1第十六章模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器16.1概述16.2數(shù)-模轉(zhuǎn)換器16.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器2本章要求：一、了解數(shù)－模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)；模－數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)。二、理解T型網(wǎng)絡數(shù)－模轉(zhuǎn)換器的工作原理；三、掌握DAC0832和ADC0809的集成塊的外部引線及使用方法。316.1概述

數(shù)字電路、計算機只能對數(shù)字信號進行處理，其結(jié)果為數(shù)字量。然而，自然界中絕大多數(shù)的物理量都是連續(xù)變化的模擬量。例如溫度、速度、壓力等。這些模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的電信號也是模擬信號。若要數(shù)字裝置或計算機對這些信號進行處理，就必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換簡稱A/D轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路被稱之為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC（AnalogtoDigitalConverter）。ADC轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字信號經(jīng)計算機處理，其輸出仍為數(shù)字信號。而過程控制裝置往往需要模擬信號去控制，所以經(jīng)計算機處理后得到的數(shù)字信號4必須轉(zhuǎn)換為模擬信號。把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過程稱作數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC（DigitaltoAnalogConverter）。ADC和DAC應用框圖如圖所示。5DAC是將數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換成模擬量輸出的電子線路，它是數(shù)字處理系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)的接口電路。16.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器一、權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC1.電路組成

4位權(quán)電阻網(wǎng)絡由4個不同系數(shù)電阻構(gòu)成的權(quán)電阻網(wǎng)絡、求和運算放大器、電子模擬開關S和基準電壓UR4個部分組成。62.工作原理各電阻值是按4位二進制數(shù)的位權(quán)大小取定：最低位對應的電阻最大，為23R，相鄰低位減半，最高位對應的電阻最小，為20R。接運放反相輸入端各電子開關S受D控制7流向運放A點的總電流可表示為：

I∑正比于輸入的二進制數(shù)D，實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。二進制數(shù)系數(shù)按權(quán)排列，即權(quán)電阻網(wǎng)絡8若權(quán)電阻網(wǎng)絡為n位，且Rf＝R/2，則輸出電壓為運放將求和后的電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓，其輸出電壓為權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC對電阻之間的數(shù)值要求相關較大，精度高，不便集成。9［例16－1］在圖示權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC中，設UR＝8V，Rf＝R/2，試求（1）當輸入數(shù)字量D3D2D1D0＝0001時，輸出的電壓值。（2）當輸入數(shù)字D3D2D1D0＝1000時，輸出的電壓值。（3）當輸入數(shù)字量D3D2D1D0＝1111時，輸出的電壓值。

解：將輸入數(shù)字量的各位數(shù)值代入公式即可求得各輸出電壓分別為（1）（2）（3）10二、R－2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC1.電路組成

4位R－2R倒T形電阻網(wǎng)絡由電阻網(wǎng)絡、求和運算放大器、電子模擬開關S和基準電壓UR4部分組成。112.工作原理無論D＝1還是D＝0，各2R支路上端經(jīng)S都等效為接地，其等效電路如圖：無論開關合向1還是0，電路結(jié)構(gòu)不變，各支路電流不變。開關狀態(tài)僅僅決定電流是流向運算放大器的虛地端還是流向地端。12從輸入數(shù)字信號的高位D3到低位D0，流入4個結(jié)點的電流分別被分流為I3＝I/2，I2=I/22，I1=I/23，I0=I/24。在數(shù)字量的控制下流向求和運算放大器反相輸入端A點的電流為：實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換13經(jīng)求和運算放大器將電流I∑轉(zhuǎn)換為電壓的輸出為：R－2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC是目前應用最多的DAC集成電路，按輸入的二進制數(shù)的位數(shù)可分為8位、10位、12位和16位等。如DA7520，其引腳排列及連接電路如圖所示。14三、DAC的主要技術指標1.分辨率2.轉(zhuǎn)換精度

指最小輸出電壓與最大輸出電壓之比，也是最小輸入數(shù)字量1與最大輸入數(shù)字量2n-1之比。

是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。它是由于參考電壓UR偏離標準值、運算放大器的零點漂移、模擬開關的壓降及電阻值的偏差等原因所引起的。除此之外，應選用多位數(shù)DAC、選用穩(wěn)定度高的參考電壓源和低零漂的運算放大器與之配合。15四．D/A轉(zhuǎn)換器應用舉例DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0～D7是數(shù)字量輸入端。用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時，需要外接運算放大器和產(chǎn)生基準電流用的電阻R1。當VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ時，輸出電壓為：1616.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器1.電路組成如圖是逐次逼近型ADC的組成框圖。

由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電壓比較器4部分組成。2.工作原理

先設定一個數(shù)字量DA，并將DA經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量UA后，與待轉(zhuǎn)換的模擬量UX比較，如果比較結(jié)果UA=UX，則可確定所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量為DA。174位逐次逼近型ADC原理圖

順序脈沖發(fā)生器由5位環(huán)形計數(shù)器構(gòu)成，輸出5個時間上有一定先后順序的CP脈沖，送給逐次逼近寄存器。18

逐次逼近寄存器由4個D觸發(fā)器構(gòu)成，在順序脈沖CP1至CP2的推動下，記憶每次由電壓比較器比較的結(jié)果，并進行修改設定向DAC提供新的二進制輸入數(shù)碼。待轉(zhuǎn)換的模擬電壓UX送到電壓比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端為DAC輸出的模擬電壓UA，將最終比較結(jié)果經(jīng)4個D觸發(fā)器以數(shù)字量的形式輸出，比而完成AD轉(zhuǎn)換。

如設DAC為4位R-2R倒T形，基準電壓UR=-10V，待轉(zhuǎn)換的模擬電壓UX=6.88V，工作前各觸發(fā)器清零。工作時，首先由順序脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖CP1=1，經(jīng)非門使D觸發(fā)器F4直接置1，于是Q4=1，Q3、Q2、Q1保持0態(tài)。19

這一設定數(shù)字量經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量UA，且Rf=R，則：

得UA=-5V，小于UX=6.88V，說明該設定量DA=1000太小，下次比較時，該位數(shù)Q4=1應保留，同時應將第三位Q3增為1。接著，由順序脈沖分配器發(fā)出脈沖CP2，它供給F4作為時鐘脈沖，由于UA<UX，電壓比較器輸出高電平，使D4=1，故F4狀態(tài)不變，Q4仍保留為1。同時CP2經(jīng)非門使F3直接置1，故Q4=1，Q3=1，Q2=0，Q1=0，即DA=1100，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后UA=7.5V，大于UX=6.88V，說明該設定量DA又太大了，下次比較時，Q3=1，應取消，變?yōu)?，同時將Q2由0增至1。20

然后，發(fā)出CP3作為F3的時鐘脈沖，由于UA>UX，比較器輸出為低電平，D3=0，使得Q3=0，同時，CP3經(jīng)非門又使F2直接置1，故Q4=1，Q3=0，Q2=1，Q1=0，這時，UA=6.25V，小于UX=6.88V。繼之，發(fā)出CP4，作為F2的時鐘脈沖，由于UA<UX，比較器輸出又是高電平，D2=1，故Q2=1保留，同時，CP4又使F1直接置1，故Q4=1，Q3=0，Q2=1，Q1=1，這時，UA=6.875V，略小于UX。最后，發(fā)出CP5作為F1的時鐘脈沖，由于UA<UX，D1=1，Q4=1，Q3=1，Q2=1，Q1=1不變。誤差小于數(shù)字量的最低位，所以DA=1011即為由模擬量6.88V轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字量DX。21二、ADC的主要技術指標1.分辨率2.相對精度

以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示分辨率，位數(shù)越多，誤差越小，分辨率越高，轉(zhuǎn)換精度也越高。

相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。在理想的情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應當在一條直線上。3.轉(zhuǎn)換速度

是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。22增加：交通信號燈故障檢測電路正常情況

紅燈R亮為禁止通行；黃燈Y亮為清空占道區(qū)；綠燈G可以通行。正常時只有一個燈亮，否則為故障現(xiàn)象。RYGF00010010010001111000101111011111

輸入變量為1表示燈亮，輸入變量為0燈不亮。輸出為F，有故障時輸出為1，正常時輸出為0。23有故障時的邏輯式為：化簡可得：如用與非門實現(xiàn)，則將上式變換為24

故障時，晶