模拟量与数字量转换

每个 2R支路中的 电流也逐位减半。
DR C R BR A
UR
R3
R2
R1
R0
2R 2R 2R 2R 2R
RF
S3
S2
S1
S0
0 I3 0 I2 1 I1 1 I0
I
D3
D2
D1 D0
-
A+
uo
+
I = I3 + I2 + I1 + I0
=
UR 2R
D3
+
UR 4R
D2
+
UR 8R
D1
+
UR 16R
（1）分辨率指分辨最小电压的能力。常用最小输出 电压和最大输出电压之比。即1/（2n-1），有时也用 输入数字量的有效位数来表示分辨率。
（2）转换精度指最大静态转换误差，一般是小于最 低有效位为1时的输出电压的1/2。常用用相对值表示 （1/2）/ （2n-1） 1 / 2n+1 。
（3）输出电压( 电流 )的建立时间输入数字量为全0 到全1，输出电压达到稳定值所需要的时间。超高 速（<100nS);较高速(100nS~1 S)；高速(1 ~ 10 S)； 中速(10~100S）；低速（100S）。
01 QC
RC SC
0
01 0
01 01
01
&
&
&
& 1 B2(22) & 1 B1(21) & 0 B0(20)
CP Q1 01 01
Q2 01
Q3 01
Q4 01
顺序脉冲发生器
Q5 01
三、 ADC的主要性能指标
（1）分辨率：以输出二进制代码的位数表 示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精 度越高。
将数字量转换为模拟量的装置称为 数/模变换器( 简称D/A转换器 、DAC);
将模拟量转换为数字量的装置称为 模/数变换器( 简称A/D转换器 、ADC)。
它们是重要的接口器件。
第1节 D/A转换器
一、 DAC的结构、工作原理
1、权电阻D/A变换器
UR
R3
R2
R1
R0 R = 80 k
R/8 R/4 R/2 R
第三次 加2克 砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除 12 克
第四次 加1克 砝码总重 ＝ 待测重量Wx ，故保留 13 克
ui
uo
电压比 较器
M
原理 框图
数模转换器
数字量输出
逐次逼近比较器
控制电路
顺序脉冲发生器
时钟脉冲
1
2
3
4
5
CP
ui
uo
3位数模转换器
01
01 QA
RA SA
01 QB
RB SB
D0
=
UR 16R
(
8D3
+
4D2 +
2D1 + 1D0 )
uo = - UR RF ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )
16R
二、 集成DAC
CS
1
WR1
2
AGND
3
D3
4
D2
5
D1
6
D0
7
UR
8
Rfb
9
DGND 10
20
UCC
19
LCE
18
WR2
17
XFER
16
D4
15
D5
14
D6
（2）转换精度：最大误差一般不大于最低 有效位所对应的输入模拟电压。 相对精度 1/（2n-1）。
（3）转换时间：完成一次转换所需要的时间， 即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的 数字量输出所需要的时间。
四、 集成ADC
集成ADC：逐次比较型、双积分型等； 8位、12位、20位等
集成ADC0809： 8位、前置8选1模拟开关、 后置三态输出数据锁存器，
比较器输入 编码器输出 A B C D E F G D2 D1 D0 11 1 11 1 1 1 1 1 1 11 11 1 0 1 1 0 111110 0 1 0 1 11 1 100 0 1 0 0 1 11 00 0 0 0 1 1 1 1 0 00 0 0 0 1 0 100000 0 0 0 1 0 00 00 0 0 0 0 0
第2节 A / D 转换器
A/D转换器的任务是将模拟量转换 成数字量,它是模拟信号和数字仪器 的接口。
一、 ADC的工作过程
1、采样、保持 采样：将模拟量在时间上离散化。 保持：采样值稳定维持一段时间，以完成量化。
香农采样定理：
2、量化、编码 量化：将采样值在数值上离散化。 将采样后的
电压值表示为最小数量单位Δ的整数倍。 最小数量单位Δ ：数字量为1时，对应的模拟量。
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
0
0
11
-
A+
uo
D3
D2
D1 D0
+
UR
R3
R2
R1
R0 R = 80 k
R/8 R/4 R/2 R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
0
0
1
1 I0
-
I1
I
A+
uo
D3
D2
D1 D0
+
根据反相比例运算公式可得：
Uo = -
UR RF R
（ 23
D3＋ 22
D2＋21
D1 ＋20
2、逐次逼近式ADC
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15克，每个重量分别为8、4、 2、1克。设待秤重量Wx = 13.4克，可以用下表 步骤来秤量：
砝码重
结
论
暂时结果
第一次 8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留 8 克
第二次 加4克 砝码总重仍 <待测重量Wx ，故保留 12 克
UR
R3
R2
2R 2R 2R
S3
S2
-
A+
uo
0 I3 0 I2
+
DR C R BR A
UR
R3
R2
R1
R0
2R 2R 2R 2R 2R
RF
S3
S2
S1
S0
0 I3 0 I2 1 I1 1 I0
I
D3
D2
D1 D0
-
A+
uo
ห้องสมุดไป่ตู้
+
即：
UD = UR Uc = UR / 2 UB = UR /4 UA = UR /8
量化方法：取整、四舍五入
量化误差： Δ 、 1/2Δ
编码：将量化后的值二进制代码表示。
二、 ADC的工作原理
Us ui
1、并联比较型
R
7Us /8
优点是转换 6Us /8 R
速度快，缺
R
点 是所需比 5Us /8 R
较器数目多，4Us /8 R 位数越多矛 3Us /8
盾越突出。
R 2Us /8
R
Us /8
R
-
+
+
G
-
+
+
-
+
+
F E
编
-
+
+
D码
-
+
+
C
-
+
+
B
器
-
+
+
A
D2
D1
D0 数字输出
逻辑状态关系表
输入u电i 压
Us > ui > 7Us / 8 7Us / 8 > ui > 6Us / 8 6Us / 8 > ui > 5Us / 8 5Us / 8 > ui > 4Us / 8 4Us / 8 > ui > 3Us / 8 3Us / 8 > ui > 2Us / 8 2Us / 8 > ui > 1Us / 8 1Us / 8 > ui > 0
D0）
输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的 大小成正比，实现了数字量 到模拟量的转换 。
2、R-2R T形电阻网络DAC
DR C R BR A
UR
R3
R2
R1
R0
2R 2R 2R 2R 2R
RF
S3
S2
S1
S0
0 I3 0 I2 1 I1 1 I0 I
-
A+
uo
D3
D2
D1 D0
+
DR C
RF
另有相应的控制端，便于程序控制，易于直接微机。
思考题 1、DAC和ADC有什么用途? 2、 R-2R T形电阻网络有什么特点？ 为什么通常采用R-2R T 形电阻网络DAC而不用权电阻DAC? 3、什么是DAC、 ADC的分辨率和转换精度？ 4、比较并联比较型ADC和逐次比较型DAC的优缺点?
习题：P398 8.4.1 ，8.4.6
13
D7
12
Iout1
11
Iout2
DAC 0832 管脚分布图
ILE
CS WR1 XFER WR2
D...... 7
八位 输入
寄存器
D0
(1)
&
1
1
八位 输入 寄存器
(2)
VCC
UR
八位 Rfb
A/D Iout1 变换器 Iout2
－
u ＋
＋
o
AGND
DGND
DAC 0832 简化电路框图
三、 DAC的主要性能指标