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第十五章 数 / 模与模 / 数转换电路

第十五章 数 / 模与模 / 数转换电路. §15.1 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是十分必要的。. §15.2 D/A 变换器.

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第十五章 数 / 模与模 / 数转换电路

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  1. 第十五章数/模与模/数转换电路

  2. §15.1 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是十分必要的。

  3. §15.2 D/A 变换器 由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，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”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。

  4. UR R1 R2 R0 R3 5 k RF R/2 R/8 R/4 R S1 S0 S2 S3 0 1 0 1 - uo A + + D3 D1 D2 D0 R = 80 k 15.2.1 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。

  5. UR R1 R2 R0 R3 5 k RF R/2 R/8 R/4 R S1 S0 S2 S3 0 1 0 1 - uo A + + D3 D1 D2 D0 R = 80 k 电子模拟开关( S0 ~S3 ) 是受二进制数D0 ~ D3 控制并由电子器件构成的开关。当 DK＝1时，则开关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；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。

  6. S T2 T1 a D 模拟电子开关的 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 。

  7. UR R1 R2 R0 R3 5 k 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 = 80 k 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 。

  8. R R R UR D B A C R2 R0 R3 R1 RF 2R 2R 2R 2R 2R S0 S1 S2 S3 0 1 0 1 - uo A + + D3 D1 D2 D0 I I3 I2 I1 I0 15.2.2 T形解码网络D/A变换器( 以4位为例 ) 下面分析输入数字量和输出模拟电压 uo 之间的关系: 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，

  9. R R R UR D B A C R2 R0 R3 R1 RF 2R 2R 2R 2R 2R S0 S1 S2 S3 0 1 0 1 - uo A + + D3 D1 D2 D0 I I3 I2 I1 I0 即： UD = US 因此，每个 2R支路中的电流也逐位减半。 Uc = US / 2 UB = US /4 UA = US /8

  10. R R R UR D B A C R2 R0 R3 R1 RF 2R 2R 2R 2R 2R S0 S1 S2 S3 0 1 0 1 - uo A + + D3 D1 D2 D0 US US US US + + + = D1 D3 D0 D2 2R 4R 8R 16R I I1 I0 I2 I3 ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) = US US RF uo 16R - ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) = 16R I = I3 + I2 + I1 + I0

  11. 15.2.3 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

  12. 15.2.4 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：

  13. 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 ADC 0832 简化电路框图

  14. WR2 1 UCC 20 2 LCE 19 AGND 3 18 CS 4 D3 17 WR1 D2 D4 5 16 XFER 6 D1 D5 15 7 D0 D6 14 8 UR D7 13 Iout1 9 Rfb 12 Iout2 10 11 DGND ADC 0832 管脚分布图

  15. 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

  16. 例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教材P.477页。

  17. §15.3 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变换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。

  18. ux Us R G - - - - - - - 7E/8 + + + + + + + + + + + + + + R F 6E/8 编 R D2 E 5E/8 R D 码 4E/8 D1 R C 3E/8 器 D0 R B 2E/8 数字输出 R A E/8 R 15.3.1 并联比较型 电路如左图所示。它由三部分组成: 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。

  19. 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

  20. 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 15.3.2 逐次逼近型 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：

  21. uc ux (待转换的模拟电压) － ＋ ＋ uo A / D 清 0、置数 控 1 0 数码寄存器 0 0 “1”状态是否保留 制 控制端 逻 清 0、置数 0 1 0 移位寄存器 0 辑 CP、(移位命令) 时钟

  22. 15.3.3 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。

  23. 15.3.4 集成电路A/D转换器 ADC0804 及其应用 A/D变换组件也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 是分辨率为八位的模数转换组件,采用逐次逼近型工作原理。

  24. U in(+) + + U in(-) - Ucc UR/2 电阻网络 - 及电子开关 AGND + D7 + 八 WR . 1 . 位 锁 . 三 控制 . 存 . 态 数据寄存器 . CS 输 器 逻辑 D0 出 移位寄存器 INTR CP RD 1 时 钟 CS DAC0804 内部电路框图

  25. 1 UCC 20 2 CLKR RD 19 D0 3 18 CS CLKin 4 D1 17 WR D2 5 16 INTR U in(+) 6 D3 15 U in(-) 7 D4 14 8 D5 13 AGND UR/2 9 12 D6 10 11 D7 DGND DAC 0804 管脚分布图

  26. ~ ~ CS ~ ~ WR 转换时间约 100 微秒 ~ ~ INTR ~ ~ ~ ~ ~ ~ RD 数据读出 ADC0804 工作时序图

  27. 控 制 端 功 能 说 明 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

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