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数模（DA）和模数（AD）转换电路.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.33M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    　　 逐次逼近型A/D转换器的工作原理。
    教学难点：D/A转换器的工作原理；　A/D转换器内部电路结构、工作原理
    教学方法：教学过程采用理论讲解方式。
    学时分配：4学时
    第七章 数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路 教学目的 ：1．掌握权电阻 D/A 转换器和逐次逼近型 A/D 转换器的工作原理、特点，输入与 输出之间的关系 2．了解影响精度及速度的因素 3．了解 D/A 转换器典型芯 DAC0832 的特点及应用。 4. 了解 A/D 转换器典型芯 ADC0809 的特点及应用 教学重点：倒 T 型电阻网络 D/A 转换器的工作原理； A/D 转换的一般步骤； 逐次逼近型A/D转换器的工作原理。 教学难点：D/A转换器的工作原理； A/D转换器内部电路结构、工作原理 教学方法：教学过程采用理论讲解方式。 学时分配：4学时 教学内容： D/A 转换器及 A/D 转换器的种类很多，本章介绍常用的权电阻网络 D/A 转换器，倒 T 型电阻网络 D/A 转换器等几种类型；逐次逼近型 A/D 转换器，双积分型 A/D 转换器。并介绍 了 D/A 转换器和 A/D 转换器的技术指标及应用。 第一节 数/模转换器 DAC 一、数/模转换器的基本概念 把数字信号转换为模拟信号称为数－模转换，简称 D/A（Digital to Analog）转换， 实现 D/A 转换的电路称为 D/A 转换器，或写为 DAC（Digital –Analog Converter）。 随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程 到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。但 是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量 必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。数－模转换是数字电子技术中非常 重要的组成部分。 把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称 A/D（Analog to Digital）转换；。 实现 A/D 转换的电路称为 A/D 转换器，或写为 ADC（Analog–Digital Converter）；。D/A 及 A/D 转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。 D/A 转换器及 A/D 转换器的种类很多，这里主要介绍常用的权电阻网络 D/A 转换器，倒 T 型电阻网络 D/A 转换器。 权电流型 D/A 转换器及权电容网络 D/A 转换器等几种类型；A/D 转换器一般有直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器两大类。
    RF iF ∞ + - + u0 二、 权电阻网络 D/A 转换器 iΣ A I1 22R S1 I2 21R S2 I3 20R S3 0 1 0 1 0 1 0 D1 D2 D3 (MSB) 图 7.1 权电阻网络 D/A 转换器 I0 23R S0 1 D0 (LSB) VREF 1.工作原理 权电阻网络 D/A 转换器的基本原理图如图 7.1 所示。 这是一个四位权电阻网络 D/A 转换器。它由权电阻网络电子模拟开关和放大器组成。 该电阻网络的电阻值是按四位二进制数的位权大小来取值的，低位最高（23R），高位最低 （20R），从低位到高位依次减半。S0、S1、S2 和 S3 为四个电子模拟开关，其状态分别受输入 代码 D0、D1、D2 和 D3 四个数字信号控制。输入代码 Di 为 1 时开关 Si 连到 1 端，连接到参考 电压 VREF 上，此时有一支路电流 Ii 流向放大器的 A 节点。Di 为 0 时开关 Si 连到 0 端直接接 地，节点 A 处无电流流入。运算放大器为一反馈求和放大器，此处我们将它近似看作是理想 运放。因此我们可得到流入节点 A 的总电流为： i     I  2 3 I  1 2 R 2 D 1   2 I i 1 1 R D  0 0 1 I  1 3 R  2  I   2  V REF 3 2 R   3 D 3  2 2 D 2  1 2 D 1  0 2 D D 2  2 1 0 R  0  VD   3 REF  1.8 （7.1） 可得结论：i∑与输入的二进制数成正比，故而此网络可以实现从数字量到模拟量的转换。 另一方面，对通过运放的输出电压，我们有同样的结论： 运放输出为 uo=－i∑RF （7.2） 将（7.1）式代入，得  2 DR 3  u 3 0  2 2 D 2  1 2 D 1   D 3  2 2 D 2  1 2 D 1  0 2 D 0 1  2  3 2 V REF 3 2 R V REF 4 2  0 D 0 2   3.8 （7.3） 将上述结论推广到 n 位权电阻网络 D/A 转换器，输出电压的公式可写成：
    u 0   2 V REF 2 n n 1  D n 1   2 n  2 D n  2    1 2 D 1  0 2 D 0  4.8  （7.4） 权电阻网络 D/A 转换器的优点是电路简单，电阻使用量少，转换原理容易掌握；缺点是 所用电阻依次相差一半，当需要转换的位数越多，电阻差别就越大，在集成制造工艺上就越 难以实现。为了克服这个缺点，通常采用 T 型或倒 T 型电阻网络 D/A 转换器。 四、 D/A 转换器的主要技术指标 1、分辨率 分辨率是说明 D/A 转换器输出最小电压的能力。它是指 D/A 转换器模拟输出所产生的 最小输出电压 ULSB（对应的输入数字量仅最低位为 1）与最大输出电压 UFSR（对应的输入数字 U U LSB FSR 1  1  n 2 分辨率= （7.5） 量各有效位全为 1）之比： 式中, n 表示输入数字量的位数。可见，分辨率与 D/A 转换器的位数有关，位数 n 越大，能 够分辨的最小输出电压变化量就越小，即分辨最小输出电压的能力也就越强。 例如：n=8 时, D/A 转换器的分辨率为 1  1 8 2  .0 0039 分辨率= 而当 n=10 时, D/A 转换器的分辨率为 很显然，10 位 D/A 转换器的分辨率比 8 位 D/A 转换器的分辨率高得多。但在实践中我 们应该记住，分辨率是一个设计参数，不是测试参数。 1 10  2 1 分辨率=  .0 000978 2、转换精度 转换精度是指 D/A 转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模拟电压值之间的最大误 差。显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。但转换精度是一个综合指标，包括零点误 差、增益误差等，不仅与 D/A 转换器中的元件参数的精度有关，而且还与环境温度、求和运 算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。故而要获得较高精度的 D/A 转换结果，一定要 正确选用合适的 D/A 转换器的位数，同时还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。一般情 况下要求 D/A 转换器的误差小于 3、转换时间 。 LSBU 2/ 转换时间是指 D/A 转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所 用的时间。即转换器的输入变化为满度值（输入由全 0 变为全 1 或由全 1 变为全 0）时，其 输出达到稳定值所需的时间为转换时间也称建立时间。转换时间越小，工作速度就越高。
    (三) 常用集成 DAC 转换器简介 DAC0830 系列包括 DAC0830、DAC0831 和 DAC0832，是 CMOS 工艺实现的 8 位乘法 D/A 转 换器，可直接与其它微处理器接口。该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个 D/A 转换器同时工作的场合。数据输入能以双缓冲、单缓冲或直接通过三种方式工作。0830 系列各电路的原理、结构及功能都基本相同，参数指标略有不同。现在以使用最多的 DAC0832 为例进行说明。 DAC0832 是用 CMOS 工艺制成的 20 只脚双列直插式单片八位 D/A 转换器。它由八位输入 寄存器、八位 DAC 寄存器和八位 D/A 转换器三大部分组成。它有两个分别控制的数据寄存器， 可以实现两次缓冲，所以使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。 DAC0832 芯片上各管脚的名称和功能说明如下： 1.引脚功能 DAC0832 的逻辑功能框图和引脚图如图 7.2 所示。各引脚的功能说明如下： (1) D Q 8位 输入 寄存器 … (2) D Q 8位 DAC 寄存器 8位 乘法 DAC & LI LE ≥1 ≥1 MSB LSB ILE CS WR1 WR2 XFER Vref Iout2 Iout1 RFB AGND VCC DGND 11 12 9 8 19 18 2 Iout1 Iout2 RFB Vref ILE WR2 WR1 0 2 C C V DAC0832 LSBDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6MSBDI7 CS XFER 7 6 5 4 16 15 14 13 1 17 图 7.2 DAC0832 的逻辑功能框图和引脚图 CS ：片选信号，输入低电平有效。 ILE ：输入锁存允许信号，输入高电平有效。 1WR ：输入寄存器写信号，输入低电平有效。 2WR ：DAC 寄存器写信号，输入低电平有效。 XFER ：数据传送控制信号，输入低电平有效。 DI0～DI7：8 位数据输入端，DI0 为最低位，DI7 为最高位。 IOUT1 ：DAC 电流输出 1。此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号（通 常接反相端）。 IOUT2 ：DAC 电流输出 2，IOUT1 + IOUT2 = 常数。 RFB ：反馈电阻。 Vref ：参考电压输入，可在+10V～－10V 之间选择。 VCC ：数字部分的电源输入端，可在+5V～+15V 范围内选取，+15V 时为最佳工作 状态。 AGND：模拟地。
    DGND：数字地。 2.工作方式 (1)双缓冲方式 DAC0832 包含输入寄存器和 DAC 寄存器两个数字寄存器，因此称为双缓冲。即数据在进 入倒 T 型电阻网络之前，必须经过两个独立控制的寄存器。这对使用者是非常有利的：首先， 在一个系统中，任何一个 DAC 都可以同时保留两组数据，其次，双缓冲允许在系统中使用任 何数目的 DAC。 (2)单缓冲与直通方式。 在不需要双缓冲的场合，为了提高数据通过率，可采用这两种方式。例如，当 WR   1 WR ILE=1 时,这时的 DAC 寄存器就处于“透明”状态，即直通工作方 0 1 WR 时，模拟输出更新。这被称为单 ,0 ILE XRER 1 CS ,0 ，此时两个寄存器都处于 1   时，数据锁存，模拟输出不变,当 WR 1 XREF WR    2  缓冲工作方式。又假如 CS 2 式。当 直通状态，模拟输出能够快速反应输入数码的变化。 DAC0832 的双缓冲器型、单缓冲器型和直通型工作方式如图 8.3 所示。 RF U ¡÷ t £ £« £« £«5 V D7 D6 D0 ¡ ѡͨ1 ѡͨ2 Rfb IOUT1 IOUT2 VCC ILE UREF AGND DGND CS WR1 WR2 XFER RF U ¡÷ ¡Þ £ £« £« £«5 V D7 D6 D0 ¡ ѡͨ1 ѡͨ2 Rfb IOUT1 IOUT2 VCC ILE UREF AGND DGND CS WR1 WR2 XFER (a) 双缓冲器型 (b) 单缓冲器型 RF U ¡÷ ¡Þ £ £« £« £«5 V D7 D6 D0 ¡ Rfb IOUT1 IOUT2 VCC ILE UREF AGND DGND CS WR1 WR2 XFER (c) 直通型 图 7.3 DAC0832 的三种工作方式
    第二节 模/数转换器(ADC) 一、ADC 基本概念 模数转换是将模拟信号转换为相应的数字信号，把模拟信号转换为数字信号称为模－ 数转换，简称 A/D（Analog to Digital）转换；。实现 A/D 转换的电路称为 A/D 转换器，或 写为 ADC（Analog–Digital Converter）；实际应用中用到大量的连续变化的物理量，如温 度、流量、压力、图像、文字等信号，需要经过传感器变成电信号，但这些电信号是模拟量， 它必须变成数字量才能在数字系统中进行加工、处理。因此，模－数转换是数字电子技术中 非常重要的组成部分，在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。 。A/D 转换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路，A/D 转换器在进行转换期间，要 求输入的模拟电压保持不变，但在 A/D 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的， 而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号进 行采样，然后再把这些采样值转化为输出的数字量，一般来说，转换过程包括取样、保持、 量化和编码四个步骤。 A/D 转换的一般步骤如下 ： (一)采样和保持 采样（又称抽样或取样）是对模拟信号进行周期性地获取样值的过程，即将时间上连续 变化的模拟信号转换为时间上离散、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的模拟信号，即转 换为一系列等间隔的脉冲。其采样原理如图 7.4 所示。 图中, ui 为模拟输入信号，us 为采样脉冲，uo 为取样后的输出信号。 采样电路实质上是一个受采样脉冲控制的电子开关，其工作波形如图 7.4（b）所示。在 采样脉冲 us 有效期（高电平期间）内，采样开关 S 闭合接通，使输出电压等于输入电压， 即 uo= ui；在采样脉冲 us 无效期（低电平期间）内，采样开关 S 断开，使输出电压等于 0， 即 uo=0。因此，每经过一个采样周期，在输出端便得到输入信号的一个采样值。us 按照一定 频率 fS 变化时，输入的模拟信号就被采样为一系列的样值脉冲。当然采样频率 fS 越高，在 时间一定的情况下采样到的样值脉冲越多，因此输出脉冲的包络线就越接近于输入的模拟信 号。
    采样开关 S us uo CP o Ui Uo o o  TS t t t （a）采样原理图 （b）工作波形 图 7.4 采样原理图 为了不失真地用采样后的输出信号 uo 来表示输入模拟信号 ui，采样频率 fS 必须满足： 采样频率应不小于输入模拟信号最高频率分量的两倍，即 fS≥2fmax(此式就是广泛使用的采 样定理）。其中,fmax 为输入信号 ui 的上限频率（即最高次谐波分量的频率）。 ADC 把采样信号转换成数字信号需要一定的时间，所以在每次采样结束后都需要将这个 断续的脉冲信号保持一定时间以便进行转换。如图 7.5(a)所示是一种常见的采样－保持电路， 它由采样开关、保持电容和缓冲放大器组成。 Uo Uo £ ¡÷ ¡Þ £« £« T C o t (a) 电路 图 7.5 基本采样－保持电路 (b) 输入输出波形 在图 7.5(a)中，利用场效应管做模拟开关。在采样脉冲 CP 到来的时间τ内，开关接通， 输入模拟信号 ui(t)向电容 C 充电，当电容 C 的充电时间常数为 tC 时，电容 C 上的电压在时间 τ内跟随 ui(t)变化。采样脉冲 CP 结束后，开关断开，因电容的漏电很小且运算放大器的输入 阻抗又很高，所以电容 C 上电压可保持到下一个采样脉冲到来为止。运算放大器构成电压跟 随器，具有缓冲作用，以减小负载对保持电容的影响。在输入一连串采样脉冲后，输出电压 uo (t)波形如图 7.5（b）所示。 (二) 量化和编码 输入的模拟信号经采样—保持电路后，得到的是阶梯形模拟信号，它们是连续模拟信号 在给定时刻上的瞬时值，但仍然不是数字信号。必须进一步将阶梯形模拟信号的幅度等分成 n 级，并给每级规定一个基准电平值，然后将阶梯电平分别归并到最邻近的基准电平上。这 个过程称为量化。量化中采用的基准电平称为量化电平，采样保持后未量化的电平 uo 值与 量化电平 uq 值之差称为量化误差δ，即δ=uo-uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有 舍有入法（或称四舍五入法）。我们将用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。 此时把每个样值脉冲都转换成与它的幅度成正比的数字量，才算全部完成了模拟量到数字量 的转换。 只舍不入的方法是：取最小量化单位Δ＝Um/2n，其中 Um 为模拟电压最大值，n 为数字代
    码位数，将 0～Δ之间的模拟电压归并到 0·Δ，把Δ～2Δ之间的模拟电压归并到 1·Δ， 依此类推。这种方法产生的最大量化误差为Δ。比如，将 0～1V 的模拟电压信号转换成三位  1 3 2 V  1 8 V 1~0 8 V ，那么 之间的模拟电压归并到 0·Δ，用 000 表示， 二进制代码。有 1 8 2~ 8 V V 之间的模拟电压归并到 1·Δ，用 001 表示,…，依此类推直到将 的模拟电压归并到 7·Δ，用 111 表示，此时最大量化误差为 化误差比较大，为了减小量化误差，通常采用另一种量化编码方法，即有舍有入法。 。该方法简单易行，但量 1 8 V 7 8 V 1~ V 之间 有舍有入的方法是：取最小量化单位  2 mU 1  2 n 1 数字代码位数，将 ~0  2 ,其中 Um 仍为模拟电压最大值，n 为  2 3~  2 之间的模拟电压归并到 之间的模拟电压归并到 0·Δ，把 1 2  1·Δ，…，依此类推。这种方法产生的最大量化误差为 。用此法重做上例，将 0～1V 的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有 2 15 V 1~0 15 V ，那么将 之间的模拟电压归 并到 0·Δ，用 000 表示，把 1 15 V 3~ 15 V 以内的模拟电压归并到 1·Δ，用 001 表示…， 13 15 V 1~ V V 。比上述只舍不入方法的最大量化误差 之间的模拟电压归并到 7·Δ，用 111 表示，很明显此时最大量化误差为 直到将 1 15 明显减小了(减小了近一半)。因而实际中 广泛采用有舍有入的方法。当然，无论采用何种划分量化电平的方法都不可避免地存在量化 误差，量化级分的越多（即 ADC 的位数越多），量化误差就越小，但同时输出二进制数的位 数就越多，要实现这种量化的电路将更加复杂。因而在实际工作中，并不是量化级分的越多 越好，而是根据实际要求，合理地选择 A/D 转换器的位数。图 7.6 表示了两种不同的量化编 1 8 V UI(V) 输入信息 二进制 编 码 代表的 模拟电平 UI(V) 输入信息 二进制 编 码 代表的 模拟电平 1 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0 7Δ=7/8V 111 110 6Δ=6/8V 5Δ=5/8V 101 100 4Δ=4/8V 011 3Δ=3/8V 010 2Δ=2/8V 1Δ=1/8V 001 000 0Δ=0V 1 13/15 11/15 9/1 7/15 5/15 3/1 1/1 0 111 7Δ=14/15V 110 6Δ=12/15V 101 5Δ=10/15V 100 4Δ=8/15V 011 3Δ=6/15V 010 2Δ=4/15V 001 1Δ=2/15V 000 0Δ=0V 码方法。 (a) 只舍不入法 (b) 有舍有入法
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