第12章 模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、學習要點學習要點能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。多路開關數(shù)字控制計算機DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機構執(zhí)行機構加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號放大信號放大多路開關12.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。uo或 io輸出D/Ad0d1d

2、n1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關系。圖示是輸入為3位二進制數(shù)時的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出模擬電流io=KiD。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。如果輸入為n位二進制數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddKunnnnu12.1.2 T

3、型電阻網(wǎng)絡數(shù)模轉(zhuǎn)換器型電阻網(wǎng)絡數(shù)模轉(zhuǎn)換器1 0 1 0 1 0 1 0RRR2R2R2R2RRfS0S3S2S1d3d0d1d2URuoA +2R2R數(shù)碼di=1（i=0、1、2、3），即為高電平時，則由其控制的模擬電子開關Si自動接通左邊觸點，即接到基準電壓UR上；而當di=0，即為低電平時，則由其控制的模擬電子開關Si自動接通右邊觸點，即接到地。RRR2R2R2R2RURA2RRfuo +2Rd3d2d1d0=0001時的電路：用戴維南定理從左至右逐級對各虛線處進行等效。UR 21RRR2R2RARfuo +2R2RRUR 22RRR2R2RARfuo +2RUR 23RR2RARfuo

4、+2RUR 24RARfuo +2R由圖可得輸出電壓為：4Rf4Rfo02322RURURRRu由于d0=1、 d3=d2=d1=0，所以上式又可寫為：04Rfo023dRURu同理，當d3d2d1d0=0010時的輸出電壓為：13Rfo123dRURu當d3d2d1d0=0100時的輸出電壓為：22Rfo223dRURu當d3d2d1d0=1000時的輸出電壓為：31Rfo323dRURu應用疊加原理將上面4個電壓分量疊加，即得T形電阻網(wǎng)絡數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：)2222(2323232323001122334Rf31Rf22Rf13Rf04Rfo3o2o1o0oddddRURdRURdR

5、URdRURdRURuuuuu當取Rf=3R時，則上式成為：)2222(2001122334RoddddUu)2222(200112211RoddddUunnnnn括號中的是 4 位二進制數(shù)按權的展開式?？梢?，輸入的數(shù)字量被轉(zhuǎn)換為模擬電壓，而且輸出模擬電壓 uo與輸入的數(shù)字量成正 比 。 當 輸入 信 號00000123dddd時 ，輸 出 電 壓0ou；當輸入信 號00010123dddd時， 輸出電壓Ro161Uu， ，當輸入信號11110123dddd時，輸出電壓Ro1615Uu。S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIR

6、ABCD分別從虛線A、B、C、D處向左看的二端網(wǎng)絡等效電阻都是R。不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。從參考電壓UR處輸入的電流IR為：RUIRR12.1.3 倒倒T型電阻網(wǎng)絡數(shù)模轉(zhuǎn)換器型電阻網(wǎng)絡數(shù)模轉(zhuǎn)換器S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0IRUIIRUIIRUIIRUIIRRRFRRRR403122132161 281241 221各支路電流IR為：S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URu

7、o +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0I)2222(200112233433221100ddddRUdIdIdIdIIREF)2222(2001122334oddddRRUIRuFRF12.1.4 集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其應用集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其應用0.1FIoUR(+5V)UEE(-5V)1162153144135126117108 9DAC0808NCGNDUEEIod7d6d5d4COPUR(-)UR(+)UCCd0d1d2d35 13 1467 1589 21011 412 3 16DAC0808UCC(+5V)2.4k2.4kRLd0d1d2d3d4d5d6d7(a)(b

8、)（1）分辨率分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度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。（3）輸出建立時間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。001. 0102311211012.1.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術指標數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術指標12.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1

9、A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出。2采樣-保持電路t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uoui。t1時刻采樣階段結束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關，

10、則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。采樣定理：max2isff - +CHuoui - +采樣脈沖開關驅(qū)動電路SA1A2 uo, uiuoui0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t12.2.2 并聯(lián)比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ui1D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&URd2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1RRRRRRRCP比較器寄存器編碼器F7F6F5F4F3F2F1+-C7+-C6+-C5+-C4+-C3+-C2+-C12R20uiU

11、R/14時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0000。UR/14ui3UR/14時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的 二 進 制 代 碼 為d2d1d0=001。3UR/14 ui5UR/14時，比較器C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0010。5UR/14ui7UR/14時，比較器C1、 C2、 C3輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、 FF2、 FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d

12、1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應的輸出二進制數(shù)。ui1D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&URd2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1RRRRRRRCP比較器寄存器編碼器F7F6F5F4F3F2F1+-C7+-C6+-C5+-C4+-C3+-C2+-C12R2輸入模擬電壓寄 存 器 狀 態(tài)輸出二進制數(shù)uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1d2 d1 d0REFV)0(1410 0 0 0 0 0 00 0 0REFV)(1431410 0 0 0 0 0 10 0 1REFV)(1451430 0 0

13、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 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量輸入模擬電壓uoui順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器電壓比較器轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的模擬

14、電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。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 D/A 轉(zhuǎn)換器F1 F2 F3 F4 F5 + + A FD

15、Q J K1&d3d2d1d0CCCCG8G9G10G11為了分析方便，設D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓為UR=8V，輸入的模擬電壓為ui=4.52V。轉(zhuǎn)換開始前，先將逐次逼近寄存器的4個觸發(fā)器FAFD清0，并把環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)置為Q1Q2Q3Q4Q5=00001。第1個時鐘脈沖C的上升沿到來時，環(huán)形計數(shù)器右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0000。由于Q1=1，Q2、Q3、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA被置1，F(xiàn)B、FC和FD被置0。所以，這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1000 ，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：V 48168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在

16、比較器中比較，由于uoui，所以比較器的輸出電壓為uA=1。第3個時鐘脈沖C的上升沿到來時，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0100。這時由于uA=1，Q3=1，Q1、Q2、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA的1保留，而FB被置0。與此同時，Q3的高電平將觸發(fā)器FC置1。所以，這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1010 ，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：V 5)28(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比較器中比較，由于uoui，所以比較器的輸出電壓為uA=1。第4個時鐘脈沖C的上升沿到來時，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0010。這時由于uA=1

17、，Q4=1，Q1、Q2、Q3、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA、FB的狀態(tài)保持不變，而觸發(fā)器FC被置0。與此同時，Q4的高電平將觸發(fā)器FD置1。所以，這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1001 ，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：V 5 . 4) 18(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比較器中比較，由于uoui，所以比較器的輸出電壓為uA=0。第5個時鐘脈沖C的上升沿到來時，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0001。這時由于uA=0，Q5=1，Q1、Q2、Q3、Q4均為0，于是觸發(fā)器FA、FB、FC、FD的狀態(tài)均保持不變，即加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為

18、d3d2d1d0=1001。同時，Q5的高電平將門G8G11打開，使作為轉(zhuǎn)換結果通過門G8G11送出。這樣就完成了一次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程如表所示。順序脈沖d3 d2 d1 d0uo/V比較判斷該位數(shù)碼 1是否保留12341 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 0 14654.5uouiuouiuo0)uodn-1 dn-2 d0TCCo=+-+-邏輯控制門定時器n 位二進制計數(shù)器&輸入模擬電壓基準電壓積分器比較器時鐘輸入控制門 Gn 位二進制數(shù)字輸出ui-URS1S2RCCPCo=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0TCCo=+-+-iRnUUN22計數(shù)器中所計的二進制數(shù)值12.2.5 集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應用(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輸入模擬電壓ui05V調(diào)節(jié)