第8章 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換

第7章模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換本章要點本章將介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理和及其電路。先討論模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理，并重點講述了典型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的基本原理、引腳結(jié)構(gòu)、典型應(yīng)用電路；其后介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理，重點講解倒T型權(quán)阻網(wǎng)絡(luò)的基本原理，介紹典型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的基本原理、芯片結(jié)構(gòu)、典型應(yīng)用電路；最后以ADC0809和DAC0832為核心芯片，介紹了數(shù)字錄音機的構(gòu)成。倒T型數(shù)模轉(zhuǎn)換器8.1概述A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，記為ADC（analogtodigitalconverter）。D/A轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，記為DAC（digitaltoanalogconverter）。典型的數(shù)字通信系統(tǒng)框圖典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖8.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將時間和幅值都連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間和幅值都是離散的數(shù)字信號的電路,一般指將電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程。要實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，一般需要經(jīng)過四個過程，即采樣、保持、量化和編碼。模數(shù)轉(zhuǎn)換的四個過程8.2.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理1.采樣：采樣是將時間上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號。模擬信號的采樣原始模擬信號采樣脈沖采樣信號為了保證采樣信號fs（t）能正確無誤的表示模擬信號f（t），采樣信號的頻率必須滿足采樣定理輸入的模擬信號的頻率的最大值注：在滿足采樣定理的條件下，可以用低通濾波器無失真的從采樣信號中的恢復(fù)出原模擬信號。由于對采樣信號的數(shù)字化處理需要時間，而采樣信號的頻率越高，留給數(shù)字化處理的時間越短，故樣信號需要保持一定時間，這個過程稱為保持。一般采樣和保持都在采樣保持器中一起完成。采樣保持電路2.量化：量化是將時間上離散，幅值上連續(xù)的采樣信號進行幅值離散處理（取整）的過程，即將采樣脈沖電平轉(zhuǎn)換為與之相近的離散數(shù)字電平的過程。把量化的數(shù)值用二進制代碼表示，稱為編碼。量化的兩種方法量化單位只舍不入，量化誤差為△有舍有入，量化誤差為△/2量化利用比較器完成，編碼用觸發(fā)器和編碼器完成8.2.2不同類型ADC的特點模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC。1.間接ADC先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用是雙積分型ADC。雙積分型ADC：先對輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓進行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內(nèi)，用計數(shù)器對標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖（CLK）計數(shù)，計數(shù)器輸出的計數(shù)結(jié)果就是對應(yīng)的數(shù)字量。特點：工作性能比較穩(wěn)定，且抗干擾能力強，其缺點是工作速度低。常用的集成芯片有CB7106CB71272.直接ADC直接ADC是將輸入模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型ADC和逐次逼近型ADC。并聯(lián)比較型ADC采用各量級同時并行比較，各位輸出碼同時并行產(chǎn)生，故轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位無關(guān)。其缺點是成本高、功耗大。n位輸出的ADC，需要2n個電阻、（2n－1）個比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場合。并聯(lián)比較型ADC逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC的比較電壓，是逐個產(chǎn)生的，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要（n+1）個節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時，它需用的元器件比并聯(lián)比較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。常用的集成芯片有ADC0804ADC08098.2.3集成ADC芯片ADC0809ADC0809由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次比較寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理n位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器包括控制邏輯電路、時序產(chǎn)生器、移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖將n位數(shù)字量從高位起逐次設(shè)置為“1”，并利用DAC產(chǎn)生參考電壓vDA，與輸入模擬信號vi做比較。若二者不相等，則調(diào)整DAC產(chǎn)生的參考電壓，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應(yīng)值。工作原理2.ADC0809引腳及使用說明ADC0809采樣頻率為8位，以CMOS集成工藝制成。單個＋5V電源供電，模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)，輸出電壓范圍為0～5V，轉(zhuǎn)換時間為100μs。功耗低，約為15mW。管腳圖各引腳功能如下①IN7～IN0：模擬量輸入通道，電壓范圍為0～5V。注意：輸入信號為單極性信號；若信號過小還需進行放大；如果變化太快，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路；

②ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。在對應(yīng)ALE上跳沿，ADDA、ADDB、ADDC地址狀態(tài)送入地址鎖存器中；③ADDA、ADDB、ADDC

：地址線，ADDA為低位，ADDC為高位，用于對輸入的模擬通道進行選擇，簡化為A、B、C。當(dāng)CBA=000時，選中輸入端上IN0的模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換；同理，當(dāng)CBA=001時，選中輸入端上IN1的電壓進行轉(zhuǎn)換；依次類推，當(dāng)CBA=001時，選中IN7輸入端上的電壓進行轉(zhuǎn)換；④START：轉(zhuǎn)換啟動信號。該脈沖由數(shù)字控制系統(tǒng)提供，寬度要大于100ns

；上升沿時，所有內(nèi)部寄存器清；START下降沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，應(yīng)保持低電平；

⑤D7~D0：數(shù)據(jù)輸出線。D7為最高位，D0為最低位。其為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連；

⑥OE：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)；OE=1時，使D7～D0引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

；

⑦EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。當(dāng)EOC=0時，正在進行轉(zhuǎn)換；當(dāng)EOC=1時，轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請求信號使用

；

⑧CLK：時鐘信號。用于為ADC0809提供逐次比較所需時鐘脈沖序列。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。最高頻率為650kHz，通常使用頻率為500kHz。時鐘頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，ADC0809每一通道的轉(zhuǎn)換約需66～73個時鐘周期，當(dāng)時鐘頻率取640KHz時，轉(zhuǎn)換一次約需100ns的時間，這是ADC0809所能允許的最短轉(zhuǎn)換時間

；

⑨

VCC：+5V電源

；

⑩

VGND：地

；

⑾VREF（+）、VREF（－）：參考電源。參考電源用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為VREF（+）=5V，VREF（－）=0V。

ADC0809的典型時序ADC0809的典型時序圖最小啟動脈寬，典型值200ns。寄存器清零地址設(shè)置時間，典型值100ns轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換結(jié)束時間ADC0809的工作過程輸入三位地址ALE上升沿鎖存START上升沿，逐次比較寄存器清零EOC低電平START下降沿轉(zhuǎn)換開始CLK控制轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC高電平OE為高電平，數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥妇€3.ADC0809的典型應(yīng)用8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC0809與單片機的連接之一ADC0809數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜N方式①定時傳送方式設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用這個延時子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。②查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查詢方式，軟件測試EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，然后進行數(shù)據(jù)傳送。③中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。8.3數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換就是將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連接變化的模擬量，實現(xiàn)該功能的電路或器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就需要對每一位的數(shù)碼按照其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量。數(shù)模轉(zhuǎn)換從某種意義上講就是把二進制的數(shù)轉(zhuǎn)換相應(yīng)的模擬量的數(shù)值。D/A轉(zhuǎn)換框圖n位D/A轉(zhuǎn)換器原理方框圖D/A轉(zhuǎn)換器的組成DAC一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。數(shù)字量輸入后存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中，對應(yīng)位數(shù)上的數(shù)控模擬開關(guān)由緩沖寄存器的輸出控制，在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值后送入求和電路，由求和電路將各位權(quán)值相加，輸出即是要轉(zhuǎn)換的模擬量。8.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成和基本原理按解碼網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACR–2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流型網(wǎng)絡(luò)DACT型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按電子開關(guān)類型CMOS開關(guān)型DAC（速度低）電流開關(guān)型DAC（速度高）ECL電流開關(guān)型DAC（速度最高）雙極型DAC（速度高）分類DAC0808、DAC0807CB7520、DAC08324位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理電路電子開關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)參考電壓運放接成反相比例運算00104位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的推導(dǎo)注意：無論電子開關(guān)接哪邊，與相連的電阻均相當(dāng)于接“地”（地或虛地）。推廣：n位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓公式一般倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC集成芯片都選用Rf=R，則注意：倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC是目前廣泛使用的DAC中速度較快的一種，常用的CMOS開關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的集成電路有DAC0832(8位)、AD7520（10位）、DAC1210（12位）和AK7546（16位高精度）等。8.3.2集成DAC芯片DAC0832DAC0832內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5～+l5V均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為±10V，電流建立時間為lμs，低功耗20mW。引腳圖1.DAC0832引腳及使用說明①VCC：電源輸入線，+5V~+15V；②VREF：參考電壓，-10V~+10V；③DGND：數(shù)字量地；④AGND：模擬量地；⑤DI0~DI7：數(shù)字量輸入線；⑥RFB：反饋信號輸入端，在芯片內(nèi)部，為15KΩ；⑦IOUT2、IOUT1：模擬電流輸出線，等于VREF/RFB，通常接運放的兩個輸入端；⑧CS：片選端，低電平有效。當(dāng)為低電平時，該片被選中；當(dāng)為高電平時輸入寄存器數(shù)據(jù)被封鎖，數(shù)據(jù)不能輸入到輸入寄存器，該片未被選中；⑨ILE：允許數(shù)字量輸入，當(dāng)ILE高電平時，允許8位輸入寄存器輸入數(shù)字量

；⑩XFER：傳輸控制輸入，低電平有效。用于控制WR2是否被選通

；（11）WR1：寫命令輸入?？刂茢?shù)字量輸入到8位輸入寄存器。低電平有效，上升沿鎖存。當(dāng)ILE、CS和WR1同時有效，數(shù)字量寫入輸入寄存器；在WR1的上升沿數(shù)據(jù)鎖存；（12）WR2：寫命令輸入，低電平有效。控制D/A轉(zhuǎn)換時間。當(dāng)XFER、WR2同時有效時，數(shù)字量才寫入DAC寄存器，并在WR2的上升沿數(shù)據(jù)鎖存；的應(yīng)用DAC0832內(nèi)部有輸入寄存器和DAC寄存器兩個寄存器，因此DAC0832能工作于雙緩沖方式，即兩個寄存器可以同時保存兩組數(shù)據(jù)，8位數(shù)字量輸入可先保存在輸入寄存器中，然后再將此數(shù)據(jù)由輸入寄存器送到DAC寄存器中鎖存并進行D/A轉(zhuǎn)換。這樣就避免在輸入下一次數(shù)字量的時候?qū)δM信號輸出的干擾。同時在進行D/A轉(zhuǎn)換的同時輸入下一次數(shù)字量也可以提高D/A轉(zhuǎn)換的速度。的工作方式（1）直通型DAC0832直通型工作方式說明：此時，輸入寄存器和DAC寄存器的輸出隨數(shù)字量的變換而變化。一般直通型工作方式常用于模擬量能直接迅速的反映數(shù)字量變化的系統(tǒng)（2）單緩沖型DAC0832單緩沖型工作方式說明：所謂單緩沖方式就是使DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器中有一個處于直通方式，而另一個處于受控的鎖存方式，或者說兩個輸入寄存器同時受控的方式。在實際應(yīng)用中，