第8章 模拟量与数字量的转换

第八章模拟量和数字量的转换在实际应用中常常需要对模拟量和数字量进行相互转换。例如，用传感器测得的温度、压力等的电压或电流信号一般都是模拟量，如果要将这些信号送到数字计算机中去进行运算和处理，就要将测得的模拟量转换成数字量；而计算机处理的结果仍为数字量，只有将它转换成模拟量才能去控制原来的被控对象。将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称D/A转换器或DAC将模拟量转换成数字量的装置称为模/数转换器，简称A/D转换器或ADC。传感器模拟控制ADCDAC数字计算机A/D和D/A转换的原理框图8.1数/模转换器8.1.1倒T形电阻网络D/A转换器D/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关、解码网络、求和电路和基准电压几部分组成。+–++–uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR+–++–uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR+–++–uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR+–++–uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR（1）R和2R两种阻值的电阻组成多级倒T形电阻网络（2）运算放大器接成反相比例运算电路，用以输出合适的模拟电压uo。（3）UR是参考电压；（4）D0、D1、D2、D3是待转换的数字量（5）S0、S1、S2、S3是电子转换开关，由输入数字量D0、D1、D2、D3控制。RUIRR1RR3221RUII2RR2241RUII3RR1281RUII4RR02161RUII+UR2R2R2R2R2RRRRIRI0I1I2I301230123+UR2R2R2R2R2RRRRIRI0I1I2I301230123)2222(2001122334R1oDDDDRUI)2222(2001122334Rf1ofoDDDDRURIRu如果输入数字量为n位二进制数，则)222(2002n2n1n1nnRfoDDDRURu时当fRR，则为)222(2002n2n1n1nnRoDDDUu倒T形电阻网络D/A转换器的转换速度快，但转换误差较大8.1.2权电流型D/A转换器+–++–uoRfS0S1S2S3URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）I12I22I32I42I+–++–uoRfS0S1S2S3URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）I12I22I32I42I041322312222DIDIDIDII)2222(2)2222(001122334f04132231ffoDDDDRIDIDIDIDIRIRu8.1.3D/A转换器的主要技术指标1.分辩率指转换器输出模拟电压可能被分离的数目2.比例系数误差指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。3.失调误差由运算放大器的零点漂移引起的，其大小与输入数字量无关4.非线性误差指D/A转换器的实际传输特性曲线和平均传输特性曲线之间的最大偏差5.建立时间指D/A转换器的输入从全“0”突变为全“1”（或从全“1”突变为全“0”）时，输出达到与最终稳定值相差LSB范围内所需要的时间，也叫做满量程建立时间。216.传输延迟从数字输入变化到模拟输出，电流达到其最终值的90%所需的时间。7.静态功耗8.电源电压抑制比8.1.4集成D/A转换器16151413121110912345678RFGND1oI9D2oI5D8D7D6D4D3DRU2D1D0DCCUAD7520+–++–uo16123413输入数字量+5V1415URIo1Io2AD7520AD7520单极性电压输出的应用实例+–++–uo16123413输入数字量+15V1415URIo1Io2+–+10k20k5k20kAD7520+–++–uo16123413输入数字量+15V1415URIo1Io2+–+10k20k5k20k+–++–uo16123413输入数字量+15V1415URIo1Io2+–+10k20k5k20kAD7520双极性电压输出的应用实例16151413121110912345678NCOIGND5D7D6D4D3DRU2D1D0DCCUDAC0808EEUCOMPRUDAC0808512数字量输入+5V13315V16+–+141524RR=5k5kUR5kuo模拟量输出0.01FDAC0808的应用电路8.2模/数转换器A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入的模拟信号在时间上是连续变化的，而输出的数字信号是不连续的，所以转换只能在某些瞬间对输入进行取样，然后将这些取样值转换成数字量输出。8.2.1并联比较型A/D转换器由电压比较器、寄存器和代码转换器3部分组成++++++++++++++uiURRRRRRRRR/2D2D1D0数字输出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCCP11111111电压比较器代码转换器寄存器模拟量输入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7++++++++++++++uiURRRRRRRRR/2D2D1D0数字输出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCCP1111111111111111电压比较器代码转换器寄存器模拟量输入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78个电阻将参考电压UR分压当输入电压Ri151Uu，各D触发器均被置0RiR153151UuU当，Q1为1，其余触发器被置0。42QD2461QQQD12345670QQQQQQQD++++++++++++++uiURRRRRRRRR/2D2D1D0数字输出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCCP11111111电压比较器代码转换器寄存器模拟量输入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7++++++++++++++uiURRRRRRRRR/2D2D1D0数字输出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCCP1111111111111111电压比较器代码转换器寄存器模拟量输入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78.2.2逐次逼近型A/D转换器天平称重的过程顺序砝码重量比较判别砝码是否保留18g8g13g保留28g+4g12g13g保留38g+4g+2g14g13g去除48g+4g+1g13g=13g保留逐次逼近型A/D转换器的原理框图顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器数字量输出模拟量输入uiuo顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器数字量输出模拟量输入uiuoQF3SRQF2SRQF1SRQF0SR4位D/A转换器&&&&111&&&&Q0D0Q1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5CP+–+uiuo电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)读出与门6位顺序脉冲发生器uAQF3SRQF2SRQF1SRQF0SR4位D/A转换器&&&&111&&&&Q0D0Q1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5CP+–+uiuo电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)读出与门6位顺序脉冲发生器uAQF3SRQF2SRQF1SRQF0SR4位D/A转换器&&&&111&&&&Q0D0Q1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5CP+–+uiuo电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)读出与门6位顺序脉冲发生器QF3SRQF3SRQF2SRQF2SRQF1SRQF1SRQF0SRQF0SR4位D/A转换器&&&&111111&&&&&&&Q0D0Q0D0Q1D1Q1D1Q2D2Q2D2Q3D3Q3D3Q4D4Q4D4Q5D5Q5D5CP+–+uiuo电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)读出与门6位顺序脉冲发生器uA顺序脉冲发生器的输出波形CP123456Q5Q4Q3Q2Q1Q0CP123456Q5Q4Q3Q2Q1Q08.2.3A/D转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率是指A/D转换器能够分辨最小的量化信号的能力，一般以输出二进制数或十进制数的位数表示。2.量化误差A/D转换器的量化误差是由于转换器的有限分辨率（量化单位有限）而造成的。3.最大线性误差（即精度）指其实际传输特性曲线与理想传输特性曲线之间的最大偏差4.转换速度完成一次转换所需的时间8.2.4集成A/D转换器ADC08098选1模拟量选择器8位逐次逼近A/D转换器三态输出锁存器IN0IN7三态输出锁存器ABCALESTART)R(U)R(UEOUTCLOCKEOCD0D78选1模拟量选择器8位逐次逼近A/D转换器三态输出锁存器IN0IN7三态输出锁存器ABCALESTART)R(U)R(UEOUTCLOCKEOCD0D7ADC0809的结构框图ADC0809的外引线排列图16151413121110912345678GND7D3IN2D1D0DDDUADC08091718192021222324252627284IN5IN6IN7INSTARTEOC3DEOUTCLOCK)R(U)R(U4D5D6DALECBA0IN1IN2IN16151413121110912345678GND7D3IN2D1D0DDDUADC08091718192021222324252627284IN5IN6IN7INSTARTEOC3DEOUTCLOCK)R(U)R(U4D5D6DALECBA0IN1IN2IN第八章结束