第10章 模拟量和数字量的转换..

即：uo uo0 d 0 uo1 d1 uo2 d 2 uo3 d 3
假设有N位T型网络电阻D/A，则相应的输出为：
U REF 3 4 (2 d3 22 d 2 21 d1 20 d0 ) 2
U REF n 1 uo n d i 2i 2 i 0 显然，输出的模拟电压与输入数字量成正比，实 现了数字量与模拟量的转换。
图10.8 S0单独接电源的等效电路
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由于当Si开关接电源表示“1”，接地表示“0”， 也就是 di=“1” 或“0”，当所有开关接“1”或“ 0”时， 根据叠加原理，D/A的输出电压可以表示：
u o u o0 S0的开关状态 u o1 S1的开关状态 u o 2 S 2的开关状态 u o3 S3的开关状态
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REF（+）——基准电压正极，为5V。 REF（）——基准电压负极，为0V。 D0～D7——8位数字输出端。 CLOCK——时钟信号输入端，时钟频率不应高于 100kHz。 ENABLE——输出允许端，它控制ADC内部三态输出 缓冲器。当其为 0 时，输出为高阻态，当其为 1时，允 许缓冲器中的数据输出。
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图10.4 逐次逼近比较式A/D转换原理框图
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10.1.1.3 集成ADC0809简介 ADC0809是一种采用CMOS工艺制成的8路模拟输 入的8位逐次逼近型ADC，它由单一+5V供电，片内带 有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0～5V的输入模拟 电压分时进行转换，完成一次转换约需100s，其原理 框图如图10.5所示。
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图10.5 ADC0809的原理框图
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ADC0809的符号图如 10.6所示，各端子的功能如下： IN-0~IN-7——8路模拟量输入端。 ADD-C，ADD-B，ADD-A——地址线，ADD-C 为 最高位，根据其值选择一路输入信号进行A/D转换。 ALE——地址锁存允许信号输入端，高电平有效。 START——A/D 转换启动信号输入端，当其为高电 平时，开始转换。 EOC——转换结束信号输出端，开始转换时为低电 平，转换结束时为高电平。
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10.1 A/D转换器
10.1.1 逐次逼近型A/D转换器
A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10 位、12位和 16 位等。位数越高，其分辨率就越高，和 D/A转换器一样，其型号很多，在精度、速度和价格上 也千差万别。就A/D转换器的变换原理可分为两大类： 逐次逼近型和双积分型，这里介绍逐次逼近型A/D。
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2．线性误差 线性误差是指实际的输出特性曲线偏离理想直线 的最大偏移值。 3．转换精度 A/D 转换器的精度可用绝对精度和相对精度来描 述。绝对精度是指转换器在其整个工作区间理想值与 实际值之间的最大偏差。它包括量化误差、偏移误差 和线性误差等所有误差。相对误差是指绝对误差与满 刻度值之比，一般用百分数（%）表示。 4．转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时 间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定 的数字输出信号所经过的时间。这是一项重要的技术 指标。产品手册一般给出转换速度。一般情况下，转 换速度越高，价格越贵，在应用时应根据实际需要和 价格来选择器件。 返回
1. 采样和保持 所谓采样，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数字量。模拟信号的采样过程如 图 10.2 （ a）、（b）所示，其中 ui（t）为输入模拟信号， uo（t）为输出模拟信号。它相当于每隔时间 T 采样开关 闭合 时间，一般T远远大于 ，若 ≈0，称为理想采样。 采样的宽度往往是很窄的，而每次把采样电压转换 为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次采样以 后，必须把采样电压保持一段时间以保证采样过程的实 施。通常将需要的采样结果存储起来，直到下次采样到 来，这个过程称做保持。保持信号波形us(t)如图10.2（c） 所示。
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例如把0～+1V的模拟电压转 换成 3 位二进制代码，则最简单 的方法是取=1/8V，并规定凡数 值在 0 ～ 1/8V 之间的模拟电压量 化时都当做0·，用二进制数000 表示；凡数值在 1/8 ～ 2/8V 之间 的模拟电压都当做 1· 对待，用 二进制001表示，依次类推， 7/8 ～ 1V 之间的模拟电压则当做 7· ，如图10.3所示。不难看出， 这种量化方法可能带来的最大量 化误差可达 ，即 1/8V。这样， 采样的模拟电压经过量化编码电 路后就转换成一组 n 位的二进制 数输出，这个二进制数就是 A/D 转换的输出结果。
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图10.9 DAC0832原理框图
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（1）引线端子功能。 DAC0832的符号如图10.10所示，各端子的功能如下： DI0~DI7——8位数字输入端。 CS ——片选端，输入寄存器选通信号，低电平有效。 WR1 —— 写选通端，输入寄存器写信号，低电平有效。 ILE——允许锁存端，输入寄存器锁存信号，高电平有 效。 ILE与 CS 和 WR1 共同控制输入寄存器选通，当 CS =0， ILE=1时， WR1 才能将数据线上的数据写入寄存器中，否则 寄存器锁存数据。 X fer —— 数 据 传送控制端 ，低电平有效 ，控制选通 DAC寄存器。
U REF uo n (d n1 2n1 d n2 2n2 d1 21 d0 20 ) 2
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3. 集成DAC0832简介 DAC0832 是用 CMOS 工艺制成的双列直插式 8 位 DAC 芯片，可直接与 8080 、 8084 、 8085 及其他微处理 器接口。它有两级缓冲寄存器（简称缓存），能方便 地应用于多个 DAC 同时工作的场合，其原理框图如图 10.9所示。
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图10.7 4位T型电阻网络DAC
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2．工作原理 当S0单独接电源+UREF时，即：d0=1，d1=0，d2=0， d3=0，根据电路的特点，可以得到相应的等效电路如图 10.8所示。 根据电路中每个节点向右看进去的等效电阻为 2R， 具有均分电流的作用，同时，由虚地概念，从等 U REF 1 U REF I IF 4 效电路可以看出， 0 ，这样可以得到， 3R 2 3R
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10.2.1 T型电阻网络D/A转换器
1．电路组成 图10.7所示的是4位T型电阻网络DAC，它是由2R 和R两种规格的电阻组成，故常称为R-2R T型电阻网 络D/A转换器。它的特点是，网络中任何一个节点（A, B, C, D）向左、向右、向下看进去的等效电阻都为2R （注意N点为虚地）。S0,S1,S2,S3是4个模拟开关，用于 表示数字信号 d0,d1,d2,d3情况，当开关接到电源上，表 示对应的数字信号di 为“1”；当开关接地，表示对应 的数字信号di为“0”。
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显然，其工作过程可与天平称重物类比，并得到 解释。图中的电压比较器相当于天平，被测模拟电压 输入 ui 相当于重物，基准电压 Vref 相当于电压砝码，且 电压砝码具有按 8421 编码递进的各种规格。根据 ui ＜ Vref或ui＞Vref，比较器有不同的高低电平输出，从而输 出由大到小的基准电压砝码，与被测模拟输入电压ui比 较，并逐次减小其差值，使之逼近平衡。当ui=Vref，比 较器输出为零，相当于天平平衡，最后以数字显示的 平衡值即为被测电压值。
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10.1.1.1 A/D转换器的基本原理 A/D 转换器要实现将连续变化的模拟量变为离散 的数字量，通常要经过4个步骤：采样、保持、量化和 编码，如图10.1所示。一般前两步由采样保持电路完成， 量化和编码由A/D完成。
图10.1 A/D转换原理框图
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图10.2 信号的采样和保持过程 （a）原始信号；（b）采样信号；（c）保持信号
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2. 量化和编码 所谓量化，就是把采样电压转化为某个最小单位 电压 的整数倍的过程。分成的等级叫做量化级， 称为量化单位。所谓编码，就是用二进制代码来表示 量化后的量化电平。显然，数字信号最低有效位 （ LSB）的 1 所代表的数量大小就等于 。采样后的数 值不可能刚好是某个量化基准值，总有些偏差，这个 偏差称为量化误差。显然，量化级越细，量化误差就 越小，但所用的二进制代码的位数就越多。同时，采 用不同的量化等级进行量化时，可能产生不同的量化 误差。
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内容提要
模拟量和数字量的转换
本章讨论数 / 模和模 / 数转换的基本原理以及几种 常用的典型转换电路，并就主要的应用和技术指标进 行介绍。
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10.1 模/数转换器
10.2 数/模转换器
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由传感器、放大电路输出的信号是连续变化的模拟 信号，它们不能直接送入数字系统进行处理，为此，需 要把模拟信号转换为数字信号，这个过程称为模、数转 换，实现模、数转换的电路称为模 / 数转换器，简称为 A/D转换器，即ADC （ Analog Digital Converrter ）。有 时还需要把处理后的数字信号再转换成模拟信号。把数 字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换，实现数模 转换的电路称为数 / 模转换器，简称为 D/A 转换器，即 DAC（Digital Analog Converrter）。
U REF 1 U REF 从而有 u o 2 4 3R 3R 2 4
。
同理可以得到，当 S1,S2,S3 分别单独接电源 + UREF 时， DAC的相应输出为： U REF uo1 3 ，uo2 U REF ，uo3 U REF 2 21 22
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图10.6 ADC0809符号图
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10.1.2 主要技术指标
1. 分辨率与量化误差 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示， 位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟 电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的 最小模拟电压为5V×2-8＝20mV；而输出12位二进制数 可以分辨的最小模拟电压为5V×2-12≈1.22mV。 量化误差则是由于 A/D 转换器分辨率有限而引起的 误差，其大小通常规定为±（ 1/2 ） LSB。该量反映了 A/D转换器所能辨认的最小输入量，因而量化误差与分 辨率是统一的，提高分辨率可减小量化误差。LSB是指 最低一位数字量变化所带来的幅度变化。
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10.2 D/A转换器
D/A 转换器的功能是将数字信号转换为模拟信号 （电压或电流信号）。D/A转换器种类很多，按工作原 理可分为 T 型电阻网络 D/A 转换器和权电阻网络 D/A 转 换器；按工作方式可分为电压相加型D/A转换器及电流 相加型 D/A 转换器；按输出电压极性又可分为单极性 D/A转换器和双极性D/A转换器。 虽然D/A转换器的芯片和种类很多，但根据工作原 理，其总体结构基本相同。在这里通过介绍常用的T型 电阻网络D/A转换器来说明DAC的基本工作原理。
图10.3 量化电平及量化误差
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10.1.1.2 逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近比较式A/D转换器可以用图10.4所示的原 理框图来描述。其基本工作原理叙述为：转换开始前 先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先 将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数 码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器 中与ui进行比较。若ui＜uo，说明数字过大了，故将最 高位的 1 清除；若 ui ＞uo ，说明数字还不够大，应将这 一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并 且经过比较确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下 去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状 态就是所要求的数字量输出。