第七章 数模和模数转换电路

第七章数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路教学目的：1．掌握权电阻D/A转换器和逐次逼近型A/D转换器的工作原理、特点，输入与输出之间的关系2．了解影响精度及速度的因素3．了解D/A转换器典型芯DAC0832的特点及应用。

4. 了解A/D转换器典型芯ADC0809的特点及应用教学重点：倒T型电阻网络D/A转换器的工作原理； A/D转换的一般步骤；逐次逼近型A/D转换器的工作原理。

教学难点：D/A转换器的工作原理；A/D转换器内部电路结构、工作原理教学方法：教学过程采用理论讲解方式。

学时分配：4学时教学内容：D/A转换器及A/D转换器的种类很多，本章介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T 型电阻网络D/A转换器等几种类型；逐次逼近型A/D转换器，双积分型A/D转换器。

并介绍了D/A转换器和A/D转换器的技术指标及应用。

第一节数/模转换器DAC一、数/模转换器的基本概念把数字信号转换为模拟信号称为数－模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换，实现D/A转换的电路称为D/A转换器，或写为DAC（Digital –Analog Converter）。

随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。

但是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。

数－模转换是数字电子技术中非常重要的组成部分。

把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；。

实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或写为ADC（Analog–Digital Converter）；。

D/A 及A/D转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。

D/A转换器及A/D转换器的种类很多，这里主要介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T型电阻网络D/A转换器。

权电流型D/A 转换器及权电容网络D/A 转换器等几种类型；A/D 转换器一般有直接A/D 转换器和间接A/D 转换器两大类。

二、 权电阻网络D/A 转换器1.工作原理权电阻网络D/A 转换器的基本原理图如图7.1所示。

这是一个四位权电阻网络D/A 转换器。

它由权电阻网络电子模拟开关和放大器组成。

该电阻网络的电阻值是按四位二进制数的位权大小来取值的，低位最高（23R ），高位最低（20R ），从低位到高位依次减半。

S 0、S 1、S 2和S 3为四个电子模拟开关，其状态分别受输入代码D 0、D 1、D 2和D 3四个数字信号控制。

输入代码D i 为1时开关S i 连到1端，连接到参考电压V REF 上，此时有一支路电流I i 流向放大器的A 节点。

D i 为0时开关S i 连到0端直接接地，节点A 处无电流流入。

运算放大器为一反馈求和放大器，此处我们将它近似看作是理想运放。

因此我们可得到流入节点A 的总电流为：()()()1.82222221212121001122333302112033210D D D D RV V D R D R D R D R I I I I I i REF REFi+++=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++==+++=∑∑ （7.1）可得结论：i ∑与输入的二进制数成正比，故而此网络可以实现从数字量到模拟量的转换。

另一方面，对通过运放的输出电压，我们有同样的结论： 运放输出为u o =－i ∑R F （7.2）将（7.1）式代入，得()()()3.82222222222120011223340011223330D D D D V D D D D R R V u R E F R E F +++-=+++⋅-= （7.3）将上述结论推广到n 位权电阻网络D/A 转换器，输出电压的公式可写成：()()4.822222001122110D D D D V u n n n n nREF ++++-=---- （7.4）权电阻网络D/A 转换器的优点是电路简单，电阻使用量少，转换原理容易掌握；缺点是所用电阻依次相差一半，当需要转换的位数越多，电阻差别就越大，在集成制造工艺上就越难以实现。

为了克服这个缺点，通常采用T 型或倒T 型电阻网络D/A 转换器。

四、 D/A 转换器的主要技术指标 1、分辨率分辨率是说明D/A 转换器输出最小电压的能力。

它是指D/A 转换器模拟输出所产生的最小输出电压U LSB （对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压U FSR （对应的输入数字式中, n 表示输入数字量的位数。

可见，分辨率与D/A 转换器的位数有关，位数n 越大，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，即分辨最小输出电压的能力也就越强。

例如：n=8时, D/A 转换器的分辨率为而当n=10时, D/A 转换器的分辨率为很显然，10位D/A 转换器的分辨率比8位D/A 转换器的分辨率高得多。

但在实践中我们应该记住，分辨率是一个设计参数，不是测试参数。

2、转换精度转换精度是指D/A 转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模拟电压值之间的最大误差。

显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。

但转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，不仅与D/A 转换器中的元件参数的精度有关，而且还与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。

故而要获得较高精度的D/A 转换结果，一定要正确选用合适的D/A 转换器的位数，同时还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。

一般情况下要求D/A 转换器的误差小于2/LSB U 。

3、转换时间转换时间是指D/A 转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。

即转换器的输入变化为满度值（输入由全0变为全1或由全1变为全0）时，其输出达到稳定值所需的时间为转换时间也称建立时间。

转换时间越小，工作速度就越高。

(三) 常用集成DAC 转换器简介DAC0830系列包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，是CMOS 工艺实现的8位乘法D/A 转换器，可直接与其它微处理器接口。

该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个D/A 转换器同时工作的场合。

数据输入能以双缓冲、单缓冲或直接通过三种方式工作。

0830系列各电路的原理、结构及功能都基本相同，参数指标略有不同。

现在以使用最多的DAC0832为例进行说明。

DAC0832是用CMOS 工艺制成的20只脚双列直插式单片八位D/A 转换器。

它由八位输入寄存器、八位DAC 寄存器和八位D/A 转换器三大部分组成。

它有两个分别控制的数据寄存器，可以实现两次缓冲，所以使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。

DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下： 1.引脚功能DAC0832的逻辑功能框图和引脚图如图7.2所示。

各引脚的功能说明如下：图 7.2 DAC0832的逻辑功能框图和引脚图CS ：片选信号，输入低电平有效。

ILE ：输入锁存允许信号，输入高电平有效。

1WR ：输入寄存器写信号，输入低电平有效。

2WR ：DAC 寄存器写信号，输入低电平有效。

XFER ：数据传送控制信号，输入低电平有效。

D I0～D I7：8位数据输入端，D I0为最低位，D I7为最高位。

I OUT1 ：DAC 电流输出1。

此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号（通常接反相端）。

I OUT2 ：DAC 电流输出2，I OUT1 + I OUT2 = 常数。

R FB ：反馈电阻。

V ref ：参考电压输入，可在+10V ～－10V 之间选择。

V CC ：数字部分的电源输入端，可在+5V ～+15V 范围内选取，+15V 时为最佳工作状态。

AGND ：模拟地。

refout2out1FB CCDGND ：数字地。

2.工作方式 (1)双缓冲方式D AC0832包含输入寄存器和DAC 寄存器两个数字寄存器，因此称为双缓冲。

即数据在进入倒T 型电阻网络之前，必须经过两个独立控制的寄存器。

这对使用者是非常有利的：首先，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 。

(2)单缓冲与直通方式。

在不需要双缓冲的场合，为了提高数据通过率，可采用这两种方式。

例如，当,02===XRER WR CS ILE=1时,这时的DAC 寄存器就处于“透明”状态，即直通工作方式。

当11=WR 时，数据锁存，模拟输出不变,当01=WR 时，模拟输出更新。

这被称为单缓冲工作方式。

又假如1,012=====ILE WR XREF WR CS ，此时两个寄存器都处于直通状态，模拟输出能够快速反应输入数码的变化。

DAC0832的双缓冲器型、单缓冲器型和直通型工作方式如图8.3所示。

(a) 双缓冲器型 (b) 单缓冲器型(c) 直通型图 7.3 DAC0832的三种工作方式D D Ñ¡Í Ñ¡ÍDD D Ñ¡ÍÑ¡ÍDD D D第二节模/数转换器(ADC)一、ADC基本概念模数转换是将模拟信号转换为相应的数字信号，把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；。

实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或写为ADC（Analog–Digital Converter）；实际应用中用到大量的连续变化的物理量，如温度、流量、压力、图像、文字等信号，需要经过传感器变成电信号，但这些电信号是模拟量，它必须变成数字量才能在数字系统中进行加工、处理。

因此，模－数转换是数字电子技术中非常重要的组成部分，在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。

A/D转换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路，A/D转换器在进行转换期间，要求输入的模拟电压保持不变，但在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号进行采样，然后再把这些采样值转化为输出的数字量，一般来说，转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤。

A/D转换的一般步骤如下：(一)采样和保持采样（又称抽样或取样）是对模拟信号进行周期性地获取样值的过程，即将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的模拟信号，即转换为一系列等间隔的脉冲。

其采样原理如图7.4所示。

图中, u i为模拟输入信号，u s为采样脉冲，u o为取样后的输出信号。

采样电路实质上是一个受采样脉冲控制的电子开关，其工作波形如图7.4（b）所示。