《電工與電子技術》第11章數模、模數轉換

電工教研室北京理工大學信息科學技術學院第11章模擬量與數字量的轉換11.1數模轉換器（DAC）11.2模數轉換器（ADC）

11.3模擬開關及采樣保持電路

第11章模擬量與數字量的轉換在檢測、控制數字系統(tǒng)中，將模擬量轉換為數字量和將數字量轉換為模擬量是必不可少的環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)方框圖如下被控對象微處理器ADCDAC系統(tǒng)方框圖檢測信號控制信號放大被控對象如溫度，壓力等物理量，經傳感器檢測得到它們的模擬信號，將其進行放大，然后送入模數轉換器（ADC），將模擬信號轉換為數字信號后由微處理器對信號進行處理。根據處理的結果，微處理器發(fā)出相應的數字控制信號，再經數模轉換器（DAC）將數字信號轉換為模擬信號去控制被控對象。

11.1數模轉換器（DAC）11.1.1數模轉換器（DAC）的轉換原理數模轉換器有多種電路類型，其中T型電阻數模轉換是較常用的一種。下圖是四位T型電阻轉換器原理圖，R和2R電阻構成T形電阻網絡。S3、S2、S1、S0為模擬開關，其開關狀態(tài)分別受輸入的二進制數字信號D3、D2、D1、D0控制。如D0＝1時，模擬開關S0合向左邊，支路電流I0流向Ioutl；當D0＝0時，S0合向右邊，支路電流I0流向Iout2。運算放大器A0為電流求和放大器，它對各位數字所對應的電流求和，并轉換成相應的模擬電壓。UREF為高精度基準電源。

A0++UREFIIout21

D0

D2

D1

D30Rf2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3UoI0I3I2I1Iout1四位T型電阻轉換器原理圖T型電阻DA轉換器的工作原理由于運算放大器的反相輸入端為“虛地”，所以無論模擬開關接向左邊還是右邊，電阻2R接模擬開關一側的電位都為零，因此從UREF端看進去的等效電阻為R。由此求得總電流I＝UREF／R，各支路電流分別為即每位支路電流與二進制權值（23、22、21、20）成正比。當每位開關合向左邊時，支路電流由Ioutl流出，開關合向右邊時，支路電流由Iout2流出。因此輸入不同的二進制數時，流過Rf的電流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的輸出電壓。對于輸入的任意四位二進制數D3、D2、D1、D0，流過Rf的電流為Iout1＝I3D3＋I2D2＋I1D1＋I0D0=運算放大器的輸出電壓為Uo＝RfIout1＝(23D3+22D2+21D1+20D0)即每位支路電流與二進制權值（23、22、21、20）成正比。當每位開關合向左邊時，支路電流由Ioutl流出，開關合向右邊時，支路電流由Iout2流出。因此輸入不同的二進制數時，流過Rf的電流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的輸出電壓。對于輸入的任意四位二進制數D3、D2、D1、D0，流過Rf的電流為Iout1＝I3D3＋I2D2＋I1D1＋I0D0=運算放大器的輸出電壓為Uo＝RfIout1＝(23D3+22D2+21D1+20D0)可見，輸出的模擬電壓與二進制數字信號成正比。同理對于n位DA轉換器若取Rf＝R，則Uo＝－n-1Dn-1+2n-2Dn-2+------+21D1+20D0)11.1.2DA轉換器的主要參數分辨率定義為最小輸出電壓（對應的輸入二進制數為1）與最大輸出電壓（對應的輸入二進制數全為1）之比，即1.分辨率顯然位數越多，能分辨出的最小電壓越小。有時也直接用DA轉換器的位數表示分辨率，位數越多，分辨率越高。通常用非線性誤差的大小表示DA轉換器的線性度。產生非線性誤差的原因是模擬開關導通的壓降，電阻網絡各阻值不盡相等等。2.線性度轉換器的精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，其產生的原因是各模擬開關的壓降不一定相等，各電阻阻值的偏差不可能做到完全一致。3.精度從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流達到穩(wěn)定值所需時間稱為建立時間。其建立時間主要取決于運算放大器到達穩(wěn)定狀態(tài)所需時間。對于十位的單片集成DA轉換器的轉換時間一般不超過1s。4.輸出電壓（或電流）的建立時間除以上參數外DA轉換器還有功率消耗，溫度系數等技術指標。

11.1.3集成數模轉換器（DAC）

DAC0832是分辨率為8位的數模轉換器，它采用20腳雙列直插式封裝結構，管腳排列如右圖。DAC08321234567891020191817161514131211DAC0832CSWR1AGNDDI1DI3DI2DI0DI4DI5DI6DI7UREFRfBDGNDUCCXFERIout2Iout1ILEDAC0832管腳排列圖WR1WR2

DAC0832是電流輸出型芯片，其輸出端要外接運算放大器，以便將輸出模擬電流轉換為模擬電壓。它的電路原理框圖如下圖所示。

AGNDDGNDILE8位輸入寄存器（1）8位輸入寄存器（2）8位DA轉換器≥1≥1&UCCUREFIout2Iout1RfBCSDI0~DI7RDAC0832原理框圖WR1WR2XFERDAC0832是由8位輸入寄存器（1）、8位輸入寄存器（2）及一個8位D／A轉換器三部分組成。

采用兩個8位寄存器的目的是使DA轉換器在對其寄存器的數字信號進行轉換的同時，輸入寄存器又可以接收新的輸入數字信號，從而提高了轉換速度。各管腳功能如下：DI0DI7：8位數字量的輸入端。Iout1，Iou2：模擬電流輸出端。外接運算放大器的反相輸入端與Iout1相連，外接運算放大器的同相輸入端和Iout2相連。Iout1輸出電流為各權電流之和，與輸入的數字量成線性對應關系。RfB：芯片內部電阻R的引出端，外接運算放大器的輸出端，作為運算放大器的反饋電阻，也可根據需要外接電阻后再接運算放大器的輸出端，R的另一端在芯片內部接Iout1端。

UREF：

權電阻網絡基準電源輸入端，取值范圍為－10V＋10V，如為單極性輸出，則輸出電壓在0－UREF范圍內變化。UCC：電源輸入端，電源電壓可在515V范圍內選擇，當UCC＝＋15V時，工作狀態(tài)最佳。DGND：數字部分接地端。AGND：模擬部分接地端。在芯片內數字地與模擬地是分開的，以免兩者之間的相互干擾，根據需要在芯片外部的適當部分將兩者地線相連。5個輸入信號控制端：ILE：數據允許鎖存信號，高電平有效。：片選信號，低電平有效。當＝0，ILE＝1，＝0時，允許輸入數據存入寄存器（1）。：寫入信號2，低電平有效。：傳送控制信號，低電平有效。當＝0，及＝0時，數據由寄存器（1）送入寄存器（2），且進入8位DA轉換部分進行轉換。下圖是兩片DAC0832同時使用的接線方式。電路對控制信號的時序要求如下數據送到第一芯片寄存器（1）數據同時送入兩個芯片的寄存器（2）轉換成模擬量輸出。數據送到第二芯片寄存器（1）CS1CS2時序圖XFER“1”Iout1Iout2RfBCSWR1DI0~DI7DAC0832Iout1Iout2RfBDI0~DI7DAC0832輸入控制信號譯碼器2－4線Uo1＋＋－Uo2－＋＋ILE“1”ILE兩片DAC0832同時使用的接線方式圖XFERCSXFERWR1WR2WR2

兩個DA轉換器的信號由譯碼器的兩個輸出端提供。將兩個DA轉換器的端接在一起，由譯碼器的第三個輸出端提供控制信號。工作時，譯碼器根據它的輸入信號對兩個DA轉換器分別發(fā)出控制信號，從而分時地將要轉換的數據輸入到兩個芯片的寄存器（1）中，再由信號，同時將兩個數據送入相應芯片的寄存器（2）中，然后進行數模轉換。11.2模數轉換器（ADC）

11.2.1模數轉換器（ADC）的轉換原理

AD轉換器的種類繁多，按工作原理可分為：并聯比較型，雙積分型及逐次逼近型。并聯比較型轉換速度快，但精度不高；雙積分型轉換精度較高，抗干擾能力較強，但轉換速度慢；逐次逼近型的轉換速度較快，轉換精度高，故應用較多。下面僅介紹逐次逼近型模數轉換器。逐次逼近型AD轉換器的工作原理如同天平稱重物，采用逐次逼近的方法使重物和砝碼相等。逐次逼近型模數轉換器，一般由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、數模轉換器和電壓比較器等幾部分組成，其原理圖如下圖。

UA3位DACd0DFB3QCDFB2QCDFB1QCDFB0QC++UIFG3CPd1d2G6G8d2d1d0EG7C≥1G4G5G2G1≥1逐次逼近型模數轉換器原理圖QQFA2SRCQQFA1SRCQQFA0SRC

逐次逼近型模數轉換器電路由下列幾部分組成：它是由四個觸發(fā)器FB3FB2FB1FB0構成的環(huán)形計數器，初態(tài)為QB3QB2QB1QB0＝1000數模轉換器DAC的輸入是逐次逼近寄存器的輸出，輸出電壓UA送到電壓比較器的同相輸入端。（1）逐次逼近寄存器它由三個RS觸發(fā)器FA2FA1FA0組成，輸出是三位二進制數d2d1d0（2）順序脈沖發(fā)生器（3）數模轉換器（4）電壓比較電路運算放大器C構成電壓比較器，由它來比較輸入電壓UI（加在反相輸入端）與UA的大小，若UAUI則輸出端F為“1”；若UA≤UI，則輸出端F為“0”。輸出端F接至控制邏輯與門G3G2G1的輸入端。

它由G1~G8組成，其中G1~G5用來控制逐次逼近寄存器的輸出，G6~G8用來控制d2d1d0的輸出。當讀出控制端E＝1時，輸出d2d1d0二進制數。（5）控制邏輯門設DA轉換器的參考電壓UREF＝10V，輸入模擬電壓UI＝6.8V。電路的轉換過程為：轉換開始前，FB3FB2FB1FB0的輸出QB3QB2QB1QB0＝1000。在第一個時鐘脈沖CP的上升沿到來后，使逐次逼近寄存器的輸出d2d1d0＝100，經DAC轉換輸出的模擬電壓為：UA＝（d222＋d121＋d020）＝4＝5V此時UIUA，則比較器C輸出F為“0”。同時在第一個時鐘脈沖CP的上升沿到來后，順序脈沖發(fā)生器右移一位，使QB3QB2QB1QB0＝0100。第二個CP到來后，FA1被置1，由于原來的F=0，則FA2的1狀態(tài)被保留

它由G1~G8組成，其中G1~G5用來控制逐次逼近寄存器的輸出，G6~G8用來控制d2d1d0的輸出。當讀出控制端E＝1時，輸出d2d1d0二進制數。（5）控制邏輯門設DA轉換器的參考電壓UREF＝10V，輸入模擬電壓UI＝6.8V。電路的轉換過程為：轉換開始前，FB3FB2FB1FB0的輸出QB3QB2QB1QB0＝1000。在第一個時鐘脈沖CP的上升沿到來后，使逐次逼近寄存器的輸出d2d1d0＝100，經DAC轉換輸出的模擬電壓為：UA＝（d222＋d121＋d020）＝4＝5V此時UIUA，則比較器C輸出F為“0”。同時在第一個時鐘脈沖CP的上升沿到來后，順序脈沖發(fā)生器右移一位，使QB3QB2QB1QB0＝0100。第二個CP到來后，FA1被置1，由于原來的F=0，則FA2的1狀態(tài)被保留UA3位DACd0DFB3QCDFB2QCDFB1QCDFB0QC++UIFG3CPd1d2G6G8d2d1d0EG7C≥1G4G5G2G1≥1逐次逼近型模數轉換器原理圖QQFA2SRCQQFA1SRCQQFA0SRC

（否則FA2變?yōu)?）使d2d1d0＝110，經DAC轉換輸出模擬電壓UA＝6＝7.5V，因為UAUI，則比較器C輸出F為“1”，同時順序脈沖發(fā)生器右移一位，即QB3QB2QB1QB0＝0010。當第三個CP脈沖到來時，使FA0置1，由于原來的F=1，則FA1被置0，使d2d1d0＝101，此時UA＝（4＋1）＝6.25V，UAUI，則比較器C輸出為0，同時順序脈沖發(fā)生器右移一位，這時Q3Q2Q1Q0＝0001。當第四個CP脈沖到來，FA0的1狀態(tài)被保留，使d2d1d0＝101保持不變，即為轉換結果。若使E＝1，三個讀出與門打開，將d2d1d0送到輸出端。在第四個CP脈沖到來時，使Q3Q2Q1Q0＝1000返回到原始狀態(tài)。完成了一次轉換。在這個例子中轉換誤差為6.8－6.25＝0.55V。轉換器的位數越多誤差越小。11.2.2AD轉換器的主要參數分辨率通常以輸出的二進制位數來表示，位數越多誤差越小，轉換精度越高，它說明AD轉換器對輸入信號的分辨能力。2.轉換速度1.分辨率用完成一次模數轉換所需的時間來表示，轉換時間是從接到轉換控制信號起，到輸出端得到穩(wěn)定的數字量輸出為止所需時間。轉換時間越短，轉換速度越高，通常在幾十微秒左右。

相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差，一般用最低有效位LSB表示。如相對精度≤1LSB，表明相對精度不大于最低有效位1。3.相對精度11.2.3集成模數轉換器ADC0804是逐次逼近型8位模數轉換器，完成一次轉換時間為100s，轉換精度為1LSB，輸入電壓為05V。該芯片內有輸出數據鎖存器，使輸出數據可以直接連接在CPU數據總線上。該芯片是20腳雙列直插式封裝，其腳管排列如右圖。1234567891020191817161514131211ADC0804CSAGNDDB1DB3DB2DB0DB4DB5DB6DB7UREF/2DGNDUCCWRUIN(+)UIN()RDCLKRCLKADC0804管腳排列圖INTR

各管腳引線功能如下：DB0DB7：8位二進制數字輸出端，可直接接在系統(tǒng)的數據總線上。UIN(＋)和UIN(－)：模擬信號輸入端，如果輸入電壓的變化范圍從0V5V，則輸入電壓加在UIN(+)端，而UIN()端接地。UREF／2：參考電壓端，是芯片內所需的基準電壓。輸入電壓的范圍可以通過調整UREF／2管腳處的電壓加以改變，UREF／2端電壓值應是輸入電壓范圍的二分之一。如輸入電壓范圍是0.5V4.5V，

則在UREF／2端應加2V的電壓，當輸入電壓是05V時，將UREF／2端懸空，基準電壓可由VCC經內部分壓得到。

UCC：電源電壓端，該芯片由＋5V電源提供。DGND、AGND：分別為數字地與模擬地端。CLK、CLKR：時鐘脈沖端，時鐘脈沖的頻率決定了芯片逐位比較的節(jié)拍。由于芯片內部有時鐘發(fā)生器，只需在CLKR和CLK端外接電阻電容，如右圖所示，即可產生所需頻為f＝的內部時鐘脈沖。RC1234567891020191817161514131211ADC0804CSAGNDDB1DB3DB2DB0DB4DB5DB6DB7UREF/2DGNDUCCWRUIN(+)UIN()RDCLKRCLKADC0804時鐘接線圖INTR若采用外部時鐘，則可直接加在CLK端，不必接R、C元件。：片選信號，低電平有效。：寫入信號端，低電平有效。當＝0時讀入模擬量，當上升沿到來時啟動轉換。：轉換結束信號端，低電平有效，當轉換結束時產生結束信號輸出，通知外部設備讀取結果。：讀出信號端，低電平有效。當＝0，＝0時，讀取轉換器的數據，同時自動變高電平。數據輸出高阻態(tài)接通轉換時間RDINTR(輸出)ADC0804的工作時序CSWRADC0804的工作時序圖如下

LED+5V+5VRPUCCURFE/2UIN(+)UIN(-)GND單次脈沖CLK連續(xù)脈沖DB0DB7CSADC0804AD轉換器特性測試電路接線圖RDWR下圖是AD轉換器特性測試電路接線圖，其中輸出端DB0DB7分別接發(fā)光二極管LED，CLK端直接接連續(xù)脈沖，其頻率大于1KHZ。調節(jié)電位器RP可獲得0~5V的輸入電壓，轉換的數字量可由發(fā)光二極管觀測到。

11.3模擬開關及采樣保持電路在數據采集系統(tǒng)中通常要對多路模擬量進行采集，而且將模擬量轉換為數字量要經過采樣，保持，轉換三個步驟。對多路模擬量進行采集可以用模擬開關實現；采樣、保持由采樣―保持電路完成；轉換由A／D轉換器完成。下面介紹一下模擬開關和采樣―保持電路。11.3.1.模擬開關模擬開關通常由控制電路和開關電路兩部分組成，一般采用MOS場效應晶體管或雙極型晶體管。由N溝道增強型MOS管T1和P溝道增強型MOS管T2構成的傳輸門如右圖CPT1UoT2CPUiUDD傳輸門電路

輸入電壓Ui為010V。當CP為10V（CP＝1）時，則為0V（＝0）。設MOS管的柵極開啟電壓范圍為：2.1V~3V。Ui為07V時，T1導通；

Ui為310V時，T2導通。所以當CP＝1、Ui在010V范圍內變化時，T1與T2至少有一個導通，能使信號從輸入端傳送到輸出端，即Uo＝Ui，相當于開關接通。相反，當控制信號CP＝0時，T1、T2均截止，T1、T2都是高阻狀態(tài)，這時相當于開關斷開，輸入信號不能傳送到輸出端。傳輸門的圖形符號如圖UoUiCPTGCP傳輸門符號由于MOS管的對稱性，傳輸門具有雙向傳輸的特性，即Ui與Uo可以互換。

輸入電壓Ui為010V。當CP為10V（CP＝1）時，則為0V（＝0）。設MOS管的柵極開啟電壓范圍為：2