19電子技術(shù)第21章ad轉(zhuǎn)換器

清華大學(xué)電機(jī)系唐慶玉1997年制作如發(fā)現(xiàn)有人剽竊必定追究！千島湖風(fēng)光千島湖畫面屬唐慶玉個人創(chuàng)作，青山緑水藍(lán)天白云，剽竊必究清華大學(xué)電機(jī)系電工學(xué)教研室唐慶玉編21.1模擬多路開關(guān)21.2采樣保持器21.3D/A轉(zhuǎn)換器21.4A/D轉(zhuǎn)換器第21章A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器第21章目錄21.1模擬多路開關(guān)21.2采樣保持器21.3D/A轉(zhuǎn)換器

21.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類及主要技術(shù)指標(biāo)

21.3.2D/A轉(zhuǎn)換器原理

21.3.3集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC083221.4A/D轉(zhuǎn)換器

21.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的分類及主要技術(shù)指標(biāo)

21.4.2A/D轉(zhuǎn)換器原理

1.并行式A/D轉(zhuǎn)換器原理

2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理

3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理

21.4.3集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC080421.4.4集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809不講不講引言模擬信號

數(shù)字信號：

A/D轉(zhuǎn)換器(ADC－AnalogtoDigitalConverter)數(shù)字信號

模擬信號：

D/A轉(zhuǎn)換器(DAC－Digitalto

AnalogConverter)引言(續(xù)):A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)

計算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、計算）、數(shù)據(jù)保存、打印等。

顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等。21.3D/A轉(zhuǎn)換器

D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬電壓21.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類及主要計數(shù)指標(biāo)分類：以內(nèi)部電路原理分類：（1）R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)（3）二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)（4）樹狀開關(guān)式以位數(shù)分類：8位，10位，12位，16位以輸出方式分類：電壓輸出型，電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)：分辨率若參考電壓為UREF=+5.12V4位DAC的分辨率為:5.12V/24=0.32V8位DAC的分辨率為:5.12V/28=0.02V一般用D/A的位數(shù)作為分辨率（最常用）4位D/A:00000.320=0V00010.321=0.32V11110.32

15=4.8V8位D/A:000000000V000000010.02V111111115.1V還有用下式定義分辨率：21.3.2D/A轉(zhuǎn)換器原理1.R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理輸入4位二進(jìn)制數(shù)輸出模擬電壓S0~S3:模擬電子開關(guān)D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D33R3R/2uo++

轉(zhuǎn)換原理當(dāng)D3D2D1D0=0000時VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D33R3R/2uo++

當(dāng)D3D2D1D0=0000時,S3S2S1S0都倒向地uo3R3R/2等效電路++

R2R3Ruo=0VAF=

1

轉(zhuǎn)換原理(續(xù)）當(dāng)D3D2D1D0=1000時VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3D0D1D2D33R3R/2uo++

當(dāng)D3D2D1D0=1000時,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFuo=

VREF/2uo3R3R/2等效電路++

2R2RVREF2RRVREF/2AF=

1

轉(zhuǎn)換原理(續(xù)）當(dāng)D3D2D1D0=0100時VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3D0D1D2D33R3R/2uo++

當(dāng)D3D2D1D0=0100時,S3S1S0都倒向地，S2倒向VREFuo=

VREF/4uo3R3R/2等效電路++

2R2RVREF2R2RRRVREF/4AF=

1

轉(zhuǎn)換原理(續(xù)）VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3D0D1D2D33R3R/2uo++

當(dāng)D3D2D1D0=0010時，uo=–VREF/8當(dāng)D3D2D1D0=0001時，uo=–VREF/16同理可推導(dǎo)：當(dāng)D3D2D1D0=1111時，uo=?D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))D3D2D1D0=1000時，uo=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100時，uo=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010時，uo=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001時，uo=–VREF/16=–D0VREF/24根據(jù)疊加原理：此式表明:D/A電路輸出模擬電壓uo與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比例1

設(shè)VREF=

8V，D3D2D1D0=1100時，uo=?2.8位D/A轉(zhuǎn)換器電路框圖8D鎖存器求和電路電阻網(wǎng)絡(luò)電子開關(guān)uoD7-D0CPVREF（精密參考電壓）21.3.3集成電路D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832圖26.3uO+-

+

≥1D7D6D5D4D3D2D1D0LEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0八位輸入鎖存器ILE八位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器D7D6D5D4D3D2D1D0LEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0八位數(shù)據(jù)鎖存器D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0≥1RfbCSAGNDWR1DGNDWR2VREFXFER8D鎖存器8D鎖存器求和電路電子開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)參考電源模擬地數(shù)字地輸入數(shù)據(jù)輸出模擬電壓控制信號

Iout1Iout2轉(zhuǎn)換時間1μs例2購來一D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，如何通過實(shí)驗(yàn)測試它是好的？uO+5V+-

+

D7~D0Iout1Iout2RfbAGNDDGNDVREFVCCILECSWR1WR2XFER+5V8D7~D0將控制信號都接有效電平，參考電壓接VREF=+5V,輸入D7~D0當(dāng)D7~D0=00000000時測量輸出電壓uo=？0V當(dāng)D7~D0=10000000時測量輸出電壓uo=？

2.5V當(dāng)D7~D0=11111111時測量輸出電壓uo=？

4.9805V判斷轉(zhuǎn)換正常測量點(diǎn)數(shù)多時還可以測試“線性度”例38位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832與微機(jī)的接口(單緩沖方式）低通濾波器uO+5V+-

+

D7~D0Iout1Iout2RfbAGNDDGNDVREFVCCILECSWR1WR2XFERDAC0832+5V8單片機(jī)D7~00WRA15~A0地址譯碼器例48位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832應(yīng)用舉例－信號發(fā)生器11計數(shù)器741633片時鐘脈沖發(fā)生器（振蕩器）示波器8EPROM2716O7~O0CE+5VVCCOEA10~A0GNDuo低通濾波器如何制造一個三角波？+5V+-

+

D7~D0Iout1Iout2RfbAGNDDGNDVREFVCCILECSWR1WR2XFERDAC0832+5V+V21.4A/D轉(zhuǎn)換器A/D功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量21.4.1A/D分類及主要技術(shù)指標(biāo)A/D分類（按內(nèi)部電路原理分）:①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns～1

s②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時間幾

s～100

s③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百

s～幾ms設(shè)8位A/D允許輸入的最大電壓為5.12V則分辨率為：

5.12V/28=0.02V=20mVA/D性能指標(biāo)——分辨率00000000020mV0000000140mV000000105.1V11111111VRRRRRRRRRUICPDQDQDQDQDQDQDQ編碼器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D01.并行式A/D轉(zhuǎn)換器（三位）原理7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8UI

6VR/8時，輸出=1UI

7VR/8時，輸出=1UI

7VR/8時，輸出=0UI

6VR/8時，輸出=0電壓比較器D鎖存器輸入模擬電壓精密參考電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個電阻）輸出數(shù)字量UI

VR/8時，輸出=1UI

VR/8時，輸出=021.4.2A/D轉(zhuǎn)換器原理并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表

UI

QAQBQCQDQEQFQGD2D1D06VR/8

>UI>5VR/8

00111111015VR/8

>UI>4VR/8

00011111007VR/8

>UI>6VR/8

0111111110

VR>UI>7VR/8

11111111114VR/8

>UI>3VR/8

00001110113VR/8

>UI>2VR/8

00000110102VR/8

>UI>VR/8

0000001001

VR/8

>UI>

0

0000000000特點(diǎn)：輸入電壓UI每增加VR/8

，輸出數(shù)字量增加1根據(jù)以上真值表設(shè)計編碼器的組合邏輯電路（設(shè)計略）3位A/D的分辨率設(shè)參考電壓VR=5V分辨率＝5V/8=0.625V輸入電壓輸出數(shù)字量0V000B0.625V001B1.25V010B…4.375V111B8位A/D的分辨率設(shè)參考電壓VR=5V分辨率5V/256=0.01953125V輸入電壓輸出數(shù)字量0V00H19.5mV01H39mV02H…4.98VFFH*2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理輸入模擬電壓ui比較器逐次逼近寄存器SARCPD/A轉(zhuǎn)換器+-

+三態(tài)輸出D3D2D1D0Q2Q3Q1Q0VREF控制邏輯uB輸出數(shù)字量uA(1)開始第1個CP,將Q3置1，Q3Q2Q1Q0=1000，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為uA(2)比較器：如果uA<ui,uB=0,則Q3的置1保留;如果uA>ui,uB=1,則Q3的置1清除(3)第2個CP,將Q2置1,使Q3Q2Q1Q0=1100或0100，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為uA(4)比較器：如果uA<ui,uB=0,則Q2的置1保留;如果uA>ui,uB=1,則Q2的置1清除(5)依此類推，經(jīng)4個CP后，轉(zhuǎn)換完成A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部組成A/D電路模擬輸入三態(tài)門數(shù)字輸出寄存器精密穩(wěn)壓電源電源計算機(jī)讀取命令時序控制電路A/D轉(zhuǎn)換命令（來自計算機(jī)）轉(zhuǎn)換完成信號（由計算機(jī)檢測或申請計算機(jī)中斷）A/D轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804（逐次逼近型）轉(zhuǎn)換完成信號電源+5VD7D6D5D4D3D2D1D0AGNDVCCVIN(+)DGNDVREF/2VIN(

)CLKINCLKR讀信號數(shù)字地模擬輸入模擬地片選信號參考電壓外接電容轉(zhuǎn)換命令數(shù)字量輸出INTRWRCSADC0804外接電阻RD集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804與計算機(jī)的接線電源+5VD7D6D5D4D3D2D1D0AGNDVCCVIN(+)DGNDVREF/2VIN(

)CLKINCLKRINTRWRCSADC0804RD不接轉(zhuǎn)換完成信號（用于中斷請求或檢測）數(shù)據(jù)輸出10k

150pF內(nèi)部振蕩器頻率為640kHz轉(zhuǎn)換時間為100s模擬輸入電壓（0~+5V)計算機(jī)讀信號計算機(jī)寫信號計算機(jī)地址片選信號A/D板A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號采樣/保持器模擬輸入讀取數(shù)據(jù)命令計算機(jī)接口A/D轉(zhuǎn)換命令

模擬輸入電壓在A/D轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持不變，否則A/D的輸出數(shù)據(jù)總隨輸入電壓而變，所以需要采樣/保持器。A/D板A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號采樣/保持器讀取數(shù)據(jù)命令計算機(jī)接口A/D轉(zhuǎn)換命令8選1多路轉(zhuǎn)換器模擬輸入

當(dāng)有多個模擬輸入電壓時，需要模擬多路開關(guān)，從多個輸入中選擇一個進(jìn)行采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換。321.2采樣/保持器采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器u1u2模擬輸入數(shù)字輸出A/D轉(zhuǎn)換命令采樣/保持器的功能：在A/D轉(zhuǎn)換期間，使A/D的輸入電壓u2保持不變。tu1

高電平期間u2跟隨u1低電平期間u2保持不變，同時A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換21.2采樣/保持器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換命令u2采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器u1u2模擬輸入數(shù)字輸出A/D轉(zhuǎn)換命令21.2采樣/保持器電路原理C模擬電子開關(guān)電壓跟隨器采樣保持電容KA/D轉(zhuǎn)換命令高電平期間，K合上，C采樣低電平期間，K打開，C保持型號：LF398輸出+

+

輸入+

+

電壓跟隨器A/D轉(zhuǎn)換命令21.1模擬多路開關(guān)雙向傳輸型號：CD4051(8通道－1通道）INHCBA

選擇通道

00000000110010200113010040101501106011171

全斷I/O0I/O7CBAINHO/I常用種類：

CD4067(16通道－1通道）

CD4051(8通道－1通道）

CD4052(兩組