模拟量和数字量的转换

电压比较器
2.工作原理
设欲转换量UX
Ux +

原理图
Uo
D/A转换器
dn-1 d1 d0
A
+
1）给逐次逼近寄存器清零；
逐次逼近寄存器
数 字 量 输 出
2）将逐次逼近寄存器最高位置 “1”；即dn-1=1；
3）DAC将逐次逼近寄存器输出 的数字量转换为模拟量UO；
置数控制逻辑电路
4）当UO < UX ，置数控制逻辑电路使该位“1”保留； 当UO >UX ，置数控制逻辑电路使该位“1”去掉； 5）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即dn-2=1； 直至确定 d 15 0
uo
R
R
R
IR
+UR
di为1→ Si与运放的反相输入端连接→ uo = -IO1 RF
di为0 → Si与地连接 IO1 =？
与哪些量有关？
5
倒梯形电阻网络
0
I0 2R R
1
I1 2R R 2R
2
I2 2R R
3
I3
IO1
IR = UR /R
1 2R I3 = IR 2 UR = 1 2 R 1 UR I2 = IR = 2 4 2 R 1 UR I1 = IR = 3 8 2 R 1 UR I0 = IR = 4 16 2 R
EOC
八通道模拟量输入
八位数字量输出
IN0 IN7 A B C
8选1 模拟量 选择器 地址 锁存器
8位逐次 逼近 ADC
三态输 出锁存 器
D0 D7
输出允许端 高电平有效
START UR（-） UR（+） OE
启动信号输入端 启动脉冲下降沿 开始转换
正负参考电压输入 端该电压确定模拟 量的输入电压范围
22
IN0
A B C ALE D0
START
EOC
D4 OE
CLK
UCC UR（+）
GND
D6
23 22 ADC0809 21 20 19 18 17 16 15
D1
D2 D3 D7 UR(-) D5
END
23
5G7520
8 7 6 5 4
d5 d6
d7 d8 d9
GND
~ 13
十位数字量输入端
2
模拟电流IO1输出端 模拟电流IO2输出端， 一般接地
UR可正可负
15 参考电压接线端，
内部电阻RF的引出 16 端，另一端在芯片 内部接IO1端
14
15 16
3
2 1
－ ＋ ＋

uo
10
12.1.2 D/A转换器的主要技术指标
第12章 模拟量和数字量的转换 12.1 D/A转换器 12.2 A/D转换器
1
概述
数/模与模/数转换器是计算机与外部设 备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统 的重要部件。 D/A （数/模）转换器： 能将数字量转换为模拟量的装置。 A/D （模/数）转换器： 能将模拟量转换为数字量的装置。
2
1、分辨率
指最小输出电压和最大输出电压之比。 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。 1 1 如十位DAC分辨率： = 210-1 1023
2、转换精度
指输出模拟电压的实际值与理想值之差。即最大静态转换误差。
3、输出电压( 电流 )的建立时间
从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。
4、电源抑制比
d3 d2 d1 d0=1000
8）将d1置“1”；即d3 d2 d1 d0=1010 ； 9）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1010转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1· 23+ 0·22 + 1·21 + 0·20 ）=5V 10）UO < UX ，置数控制逻辑电路使d1=1保留；
d3 d2 d1 d0=1010
12.1 D/A 转换器
D/A （数/模）转换器：(DAC) 输入：n位二进制数N （N）2=d n-1· 2 n-1 + d n-2· 2 n-2 + ···+ d 1· 2 1 + d 0· 2
0
输出：与输入二进制数N成正比的模拟信号 （电压或电流）A
A=K· N=K（d n-1· 2 n-1 + d n-2· 2 n-2 + ···+ d 1· 2 1 + d 0· 2 0） 由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为
砝码重 结 论 暂时结果 8 克 12 克
第一次
8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留 砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除
第二次 加4克 砝码总重仍 <待测重量Wx ，故保留
第三次 加2克 第四次 加1克 砝码总重 ＝ 待测重量Wx ，故保留
12 克
13 克
13
1. 基本组成
输出数字量 顺序脉冲 发生器 逐次逼近 寄存器 输入电压量
3+ d · 2+ d · 1+ d · 0） （ d · 2 2 2 2 3 2 1 0 24 R UR RF 3+ d · 2+ d · 1+ d · 0） UO1 =-IO1· RF = 4 （d3· 2 2 2 2 2 1 0 2 R 7
=
UR
UR RF 3+ d · 2+ d · 1+ d · 0） UO1 =-IO1· RF = 4 （d3· 2 2 2 2 2 1 0 2 R
指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。
11
12.2 A/D 转换器
A/D转换器
模拟量转换成数字量的电路。 输入： 输出： 连续变化的模拟量 大小与输入模拟量成正比的数字量
12
12.2.1 逐次逼近型A/D转换器基本组成和工作原理
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15克，每个重量分别为8、4、 2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步 骤来秤量：
UO=8/16（ 1· 23+ 0·22 + 0·21 + 0·20 ）=4V 4）UO < UX ，置数控制逻辑电路使d3=1保留；
d3 d2 d1 d0=1000
16
5）将d2置“1”；即d3 d2 d1 d0=1100 ； 6）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1100转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1· 23+ 1·22 + 0·21 + 0·20 ）=6V 7）UO > UX ，置数控制逻辑电路使d2=1去掉，使d2=0 ；
21
ALE
地址锁存信号输入端 高电平有效
8选1模拟选择器的地址选择输入端
管 脚 功 能
IN3 IN4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
IN5 IN6
IN7
28 27 26 25 24
IN2 IN1
选中通道与 地址码关系
选中 通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 地址码 C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
UX=5.52V
ADC
d3 d2 d1 d0=1011
转换误差=0.02V，输出位数越多，误差越小
18
12.2.2 A/D转换器 的主要技术指标
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 2、相对精度： 实际转换值和理想特性之间的最大偏差 3、转换速度： 完成一次A/D转换所需要的时间。即从它接到 转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出 所需要的时间 4、其它：电源抑制、功率、电压范围等。
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D/A变换器的基本思想。
3
12.1.1 D/A转换器的组成和工作原理
1、D/A转换器组成 倒梯形电阻网络DAC
RF d2 d3 IO1
1 IO S3 2R R
IR 3´
+UR
0´
1´
2´
R R =d3· I3+ d2· I2+ d1· I1+ IO1 d0· I0
R
R
6
RF d0
d1
d2
d3 IO1
0 1
S0
2R 2R R
0
S1
2R
1
I 0 1 0 1Owk.baidu.com
2R
+ I3
A+
uo
I0
R
I1
S2
2R
S3
I2
R
IR
+UR
I3+ d2· I2+ d1· I1+ d0· I0 IO1=d3·
17
11）将d0置“1”；即d3 d2 d1 d0=1011；
12）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1011转换为模拟量UO； UO=8/16（ 1· 23+ 0·22 + 1·21 + 1·20 ）=5.5V 10）UO < UX ，置数控制逻辑电路使d0=1保留；
d3 d2 d1 d0=1011
若为n位二进制数，则
UR RF UO1 = 2n R （dn-1· 2n-1+ dn-2·2n-2 + ···+ d0·20） 若RF=R，则 UO1 =
UR n-1+ d · n-2 + · 0） （ d · 2 2 · · + d · 2 n-1 n-2 0 2n
即输出电压的大小正比于输入二进制数 的大小，实现了数字量和模拟量的转换
DAC
电压比 较器
顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器 数摸转换器
产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲
由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下， 由高到低依次将各位置“1”，再根据比较器的 输出决定该“1”的取舍。 将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟 电压量 将DAC输出的模拟电压量与待转换的模 拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器 14 中该位的取舍
8
集成DAC
集成DAC的种类：
按电路结构分：
权电阻DAC、梯形DAC 、倒T形DAC等
按输入二进制数位数分：
八位、十位 、十二位、十六位等 例：AD7520： 十位倒T形电阻网络DAC
9
特点：
运算放大器外接
14 正电源端
管脚排列及外接电路：
d4 d3
d2 d1 d0
+UDD
UR
3
4 1
接地端
9
10 11 12 13
电路：
模拟电子开关
待转换数字量 d0 d1
运放
+
A
+
uo
0
S0 2R 2R
1
0
S1 2R
1
0
S2 2R
1
0
R
R
IR
+UR 基准电压源
4
倒梯形电阻网络
2. D/A转换器的原理
d0 d1 d2 d3 IO1
RF
0 1
S0 2R 2R
0
S1 2R
1
I 0 1 0 1O
S2 2R 2R S3
+
A+
19
集成ADC A/D变换组件也有多种型号可供选择， 使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0809 为例 ，介绍集成电路A/D变换器。 ADC0809 是八通道八位逐次逼近型模数 转换器。 ADC0809 是28脚双列直插式模数转换器
20
结构框图
外部时钟脉冲输入端
CLOCK
转换结束信号端 高电平有效
Uo
例：四位逐次逼近DAC 已知：UX=5.52V DAC的UR=8V Ux
+

D/A转换器
dn-1
d1 d0
A
+
试分析转换过程。
逐次逼近寄存器 置数控制逻辑电路
数 字 量 输 出
1）清零： d3 d2 d1 d0=0000
2）将最高位置“1”；即d3 d2 d1 d0=1000 ；
3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1000转换为模拟量UO；