9.1A/D 转换器及应用 9. 2 D/A 转换器及应用 9.3 常用的 ADC 、 DAC

本章小结

项目九 A/D 、 D/A 转换器及应用

显示器

设计项目设计项目数字温度计数字温度计

模数

转换

电路

模数

转换

电路t/R

u 0 0011 11

主要内容 主要内容 数模转换器和模数转换器作用、类型、工作原理 ,以及特点； 数模转换器和模数转换器的正确使用及应用。

主要技能 主要技能

数数模转换器和模数转换器的正确使用及应用； 数模转换器和模数转换器电路的实现。

基本概念基本概念

  数模转换 ; 模数转换 ; 转换精度 ; 分辨率 ; 量化阶梯 .

典型的数字控制系统组成典型的数字控制系统组成 典型的数字控制系统组成典型的数字控制系统组成

采集模拟信号

模拟量转换数字量

对数字信号处理

数字量转换量模拟

模拟量输出控制

常见的模拟量：话音、温度、压力、流量等

传感器的作用：将非电量的模拟信号转换为电流或电压 信号。

A/D 转换器（ ADC ） : 将模拟量转换为数字量。

9.1 A/D 转换器及应用9.1 A/D 转换器及应用

通常要经过四个步骤： 采样 保持 量化 编码

9. 1 . 1 ADC 的基本原理

采样 : 就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化 的模拟量。

一、 采样与保持

保持 : 采样结果存储起来，直到下次采样。一般，采样 器 和保持电路一起总称为采样保持电路。

量化 : 将采样电平归化为与之接近的离散数字电平。

量化阶梯 : 零到最大值的模拟输入范围被划分的 n 个值。

编码 : 将量化阶梯的数值用二进制数表示出来。

二、量化与编码

110

111

101

100

011

010

001

000

（ 2 ）将 0 到最大模拟输入量划分为 2N 个量化阶梯进 ;

0V

Umax=8V

量化阶梯

13/14UREF=7.43

1/14UREF=0.57

9/14UREF=5.14

11/14UREF=6.29

5/14UREF=2.86

7/14UREF=4

3/14UREF=1.71

（ 1 ）确定数字量的位数。数字量的位数越多，其转移精度越高；

（ 3 ）编码：将每个阶梯赋于二进码。

例：如采样电平 Umax=8V ，分析各电平对应的模数转换过程？例：如采样电平 Umax=8V ，分析各电平对应的模数转换过程？

解 :

9.1.2 ADC 的主要技术参数

分辨率是指 A/D 转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 通常以 ADC 输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。

例：输入模拟电压满量程为 10V ，若用 8 位 ADC 转换时，其分辨率为 10V/28 ＝ 39mV ， 10 位的 ADC 是

9.76mV ，而 12 位的 ADC 为 2.44mV 。

例：输入模拟电压满量程为 10V ，若用 8 位 ADC 转换时，其分辨率为 10V/28 ＝ 39mV ， 10 位的 ADC 是

9.76mV ，而 12 位的 ADC 为 2.44mV 。

一、分辨率

转换误差是表示 A/D 转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的最大差别。

例： ADC 的相对精度为 ±(1/2)LSB ，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为１的一半。

例： ADC 的相对精度为 ±(1/2)LSB ，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为１的一半。

　 完成一次 A/D 转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。逐次比较型 ADC 约 10 ～ 50μs 之间；并行比较型 ADC 的转换时间可达 10ns 。

二、转换误差

三、转换速度

9.1. 3 A/D 转换器的类型及原理分析模数转换电路类型：：直接比较型、间接比较型

直接比较型是将模拟信号直接与标准的参考电压比较，从而得到数字量。有并行 ADC 和逐次比较型 ADC 。

分压器

比较器

译码器

1 ．直接 ADC—— 并行ADC

一、直接比较型：

三位并行 ADC 转换真值表

输 入 模 拟 信 号 比 较 器 输 出C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1

数 字 输 出D2 D1 D0

0<uI<VREF/14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

VREF /14< uI <3 VREF /14 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1

3 VREF /14< uI <5 VREF /14 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0

5 VREF /14< uI <7 VREF /14 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1

7 VREF /14< uI <9 VREF /14 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0

9 VREF /14< uI <11 VREF /14 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1

11 VREF /14< uI <13 VREF /14 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0

13 VREF /14< uI < VREF /14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

对于 n位输出二进制码，并行 ADC 就需要 2n-1 个比较器。并行 ADC 适用于速度要求很高，而输出位数较少的场合。

例： URFE=10V ；模拟输入电压： 4V ，试计算数字输出量。例： URFE=10V ；模拟输入电压： 4V ，试计算数字输出量。

4V

0.7V

2.1V

3.5V

4.9V

6.3V

7.7V

9.2V

10V

0V

0

1

1

1

0

0

0

0

1

1

输出数字量：

011

ADC 转换时序波形 四位逐次比较型 ADC 原理框图

1

8V

ui=9.5V

11

12V

0 0

1

10V

0

0

1

9V

1 0

0

1

1

UREF=16V

２．逐次比较型 ADC

逐次逼近型 ADC 电路结构 :

d2

四位 D/A 转换器

QQQQFF1 FF

0

FF2FF3

S R S R S R S R

≥1

&

Q0Q1Q2Q3Q4

五位顺序脉冲发生器

CP

时钟脉冲

&

&

&

&

d1 d0

d3

E

UOUI

电压比较器

逐次逼近寄存器

d0

d1

d2

d3

控制逻辑门

≥1 ≥1

& & &

例 : 8 位 A/D 转换器，输入模拟量 uI=6.84V ， D/A 转换器基准电压 UREF=10V 。求：输出数字量？

相对误差仅为 0.06 % 。转换精度取决于位数。相对误差仅为 0.06 % 。转换精度取决于位数。

cp D7D6D5D4D3D2D1 uo ui>uo

0 1 0 0 0 0 0 0 0 5 1

1 1 1 0 0 0 0 0 0 7.5 0

2 1 0 1 0 0 0 0 0 6.25 1

3 1 0 1 1 0 0 0 0 6.875 0

4 1 0 1 0 1 0 0 0 6.5625 1

5 1 0 1 0 1 1 0 0 6.71875 1

6 1 0 1 0 1 1 1 0 6.796875 1

7 1 0 1 0 1 1 1 1 6.8359375 1

uI>uO 为 1

否则为 0

ADC 0809 是 8 位 8 通道的逐次比较型号的 AD 转换器。

ST CLK

EOC

D0

D7

IN0

IN7

ABC

ALE

°Ëλ

ת»»Æ÷

A/D

Èý̬

Êä³ö

Ëø´æÆ÷

VCCGND

OEVR(+)VR(-)

3 8

µØÖ·Ëø´æ

ÓëÒëÂë

°Ë·

Ä£ÄâÁ¿

¿ª¹Ø......

......

9.1.4 集成 A/D 转换器及应用

1 ．结构

八个模拟量输入通

道

三位通道地址

线

00

0

EOC=1数字量输出

1

一、 ADC 0809

2-2

+UREF

START

I2

OE

ADDB

I3I4I5I6

I7

I1

I0

EOC

CLK

ADDA

ADDC

ALE

-UREF

2-1

2-3

2-4

2-5

2-6

2-7

2-8

ADC0809

2 ．引脚及功能说明

启动输入端

通道地址锁存输入端

转换结束信号，EOC=1 转换结束

输出允许端，EO=1允许输

出CLK ：时钟信

号

8 路输入通道地址线

8 路输入通道

8 位数字信号输出输

（ 1 ） START(6 脚 ) 是启动输入端 , 输入启动脉冲的下降沿使 ADC开始转换 . 脉冲宽度要求大于 100ns 。

（ 2 ） ALE （ 22脚）是通道地址锁存输入端。当 ALE 上升沿来到时，地址锁存器可对 ADDA 、 ADDB 、 ADDC锁定， ALE 脉冲宽度应大于，下一个上长河升沿允许通道地址更新。实际使用时，要求 ADC开始转换之前地址新应锁存，所以通常将 ALE 和 START 连在一起，使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿启动转换。

（ 3 ） OE （ 9 脚）为输出允许端，它控制 ADC 内部三态输出缓冲器，为 0 时，输出端为高阻态，为 1 时，输出端为数据输出。

（ 4 ） EOC （ 7 脚）是转换结束信号，为 0 时，表示转换正在进行，为 1 时，转换已经结束。显然只有当 EOC 为 1以后，才可以让OE 为高电平，这时读出的数据才是正确的转换结果。

（ 1 ）基准电压须外接。常用 MC1403 通过分压器提供2V~200mV 基准电压；

（ 2 ）被测模拟电压输入量程为 1.999V 或 199.9mV;

（ 3 ）外接振荡电阻 RC 典型值为 470K ；

所谓 是指输出数字量的 4 位十进制数，最高位仅有 0和 1两种状态。它将线性放大器和数字逻辑电路同时集成在一个块。采用动扫描方式。其输出是按位扫描的 BCD 码。它是数字面板表的通用器件。

2

13

二、 MC14433 （十进制） A/D 转换器

2

13MC14433 是 的 CMOS双积分型 AD 转换器。

1 ．工作特点：

（ 4 ）采用字位动态扫描 BCD 码输出方式，即千、百、十、个各位 BCD 码轮流在Q0~Q3端输出，同时在 DS1~DS4端出同步字位选通信号，可实现 LED动态显示；（ 5 ） A/D 转换速率 4~10 次 /S 。

2 ．引脚及功能说明模拟地

被测电压输入端

外接积分阻容元件端

外接失调补偿电容 0.1uF

时实显示控制端

时钟振荡外接电阻端 负电源

输入端

电源公共地

转换结束信号

溢出信号输出端

输出位选通信号

转换的BCD 码

（ 1 ） R1 、 C1 、 RC 、 C0 为外接元件；（ 2 ） VAG ：测电压 V1 和基准电压 VREF 的地电位；（ 3 ） VREF ：外接基准电压输入端；当基准电压分别为 2V

或 200mV 时 , 电压量程分别为 1.999V 和 199.9mV（ 4 ） V1 ：被测电压输入端；（ 5 ） R1 、 R1/C1 、 C1 ：外接积分阻容元件端、外接元件； 量程为 2V 时， C1=0.01uF 、 R1=470K ； 量程为 200mV 时， C1=0.1 uF 、 R1=27K（ 6 ） C01 、 C02 ：外接失调补偿电容端，典型值 C0=0.1

uF ；（ 7 ） DU ：实时显示控制端，输入阻抗一正脉冲，输出端就

输出 A/D 转换结果。若和本电路中的 EDC端连接，则每次A/D 转换结果均输出；

（ 8 ） CP1 、 CP0 ：时钟振荡器外接电阻端，外接电阻值为300K 时， 振荡频率为 66KHZ ，其中 CP0 为时钟信号的输出端， CP1 为时钟信号输入端，使用外部时钟信号时由此输入；

（ 9 ） VEE ：电路的电源最负端， VAG-VEE>2.8V ；（ 10 ） VSS ：除 CP0外所有的输出端的低电平基准， VDD-

VEE>2.8V ；（ 11 ） EOC ：转换周期结果标志输出，每一 A/D 转换周期结束，其 输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的 1/2 。

（ 12 ） OR ：溢出信号输出，溢出时为 0 ；（ 13 ） DS1 、 DS2 、 DS3 、 DS4 ：输出位选通信号。 DS1

为千位， DS4 为个位。选通信号的宽度为 18 个时钟周期，两个选通脉冲之间间隔 2 人时钟周期；

3 ．工作原理

约 16400TCP

18TCP

1/2TCP

80TCP

2TCP

EOC

DS1千位

DS3十位

DS4 个位

DS2百位

当 EOC 为正脉冲后，位选通信号 DS1~DS4按图中方式输出

正脉冲信号。当某位的 DS 为高电平时，相应位的 BCD 码输出，

因此， 4 位的 BCD 码按时间顺序从 Q0~Q3 分时输出。从图中可见： 每位的显示频率 f1=f1/80;f1 是时钟频率。

2

13 位电压表

基准电压源电路

A/D 转换

译码驱动

LED 显示

位线驱动

被测电压

1111

9.1.5 集成 ADC 的应用

MC1403 ：基准电压源电路；为 MC14433提供高精度、高稳 定性的参考电源；

MC14433 ： A/D 转换； CD4511 ：译码驱动共阴型的 LED 数码管； MC1413 ：反相驱动电路，接收MC14433 的选通脉

冲 DS1~DS4 ， 使 Q4~Q1轮流为低电平，控制 4个数码管工作， 实现 扫描显示；

电压的极性符号“ -” 由 MC14433 的 Q2端控制。当输入阻抗负电压时， Q2=0 ，“ -” 通过 RM 点亮；当输入阻抗为正时，“ -” 熄灭。小数点由R 点亮。

工作原理分析：工作原理分析：

1 ． D/A 转换器（ DAC ）：将数字量转换为模拟量的电路。

2 ． D/A 转换器的基本原理

D0

D1….

Dn

iouo XKu O

uo 应是与 D按权展开式成比例的模拟量（ X）。

9.2 D/A 转换器及应用9.2 D/A 转换器及应用

00

11

22

11 22......22 DDDDX n

nn

n

)22......22( 00

11

22

11O DDDDKu n

nn

n

权电阻网络DAC ：精度难保证、集成度差；

9.2.1 D/A 转换器的分类、结构与工作原理

倒 T形电阻网络DAC ：集成度高、速度快；

电流激励DAC ：电子开关对精度的影响小。

一、 D/A 转换器的分类

i

双向模拟开关D ＝ 1 时接运放D ＝ 0 时接地

R － 2R 倒T 形电阻解码网络

基准参考电压

求 和运算放大器 , 实 现 电 流与 电 压 的 转 换。

1 ．倒T形电阻网络DAC

二、常用 DAC 的结构、原理分析

RI

REFUREF REFII

2

13 REFII

22 2

1 REFII

31 2

1 REFII

40 2

1

)2222(2 3

32

21

10

043210 DDDDR

UIIIII REF

（ 1 ）若 D0D1D2D3=1111 ，则模拟开关全接运放，如下所示：

（ 2 ）各电流之间、电流与数字量之间的相互关系：

工作原理分析：

例：当 n=3 、 UREF=10V 时，求各数字量对应的模板输出电压值。

输入 000 001 010 011 100 101 110 111

uO/V 0 1.25 2.5 3.75 5 6.25 7.5 8.75

)2222(2

00

11

22

334

DDDDU

RIu REFffo

（ 3 ）输出模拟电压与数字量之间的关系：

（ 4 ）公式推广至N 位数字量：

)222(2

00

22

11 DDD

Uu n

nn

nnREF

o

9.2.2 集成 DAC 及应用 ——0830 系列

DAC0830 、 31 、 32 是八位 D/A 转换器，转换时间 1微秒。

一、集成 DAC

1. 结构

输入寄存器选通信号

传送控制信号

DAC 寄存器写信号

输入寄存器写信号

输入寄存器锁存信

数字信号输出端

模拟电流输出端

转换基准电压

2. 引脚及功能说明

3. DAC 工作方式：

（ 1 ） 双缓冲方式

DAC0832包含两个数字寄存器——输入寄存器和 DAC寄存器，因此称为双缓冲。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 。

01WRCS 1ILE 输入寄存器直通

（ 2 ）直通方式

021 XFERWRWRCS 1ILE

（ 3 ）单缓冲方式

11WR02 XFERWRCS 1ILE

数据锁存，模拟输出不变的条件：

模拟输出更新的条件：

02 XFERWRCS 1ILE 01WR

0ILE01WRCS

1ILE0CS 11WR

输入寄存器锁存数字量

8 位计数器

8 位 D/A 转换

二、集成 DAC 的应用

256 个 CP 脉冲时间 t

uo

工作原理分析：00000001 00000010

11111111 11111110

00000011

11111101

00000000数字量的状态

010/25600000001

20/2560000001030//25600000011

2530/256111111012540/256111111102550/256

11111111

9.3 常用的 ADC 、 DAC例表

9.3 常用的 ADC 、 DAC例表

型 号 功 能 说 明ADC0801 、 ADC0802 、ADC0803 、 ADC0831 、ADC0832 、 ADC0834 、

8 位 A/D 转换器

ADC10061 、 ADC10062 10 位 A/D 转换器ADC10731 、 ADC10734 11 位 A/D 转换器

AD7880 、 AD7883 12 位 A/D 转换器AD7884 、 AD7885 16 位 A/D 转换器

常用的 ADC

型 号 功 能 说 明DAC0830 、 DAC0831 、

ADC0832 、8 位 A/D 转换器

DAC1000 、DAC1001 、 DAC1002

DAC1006 、 DAC1007 、 DAC1008

10 位 A/D 转换器

DAC1230 、 DAC1231 、 DAC1232 11 位 A/D 转换器DAC700 、 DAC701 、 DAC702

DAC703 、 DAC712

11 位 A/D 转换器

DAC811 、 DAC813 12 位 A/D 转换器AD72244 、 AD7229A 、 AD7524 11 位 A/D 转换器

AD7533 11 位 A/D 转换器AD7534 、 AD7535 、 AD7538 16 位 A/D 转换器

常用的 DAC

A/D 和 D/A 转换器是现代数字系统中重要组成部分。

A/D 和 D/A 转换器按工作原理主要分为并行 A/D 、逐次逼近 A/D 及双积分 A/D 等。在要求速度高的情况下以采用并行 A/D ；在要求精度高的情况下，可以采用双积分 A/D ；逐次逼近 A/D在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点。

D/A 转换器根据工作原理分为权电阻网络D/A 转换和 T型电阻网络D/A 转换，倒T型电阻转换电路只要求两种电阻，因此在集成集成集成转换器中得广泛应用。

本章小结 本章小结

作 业作 业作 业作 业

9.1 、 9.2 、 9.4 、 9.5 、 9.6 、 9.7 、9.9