第第 2323 章 模拟量和数字量的转换章 模拟量和数字量的转换

第第 2323 章 模拟量和数字量的转章 模拟量和数字量的转换换

23.1 D/A23.1 D/A 转换器转换器

23.2 A/D23.2 A/D 转换器转换器

模模数与数数与数模转换器是计算机与外部设备模转换器是计算机与外部设备的重要接口的重要接口 ,, 也是数字测量和数字控制系统的重要也是数字测量和数字控制系统的重要部件。部件。

将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模数数转换器转换器 (( 简称简称 A/DA/D 转换器或转换器或 ADCADC)) ；；

传感器传感器

模拟控制模拟控制

模模拟拟信信号号

数字计算机数字计算机

数字控制 数字控制

数数字字信信号号

ADCADC

DACDAC

将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器模转换器(( 简称简称 D/AD/A 转换器或转换器或 DACDAC))

23.123.1 D/A D/A 转换器转换器

数–模数–模转换（转换（ D/AD/A 转换器转换器）的基本思想：）的基本思想： 由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成模拟量，这就是构成 D/AD/A 转换器的基本思想。转换器的基本思想。

1. 1. 电路电路23.1.1 T23.1.1 T 型电阻网络数型电阻网络数 -- 模转换模转换器器

由数个相同的电路环节构成，每个电路环节由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。有两个电阻和一个模拟开关。

参考电压参考电压

存放四位存放四位二进制数二进制数

最低位最低位(LSB)(LSB)

最高位最高位(MSB)(MSB)

模拟模拟开关开关

UUoo

++

––

22RRAA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

++

++

--AA

RRFF

22RR

00 001111

数码寄存器数码寄存器QQ00 QQ11 QQ22 QQ33

1. 1. 电路电路23.1.1 T23.1.1 T 型电阻网络数型电阻网络数 -- 模转换模转换器器

参考电压参考电压

存放四位存放四位二进制数二进制数

最低位最低位(LSB)(LSB)

最高位最高位(MSB)(MSB)

各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“ 1”1”时，开关接电源时，开关接电源 UURR ；为；为 00 时接“地”。时接“地”。

模拟模拟开关开关

UUoo

++

––

22RRAA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

++

++

--AA

RRFF

22RR

00 001111

数码寄存器数码寄存器QQ00 QQ11 QQ22 QQ33

2.2. 转换原理转换原理分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压 UUoo 之间的关系之间的关系

TT 型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压 UUAA 即是反相比例运即是反相比例运算电路的输入电压。算电路的输入电压。

反相比例反相比例运算电路运算电路

TT 型电型电阻网络阻网络

22RRAA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

UUoo

++

++

--AA

RRFF

22RR

00 001111

++

––

2. 2. 转换原理转换原理

用戴维宁定理和叠加原理计算用戴维宁定理和叠加原理计算 UUAA

AA

++UURR

SS22SS00 SS11 SS33

22RR22RR22RR22RR

dd00 dd11 dd22 dd33

00

RR RR RR

111100

22RR

00 001111

最低位最低位(LSB)(LSB)

最高位最高位(MSB)(MSB)

1 0 0 01 0 0 0对应二进制数为对应二进制数为 00010001

2. 2. 转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为 00010001 时，时，

AA

22RR22RR22RRRR

RR RR RR

等效电路如右下图等效电路如右下图

042d

UU R

A

开路电压

11

11

22

22

33

33

22RR22RR22RR22RR

RR RR RR

22RR

UURR

AA

RR

042d

U R

AA00

00

2. 2. 转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为 00010001 时，时，等效电路如下等效电路如下

RR

AA

042d

U R

同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为 00100010 时，有时，有

同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为 10001000 时，有时，有

同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为 01000100 时，有时，有

042d

UU R

A

开路电压

132d

UU R

A

开路电压

222d

UU R

A

开路电压

312d

UU R

A

开路电压

RR

AA

132d

U R

2. 2. 转换原理转换原理

04R

13R

22R

31R

EA 2222d

Ud

Ud

Ud

UUU

应用叠加原理将这四个电压分量叠加，应用叠加原理将这四个电压分量叠加， TT 型网络型网络开路时的输出电压开路时的输出电压 UUAA ，即等效电源电压，即等效电源电压 UUE E 。。

等效电阻为 等效电阻为 RR

等效电路如右图等效电路如右图RR

AA

UUEE

)2222(2

00

11

22

334

R ddddU

2. 2. 转换原理转换原理

EF

ο 3U

R

RU

输出电压

)2222(23

00

11

22

334

RF

ddddR

UR

若输入的是 若输入的是 nn 位二进制数，则位二进制数，则

)222(23

00

22

11

RFo

dddR

URU n

nn

nn

22RR

UUoo

++

++

--AA

RRFF

++

––

RR

UUEE++

––

AA

2.2. 转换原理转换原理

若取 若取 RRF F = 3R= 3R ，则，则

)222(2

00

22

11

Ro

dddU

U nn

nnn

若输入的是 若输入的是 nn 位二进制数，则位二进制数，则

22RR

UUoo

++

++

--AA

RRFF

++

––

RR

UUEE++

––

AA

)222(23

00

22

11

RFo

dddR

URU n

nn

nn

倒 T 型电阻网络 D A 转换器

分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压 uuoo 之间的关系之间的关系转换原理转换原理

倒倒 TT 型解码网络型解码网络

uo

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2R

R3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR

每个每个 22RR 支路中的电流支路中的电流也逐位减半。也逐位减半。

RUI RR /10 2

1II 21 2

1II

32 2

1II RII

2

13

即：即：

uo

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2R

R3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR

0R

1R

2R

3R

16842d

R

Ud

R

Ud

R

Ud

R

U

)24(816 0123

R ddddR

U

0123R IIIII

)24(82 01234

FR1O dddd

R

RURIRIU FRFO

uo

2RABD+UR

S2S3 S1 S0

2R2R2R2RR3 R2 R1 R0

+

+

-A

RF

d3 d2 d1 d0

0

R R R

I3 I1 I0I01

C

110I2

IR

23.1.2 D/A23.1.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

指最小输出电压指最小输出电压 (( 对应的输入二进制数为对应的输入二进制数为 1)1) 和最大和最大输出电压（对应的输入二进制数的所有位全为输出电压（对应的输入二进制数的所有位全为 11 ）之比。）之比。

1. 分辨率

2.2. 线性度线性度 通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示 D/AD/A 转换器的线性转换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。 输出之比的百分数定义为非线性误差。 3.3. 输出电压输出电压 ( ( 电流 电流 )) 的建立时间的建立时间

例例 :: 十位十位 D/AD/A 转换器 转换器 的分辨率为的分辨率为 0010

1023

1

12

110 .

从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间。所需时间。

通常通常 D/AD/A 转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于 11SS

23.2 A/D23.2 A/D 转换器转换器

模–数模–数 (A/D)(A/D) 转换器的任务是将模拟量转转换器的任务是将模拟量转换成数字量换成数字量 ,, 它是模拟信号和数字仪器的接口。根它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。据其性能不同，类型也比较多。

下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式 A/DA/D 转换电路的原理转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。用。

23.2.1 23.2.1 逐次逼近式逐次逼近式 A/DA/D 转换器转换器 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重四个砝码共重 1515 克，每个重量分别为克，每个重量分别为 88 、、 44 、、 22 、、11 克。设待秤重量克。设待秤重量 Wx = 13Wx = 13 克，可以用下表步骤来秤克，可以用下表步骤来秤量：量：

22 8 g + 4 g

33 8 g + 4 g + 2 g

44 8 g + 4 g + 1 g

11 8 g 8g < 13g ，

12g < 13g ，

14g > 13g ，13g ＝ 13g ，

8 g8 g

12 g12 g

12 g12 g

13g

暂时结果砝 码 重 比 较 判 断顺 序

保留保留

保留保留

撤去撤去保留保留

1. 1. 转换原理转换原理(( 待转换的模拟电压待转换的模拟电压 ))UUII

数码寄存器数码寄存器

顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器

－－＋

＋

D/AD/A 转换器转换器

u0

控控制制逻逻辑辑

时钟

清清 00 、置数、置数

清清 00 、置数、置数

CP(CP(移位命令移位命令 ))

““1”1”状态是否保状态是否保留留 控制端控制端

UUAA试探电压试探电压

放哪一放哪一个砝码个砝码

砝码是砝码是否保存否保存

2. 2. 转换过程转换过程

22

33

44

11 1 0 0 0 UUAA << UUII

6V

UUAA << UUII

5. 5V

留留

去去

留留

留留

4V

UUAA >> UUII

5V

UUAA UUII

““1”1” 留否留否dd3 3 dd2 2 dd2 2 dd00 UUAA(V)(V)顺 序顺 序 比 较 判 断比 较 判 断

1 1 0 0

1 0 1 0

1 0 1 1

例：例： UURR= 8V= 8V ，， UUII = 5.52V= 5.52V

)2222(2

8 00

11

22

334 ddddU A

D/A 转换器输出 UA 为正值

逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图6

VU /A

3D

2D

1D

0D

t0 t1 t3

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

t2

RUD 21,13 对应于时

RUD 41,12 对应于时

RUD 81,11 对应于时

RUD 161,10 对应于时

V,8R U设参考电压5

432

10

。输入电压 V52.5I U

UUA A > U> UII

UUA A < U< UII

输出数字量转换完毕 ,10110123 dddd

V5.5U对应模拟电压(( 转换误差转换误差 : –0.02V): –0.02V)

23.2.2 23.2.2 A/D A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标1. 分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。 位数越多，误差越小，转换精度越高。2. 转换速度 完成一次 A/D 转换所需要的时间，即从它 接到转换控制信号起，到输出端得到稳定 的数字量输出所需要的时间。3. 相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。

4. 其它 功率、电源电压、电压范围等。

ADC0809ADC0809八位八位 A/DA/D 转换器转换器

GNDGND

CCBB

AA

－

＋＋

8

通

道

模

拟

开

关

比较器 逻辑控制

逐次逼近 寄存器

D/A 转换器地址锁存 译 码 器

三态输出锁存器

UUDDDD

UURR(+)(+) UURR(-)(-)

DD77

DD00

DD66DD55DD44DD33DD22DD11

ININ77

ININ66

ININ55

ININ44ININ33

ININ22

ININ11

ININ00

ALEALE

EOCEOC

STARTSTART CLOCKCLOCK

EOUTEOUT

ADCADC 0809 0809 管脚分布图管脚分布图

UURR(-)(-)

BB

DD44

DD00

DD22

DD77

DD66

DD55

11223344

5566

778899

1010 191918181717161615151414

131312121111

2020

25252424232322222121

262627272828 ININ22

ININ11

ININ00

GNDGNDDD11

ALEALEEOCEOC STARTSTART

CLOCKCLOCK

DD33

ININ33

ININ44

ININ55

ININ66

ININ77

EOUTEOUT

AA

CC

UUR R (+)(+)UUDDDD

AD

C0809