數(shù)

字

邏

輯D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器本章導(dǎo)讀數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），能實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器。模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路則稱為A/D轉(zhuǎn)換器。一般在微型計(jì)算機(jī)工業(yè)檢測與控制、數(shù)字測量儀表、數(shù)字通信等領(lǐng)域中，常常需要用到數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換。本章主要介紹D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的原理、電路結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)。掌握D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)參數(shù)01了解數(shù)字控制系統(tǒng)原理,集成D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的典型系列產(chǎn)品02掌握權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理03學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理04D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)如圖8.1.1所示。它由數(shù)碼鎖存器、電子開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)和求和電路構(gòu)成。數(shù)/模轉(zhuǎn)換是需要時間的，數(shù)碼鎖存器的作用就是把要轉(zhuǎn)換的輸入數(shù)字暫時保存起來，便于完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換。電子開關(guān)有兩擋位置，一擋接基準(zhǔn)電壓UREF，一擋接地（U=0）。電子開關(guān)受數(shù)碼鎖存器中的數(shù)字控制，當(dāng)數(shù)字為1時，開關(guān)接于UREF，為0時接地。電阻網(wǎng)絡(luò)由不同阻值的電阻構(gòu)成，電阻的一端跟隨開關(guān)的位置分別接UREF或接地。當(dāng)接UREF時，電阻上有電流，接地時無電流。求和電路的作用是把電阻網(wǎng)絡(luò)中各電阻上的電流匯合起來，再經(jīng)過一個輸出反饋電阻形成輸出電壓。輸入的數(shù)字量越大，匯合的電流也越大，輸出電壓越高，使輸出電壓與輸入的數(shù)字成正比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，T形D/A轉(zhuǎn)換器、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T形D/A轉(zhuǎn)換器。圖8.1.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）的電路結(jié)構(gòu)如圖8.1.2所示。它由基準(zhǔn)電壓UREF、權(quán)電阻電路R3～R0、求和運(yùn)算電路A和電子模擬開關(guān)S3～S0組成。圖8.1.24位權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器原理圖

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理如下：在反相加法運(yùn)算放大器的各輸入支路中接入不同的權(quán)電阻，使其在運(yùn)算放大器輸入端疊加而成的電流與相應(yīng)的數(shù)字量成正比，然后利用運(yùn)算放大器將電流轉(zhuǎn)換成電壓的原理，在其輸出端得到一個與相應(yīng)數(shù)字量成正比的電壓。運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓量與輸入數(shù)字量的關(guān)系為uo=UR·D式中，D為輸入的數(shù)字量；uo為運(yùn)放輸出的模擬電壓量；UR為基準(zhǔn)電壓，也是輸出量與輸入量的比例系數(shù)。

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

對于一個4位二進(jìn)制數(shù)，D=D3D2D1D0=D323+D222+D121+D020，其中23、22、21、20分別表示各位的權(quán)，將它們代入uo=UR·D可得uo=UR（D323+D222+D121+D020）

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

這樣，在參考電壓UR的作用下，各電阻上流過的電流與權(quán)對應(yīng)，所以稱I3～I(xiàn)0為權(quán)電流，相對應(yīng)的各支路的電阻則為權(quán)電阻，此時輸出電壓電壓與對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)（1111）B成比例。

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)但二進(jìn)制數(shù)除了數(shù)字“1”外，還有可能為“0”?？稍诿恳粭l權(quán)電阻支路中串入電子模擬開關(guān)S。當(dāng)電子模擬開關(guān)的控制端數(shù)字D為“1”時，相應(yīng)的電子開關(guān)將此支路的電流引入求和運(yùn)算電路；當(dāng)控制端數(shù)字D為“0”時，相應(yīng)的電子開關(guān)將此支路的電流直接引入接地端，電流就不能流入運(yùn)算放大器。設(shè)輸入二進(jìn)制數(shù)字為（1010）B，即D2和D0為0，開關(guān)S2和S0將電流引入接地端，而D3和D1為1，開關(guān)S3和S1將電流引入求和運(yùn)算電路，流入求和電路的電路為

8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)有以下幾種。1.分辨率一個N位D/A轉(zhuǎn)換器的額定分辨率就是最低位（LSB）的相對值，即。由于該參數(shù)是由D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量的位數(shù)N所決定的，故常用位數(shù)表示，如8位（bit）、12位、16位等。位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級就越多，分辨率也越高。2.精度精度是指輸入端加有最大數(shù)值量（全1）時，D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值和理論計(jì)算值之差，它主要包括以下幾點(diǎn)。8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）非線性誤差。當(dāng)每兩個相鄰數(shù)字量對應(yīng)的模擬量之差都是2N-1時，即為理想的線性特性。在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想的轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為非線性誤差。它是由電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值的偏差產(chǎn)生的。常用滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示。（2）比例系數(shù)誤差。它是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的誤差，是由參考電壓UR的偏離引起的，也用滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示。（3）失調(diào)誤差。它是由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的誤差，與輸入的數(shù)字量無關(guān)。8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)3.建立時間D/A轉(zhuǎn)換器的輸入變化為滿刻度時，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需的時間稱為建立時間或穩(wěn)定時間，也稱轉(zhuǎn)換時間。除上述參數(shù)外，還有電源電壓和輸出值范圍等，這些都在手冊中查到。8.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器集成D/A轉(zhuǎn)換器主要有8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC08系列和12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC12系列產(chǎn)品芯片，DAC08系列產(chǎn)品包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，DAC12系列包括DAC1208、DAC1209和DAC1210，它們可以完全代換。DAC08系列的D/A轉(zhuǎn)換器集成芯片具有價格低廉，接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等特點(diǎn)，因此目前還在很多技術(shù)領(lǐng)域被使用。下面以DAC08系列的DAC0832為例，介紹集成D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法。8.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器5.DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器圖8.1.5DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖8.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器圖8.1.5中的UR為外部標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入端，工作電壓范圍為+10V～-10V；IOUT1和IOUT2是一組差動模擬電流輸出端，當(dāng)DAC鎖存器中的數(shù)碼為全“1”（最大）時，IOUT1的電流最大；為全“0”（最?。r，IOUT1=0；RFB是內(nèi)部反饋電阻引出端，該引出端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端；UCC是芯片的工作電壓輸入端，電壓范圍為+5V～+15V，15V時工作為最佳；AGND是模擬地，接于系統(tǒng)的模擬電路的工作地電壓；DGND是數(shù)字地，接于系統(tǒng)數(shù)字電路的地電壓。概述施密特觸發(fā)器8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖8.2.1所示，要實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，通常要經(jīng)過取樣-保持、量化和編碼等過程。圖8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1.取樣-保持取樣就是用周期性的取樣脈沖fS,對輸入模擬信號的幅度定時取出樣值，并為A/D轉(zhuǎn)換保持一定的時間。取樣-保持電路基本形式如圖8.2.2所示，UI為輸入模擬信號，UO為輸出信號。取樣脈沖fS的波形如圖8.2.3所示，fS高電平經(jīng)歷的時間是取樣時間，低電平經(jīng)歷的時間是保持時間。8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理圖8.2.2取樣-保持電路的基本形式

圖8.2.3取樣脈沖fS波形圖8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理在圖8.2.2中，VT是N溝道增強(qiáng)型MOS管，作為模擬開關(guān)。當(dāng)取樣脈沖fS為高電平時VT導(dǎo)通，輸入模擬信號UI經(jīng)RI和VT向電容C充電。若取RI=RF，充電結(jié)束后，UO=UC=-UI，UC是電容C上的電壓。當(dāng)fS為低電平時VT截止，由于VT的漏電阻和運(yùn)放的輸入電阻都很大，電容C上的電壓和輸出電壓可以保持一定時間。取樣過程的實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)變化的模擬信號，變成一連串等距而不等幅的脈沖過程。為了能正確無誤地用取樣信號代替輸入信號，取樣脈沖必須有足夠高的頻率。奈奎斯特（Nyquist）取樣定理證明，為了保證被取樣的原始信號能不失真地恢復(fù)，取樣頻率脈沖的頻率fS必須大于或等于信號中最高頻率fimax的兩倍，即

fS≥2fimax8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2.量化雖然取樣輸出是由離散電平構(gòu)成，但電平的等級數(shù)還是無窮的，還不能用有限位數(shù)字來表示這些等級數(shù)，因此必須把取樣電平規(guī)范到某個最小單位電壓的若干倍，這個轉(zhuǎn)換過程叫做量化，所取的最小單位電壓稱為量化單位，用Δ表示。顯然，Δ就是把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后的數(shù)字最低有效位為1時，代表的輸入電平的大小。3.編碼由于量化等級數(shù)是有限的，所以可以用有限位二進(jìn)制數(shù)來表示。把量化后Δ的倍數(shù)用二進(jìn)制數(shù)表示稱為編碼。編碼有不同的方式，例如自然二進(jìn)制數(shù)編碼、循環(huán)碼和BCD碼等。經(jīng)過編碼后，輸入信號就轉(zhuǎn)換成一組由n位的二進(jìn)制符號構(gòu)成的數(shù)字輸出。8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的類型A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按轉(zhuǎn)換后的數(shù)字位數(shù)來分，有8位、10位、12位、16位等A/D轉(zhuǎn)換器。位數(shù)越高，其分辨率就越高。按轉(zhuǎn)換原理來分，有直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型兩大類。本章以直接轉(zhuǎn)換型為例來介紹。1.直接型A/D轉(zhuǎn)換器直接型（也稱比較型）A/D轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓，直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而不需要經(jīng)過中間變量。在直接型A/D轉(zhuǎn)換器中，將取樣-保持后的輸入信號電壓與基準(zhǔn)電壓比較，在比較的過程中輸入電壓被量化為數(shù)字量，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。常用的直接型電路有逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的類型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器電路的原理框圖如圖8.2.4所示。電路主要由控制邏輯、逐次逼近寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器和輸出緩沖器等組成。數(shù)字輸出有n位，即Qn-1～Q0，其中Qn-1是最高位（MSB），Q0是最低位（LSB）。圖8.2.4逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的類型電路在啟動脈沖的啟動下開始工作，n位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器需要n+1個時鐘完成一次轉(zhuǎn)換，或者說分為n+1個步驟進(jìn)行。第一步，控制邏輯使復(fù)位后的逐次逼近寄存器的最高位Qn-1為1，然后將Qn-1=1經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出送電壓比較器，與取樣-保持后的輸入電壓UI進(jìn)行比較。第二步，根據(jù)第一步的比較結(jié)果決定Qn-1的去留，如果由Qn-1=1產(chǎn)生輸出電壓低于輸入電壓，則Qn-1=1被保留；若高于輸入電壓則使Qn-1=0。同時還使次高位Qn-2=1，然后由Qn-1和Qn-2組成最高兩位二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后與輸入電壓比較。以此類推，當(dāng)?shù)趎步到來時，根據(jù)上一步的比較結(jié)果，決定Q1=1的去留，并使Q0=1，組成n位數(shù)字后與輸入電壓比較。第n+1步，根據(jù)比較結(jié)果決定Q0=1的去留。至此，完成一次A/D轉(zhuǎn)換，控制邏輯打開輸出緩沖器，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字送出。8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的類型根據(jù)上述分析可知，n位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換的時間是（n+1）TCP，其中TCP是輸入時鐘的周期。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度快和轉(zhuǎn)換精度高的特點(diǎn)，因此是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路結(jié)構(gòu)。8.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)。1.轉(zhuǎn)換精度在A/D轉(zhuǎn)換器中采用分辨率（又稱分解度）和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。分辨率用來說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。有N位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分輸入模擬信號的2n個不同等級。因此，其分辨率為：分辨率=UIMAX/2n式中，UIMAX是輸入模擬信號的最大值。8.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)【例8.2.1】已知8位A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓UR=5.12V，求當(dāng)輸入為UI=3.8V時的數(shù)字量輸出。解：根據(jù)題意可知，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓UR就是輸入信號的最大值。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率（以Δ表示）為Δ=UIMAX/28=UR/256=5.12/256=0.02（V）輸入U(xiǎn)I=3.8V時的數(shù)字量輸出為UI/Δ=3.8/0.02=（190）10=（10111110）28.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差的最大值形式給出，它表示實(shí)際輸出數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的差別。通常規(guī)定轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)小于+LSB，即實(shí)際輸出數(shù)字量和理論上輸出數(shù)字量之間的誤差，應(yīng)小于最低有效位的半個字。轉(zhuǎn)換誤差也反映了A/D轉(zhuǎn)換器所能辨認(rèn)的最小輸入量，因而轉(zhuǎn)換誤差與分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率可減小轉(zhuǎn)換誤差。8.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度差異很大。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，完成一次轉(zhuǎn)換的時間一般不超過50ns。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度次之，一般在10μs～100μs之間。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，一般在數(shù)十毫秒至數(shù)百毫秒之間。8.2.4集成A/D轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器的品種較多，目前使用廣泛的有逐次逼近型、V-F轉(zhuǎn)換型和雙積分型三種，下面以逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809為例，介紹集成A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法。1.ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是NEC公司生產(chǎn)的8路模擬輸入逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8.2.5所示。8.2.4集成A/D轉(zhuǎn)換器圖8.2.5ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.2.4集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部包括通道選擇開關(guān)、通道地址鎖存與譯碼、8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、定時與控制、輸出控制等電路。其中，通道選擇開關(guān)用于選擇IN0～I(xiàn)N7這8路模擬輸入中的某一個輸入完成A/D轉(zhuǎn)換；通道地址鎖存與譯碼用于鎖3位地址ADDC、ADDB和ADDA，鎖存信號為ALE。當(dāng)ADDC、ADDB和ADDA為“000”時，譯碼輸出控制通道選擇開關(guān)的模擬輸入IN0選中；當(dāng)ADDC、ADDB和ADDA為“001”時，選中IN1，以此類推。8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器用于完成選中的模擬輸入的A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換需要的基準(zhǔn)參考電壓UR（+）和UR（－），一般將UR（+）接電源正極，UR（－）接電源負(fù)極（地）；定時與控制用于完成整個轉(zhuǎn)換電路的時序脈沖的產(chǎn)生與控制，其時鐘輸入端為CLOCK，啟動A/D開始控制輸入端為START，當(dāng)START的上升沿到來時，轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換，輸入輸出端EOC用于反映A/D轉(zhuǎn)換的進(jìn)程，當(dāng)EOC的下降沿到來時，表示A/D轉(zhuǎn)換開始，當(dāng)EOC的上升沿到來時，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束；輸出控制用于控制A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后的數(shù)據(jù)輸出，其控制輸入端為OE，當(dāng)OE為高電平時，數(shù)據(jù)輸出D7～D0有效，當(dāng)OE為低電平時，