui5UR/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5UR/14ui7UR/14时，比较器C1、 C2、 C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、

12、FF2、 FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。ui1D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&URd2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1RRRRRRRCP比较器寄存器编码器F7F6F5F4F3F2F1+-C7+-C6+-C5+-C4+-C3+-C2+-C12R2输入模拟电压寄 存 器 状 态输出二进制数uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1d2 d1 d0REFV)0(1410 0 0 0 0 0 00 0 0REFV)(1431410 0 0

13、0 0 0 10 0 1REFV)(1451430 0 0 0 0 1 10 1 0REFV)(1471450 0 0 0 1 1 10 1 1REFV)(1491470 0 0 1 1 1 11 0 0REFV)(14111490 0 1 1 1 1 11 0 1REFV)(141314110 1 1 1 1 1 11 1 0REFV) 1(14131 1 1 1 1 1 11 1 112.2.3 逐次逼近型模数转换器逐次逼近型模数转换器输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器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

14、，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。G5 G6 G7G1 G2 G3 G4Q1 Q2 Q3 Q4 Q5uiD CD CD CD CD C&11&uoCuAd3(23)d2(22)d1(21)d0(20) FB Q J K FA Q J K FC Q J K4 位

15、D/A 转换器F1 F2 F3 F4 F5 + + A FD Q J K1&d3d2d1d0CCCCG8G9G10G11为了分析方便，设D/A转换器的参考电压为UR=8V，输入的模拟电压为ui=4.52V。转换开始前，先将逐次逼近寄存器的4个触发器FAFD清0，并把环形计数器的状态置为Q1Q2Q3Q4Q5=00001。第1个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器右移一位，其状态变为10000。由于Q1=1，Q2、Q3、Q4、Q5均为0，于是触发器FA被置1，FB、FC和FD被置0。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1000 ，D/A转换器的输出电压为：V 4816

16、8)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=1。第3个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00100。这时由于uA=1，Q3=1，Q1、Q2、Q4、Q5均为0，于是触发器FA的1保留，而FB被置0。与此同时，Q3的高电平将触发器FC置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1010 ，D/A转换器的输出电压为：V 5)28(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=1。第4个时钟脉冲C的上升沿到来时

17、，环形计数器又右移一位，其状态变为00010。这时由于uA=1，Q4=1，Q1、Q2、Q3、Q5均为0，于是触发器FA、FB的状态保持不变，而触发器FC被置0。与此同时，Q4的高电平将触发器FD置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1001 ，D/A转换器的输出电压为：V 5 . 4) 18(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=0。第5个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00001。这时由于uA=0，Q5=1，Q1、Q2、Q3、Q4均为0，于是触发器FA、FB

18、、FC、FD的状态均保持不变，即加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1001。同时，Q5的高电平将门G8G11打开，使作为转换结果通过门G8G11送出。这样就完成了一次转换。转换过程如表所示。顺序脉冲d3 d2 d1 d0uo/V比较判断该位数码1是否保留12341 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 0 14654.5uouiuouiuo0)uodn-1 dn-2 d0TCCo=+-+-逻辑控制门定时器n 位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器时钟输入控制门 Gn 位二进制数字输出ui-URS1S2RCCPCo=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0TCCo=+-+-iRnUUN22计 数 器 中 所 计 的 二 进 制 数 值12.2.5 集成模数转换器及其应用集成模数转换器及其应用(20)+5VUin(+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UR/2 D4CLKRD5D6CLKinD7CSRDWRDGND INTR1k1k1k1k1k1k1k1k+5V(1)(2)(10)(6)(7)(8)(9)(19)(4)(18)(17)(16)(15)(14)(13)(12)(11)(5)(3)LED输入模拟电压ui05V