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电子技术. 数字电路部分. 第七章 数 / 模与模 / 数变换器. 第七章 数 / 模与模 / 数变换器. §7.1 概述. §7.2 D/A 变换器. §7.3 A/D 变换器. §7.1 概述. 数 / 模与模 / 数变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。. 能将数字量转换为模拟量的装置称为数 / 模变换器 ( 简称 D/A 变换器 ); 能将模拟量转换为数字量的装置称为模 / 数变换器 ( 简称 A/D 变换器 ) 。. 下面,对这两个器件的工作原理及 其简单应用做一些介绍。.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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5250759

电子技术

数字电路部分

第七章

数/模与模/数变换器


5250759

第七章 数/模与模/数变换器

§7.1 概述

§7.2 D/A 变换器

§7.3 A/D 变换器


5250759
§7.1 概述

数/模与模/数变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。

能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器( 简称D/A变换器); 能将模拟量转换为数字量的装置称为模/数变换器( 简称A/D变换器)。

下面,对这两个器件的工作原理及 其简单应用做一些介绍。


7 2 d a
§7.2 D/A 变换器

由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”,因此为了将数字量转换成模拟量,就必须将每一位代码按其“权重”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。

D/A变换器的电路形式很多,这里只介绍两种。


5250759

UR

R1

R2

R0

R3

5 k

RF

R/2

R/8

R/4

R

S1

S0

S2

S3

0

1

0

1

0

1

0

1

-

uo

A

+

+

D3

D1

D2

D0

R = 80k

7.2.1 权电阻D/A变换器

这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。


5250759

UR

R1

R2

R0

R3

5k

RF

R/2

R/8

R/4

R

S1

S0

S2

S3

0

1

0

1

-

uo

A

+

+

D3

D1

D2

D0

R = 80k

电子模拟开关( S0-S3)由电子器件构成,其动作受二进制数D0-D3控制。当 DK=1 时,则相应的开关SK接到位置1上,将基准电源UR经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点(如图中S0、S1);当Dk=0 时,开关Sk 接到位置0 ,将相应电流直接接地而不进运放(如图中S2、S3)。


5250759

S

T2

T1

a

D

电子模拟开关的

简化原理电路

当 D = 1 时,T2管饱和导通,T1管截止,则 S 与 a 点通 ;

当 D = 0 时,T1管饱和导通,T2管截止,则 S 被接地 。

前者相当于开关S 接到 “ 1 ” 端 ,后者则 相当于开关S 接到“ 0”端 。


5250759

UR

R1

R2

R0

R3

5k

RF

R/2

R/8

R/4

R

S1

S0

S2

S3

0

1

0

1

-

uo

A

+

+

D3

D1

D2

D0

UR

RF

Uo= -

D1

21

20

D0

D2

22

23

D3

R

R = 80k

根据反相比例运算公式可得:

显然,输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比,从而实现了数字量 到模拟量的转换 。


5250759

D

B

A

C

R

R

R

UR

R2

R0

R3

R1

RF

2R

2R

2R

2R

2R

S0

S1

S2

S3

0

0

1

1

-

uo

A

+

+

D3

D0

D2

D1

I

I2

I1

I3

I0

7.2.2 T形解码网络D/A变换器( 以4位为例 )

和权电阻网络相比,T形解码网络中电阻的类型少,

只有R、2R两种,电路构成比较方便。

由于解码网络的电路结构和参数匹配,使得上图中D、C、B、A四点的电位逐位减半.


5250759

D

B

A

C

R

R

R

UR

R2

R0

R3

R1

RF

2R

2R

2R

2R

2R

S0

S1

S2

S3

0

0

1

1

-

uo

A

+

+

D3

D0

D2

D1

即:

UD = UR

I

UC = UR/2

I3

I2

I1

I0

UB = UR/4

UA = UR/8

因此,每个 2R支路中的电流也逐位减半。


5250759

D

B

A

C

R

R

R

UR

R2

R0

R3

R1

RF

2R

2R

2R

2R

2R

S0

S1

S2

S3

0

0

1

1

-

uo

A

+

+

D3

D0

D2

D1

UR

UR

UR

UR

+

+

+

=

D1

D3

D0

D2

2R

4R

8R

16R

I

I3

I1

I2

I0

( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )

=

UR

URRF

uo

16R

-

( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )

=

16R

I = I3 + I2 + I1 + I0


5250759

7.2.3 D/A变换器的主要技术指标

一、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。

二、线性度

通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线性度。把偏离理想的输入-输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。

三、输出电压( 电流 )的建立时间


5250759

7.2.4 集成电路D/A变换器 DAC 0832及其应用

D/A变换器集成电路有多种型号。下面仅以DAC0832为例来介绍集成电路D/A变换器。

它是八位的D/A变换器,即在对其输入八位数字量后,通过外接的运算放大器,可以获得相应的模拟电压值。

下图是它的内部简化电路框图 和管脚图:


5250759

VCC

UR

D7

八位

八位

.

八位

Rfb

.

.

输入

输入

.

Iout1

A/D

.

寄存器

寄存器

.

变换器

uo

Iout2

(1)

(2)

D0

AGND

ILE

DGND

CS

1

&

1

XFER

WR2

WR1

DAC 0832 简化电路框图


5250759

CS:片选端

WR2

1

UCC

20

WR1

、WR2:写入端

2

ILE

19

AGND

3

18

D7--D0:数据输入端

CS

4

D3

XFER:转移控制端

17

WR1

D2

D4

5

16

XFER

6

D1

D5

15

ILE:所存使能端

7

D0

D6

14

Iout2

:电流输出端

8

UR

D7

13

Iout1

Iout2

9

Rf b

12

Iout1

10

11

DGND

UR:参考电压端

Rf b:内部反馈电

阻输出端

DAC 0832 管脚图


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控 制 条 件

说 明

功 能

XFER

WR1

WR2

ILE

WR2

WR1

WR2

WR1

CS

= 1时锁定

= 0时存入数据

= 0时存入数据

= 1时锁定

数据D7-D0输入到寄存器1

0

1

数据由寄存器1转送寄存器2

0

从输出端取

模拟量

无控制信号,

随时可取

DAC0832 功 能 表


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D7

Rfb

Iout1

WR1

.

-

.

+

.

+

CS

WR2

ILE

XFER

Iout2

D0

(a)

WR1

CS

1

D7~ D0

数据存入

数据 锁定

( b)

例1. 单步输入操作 ----- 适用于单个DAC工作


5250759

2. 两步输入操作 ----适用于多个DAC工作

具体的电路连线图,请见杨福生主编的电子技术教材P.477页。请自行分析。


7 3 a d
§7.3 A/D 变换器

A/D变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。根据其性能不同,类型也比较多。下面介绍两种A/D变换电路和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。


5250759

ux

E

R

G

-

-

-

-

-

-

-

7E/8

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

R

F

6E/8

R

D2

E

5E/8

R

D

4E/8

D1

R

C

3E/8

D0

R

B

2E/8

数字输出

R

A

E/8

R

7.3.1 并联比较型

电路由三部分组成: 分压器、比较器和编码器。

这种A/D 变换器的优点是转换速度快,缺点 是所需比较器数目多,位数越多矛盾越突出。


5250759

编码器输出

比较器输入

输入电压

ux

G

D0

C

E

D1

B

D

F

A

D2

E > ux> 7E / 8

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

7E / 8 > ux> 6E / 8

1

1

1

0

1

1

1

0

1

1

6E / 8 > ux > 5E / 8

1

1

0

1

1

1

0

1

1

0

5E / 8 > ux> 4E / 8

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

4E / 8 > ux> 3E / 8

1

1

0

1

1

0

0

1

0

0

3E / 8 > ux> 2E / 8

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

2E / 8 > ux> 1E / 8

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1E / 8 > ux> 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

逻辑状态关系表


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砝码重

暂时结果

第一次

8 克

砝码总重 < 待测重量Wx,故保留

8 克

结 论

第二次

砝码总重仍 <待测重量Wx,故保留

加4克

12 克

加2克

第三次

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

7.3.2 逐次逼近型

其工作原理可用天平秤重作比喻。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:


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uc

ux

(待转换的模拟电压)

uo

D / A

清 0、置数

1

0

数码寄存器

0

0

“1”状态是否保留

控制端

清 0、置数

0

1

0

移位寄存器

0

CP、(移位命令)

原理框图

时钟


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7.3.3 A/D 变换器的主要技术指标

一、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。

二、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。

三、相对精度:实际转换值和理想特性之间的最大偏差。

四、其它:功率。电源电压、电压范围等。


5250759

7.3.4 集成电路A/D转换器 ADC0804 及其应用

A/D变换组件有多种型号可供选择,如:高速的,高分辨率的,高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0804 为例 ,介绍集成电路A/D变换器。

ADC0804 的 分辨率为八位,工作原理为逐次逼近型。


5250759

U in(+)

+

U in(-)

+

-

Ucc

电阻网络

UR/2

及电子开关

AGND

-

+

D7

WR

.

+

.

.

1

控制

.

.

数据寄存器

.

CS

逻辑

D0

移位寄存器

INTR

CP

RD

CLKR

1

ADC0804 内部电路框图

时 钟

CLKin

CS

DGND


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CS:片选端

:写入端

WR

CS

WR

Uin(+)

:电压输入端

Uin(-)

INTR:中断请求端

RD :读出端

1

UCC

20

2

CLKR

RD

19

D0

3

18

CLKin

4

D1

17

D7--D0:数据输出端

D2

5

16

INTR

U in(+)

6

D3

15

CLKin:外接时钟端

U in(-)

7

D4

14

8

D5

13

AGND

UR/2

9

12

D6

10

11

D7

DGND

UR/2:参考电压端

ADC 0804 管脚分布图

CLKR:内部产生

时钟端


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控 制 端

CS

WR

INTR

RD

对输入模拟信号进行A/D变换

在WR上升沿后约 100微秒 变换完成。

0

RD =0 时三态门接通外部总线 , RD =1 时三态门处于高阻态。

读出输出数字信号

0

当A/D变换结束时,INTR自动 变低以便通知其它设备(如计算机) 取结果,在RD前沿后INTR自动变高。

中断请求


5250759

~

~

CS

~

~

WR

转换时间约 100 微秒

~

~

INTR

~

~

~

~

~

~

RD

数据读出

ADC0804 工作时序图


5250759

A/D应用举例

请自学杨福生教材P484---486。


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