數(shù)字電子技術項目教程（第2版）課件 項目七 數(shù)字電壓表的設計與制作-模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

2024/12/12項目七、數(shù)字電壓表的設計與制作——模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

2024/12/121.A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

A/D?轉(zhuǎn)換是將時間和數(shù)值上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間和數(shù)值上都是離散的數(shù)字量。需經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼這?4?個過程。A/D?轉(zhuǎn)換器原理框圖2024/12/12（1）采樣與保持采樣就是在一個微小的時間內(nèi)對模擬信號進行取樣。

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上圖是常見的采樣-保持電路和采樣波形。當采樣信號uS為高電平，使T導通時為采樣時間，輸入模擬量ui對電容C充電，這是采樣過程；采樣信號uS為低電平，使T截止，電容?C?上的電壓保持不變，這是保持過?程。（2）量化與編碼

2024/12/12采樣和保持后的信號仍然是時間上離散的模擬信號，它的取樣信號的取值是任意的，而數(shù)字信號的取值是有限的或離散的。因此要實現(xiàn)幅度的離散化，就要用具體的數(shù)字量來近似地表示對應的模擬值。任意一個數(shù)字量的大小都是以某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的，這個最小的數(shù)量單位稱為量化單位，用Δ表示，采樣信號和量化單位比較而轉(zhuǎn)換為量化單位整數(shù)倍的過程稱為量化。2024/12/12（3）量化方法①四舍五入法：把＜δ/2的電壓作為“0δ”處理，把≥δ/2而＜3/2δ的電壓作為“1δ”處理。②舍去小數(shù)法：把＜δ的電壓作為“0δ”處理，把≥δ而＜2δ的電壓作為“1δ”處理。

例如：設δ=1，采樣值分別為：2V、4.4V、4.5V和5.7V，如果采用四舍五入法，則量化結(jié)果為：2V=2δ、4.4V=4δ、4.5V=5δ、5.7V=6δ如果采用舍去小數(shù)法，則量化結(jié)果為2V=2δ、4.4V=4δ、4.5V=4δ、5.7V=5δ顯然，采用不同量化方式其結(jié)果存在差異，而且上述量化結(jié)果與采樣值之間存在誤差，這種誤差稱為量化誤差。2024/12/122024/12/12劃分量化電平的兩種方法用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過程，就是編碼。兩種不同量化編碼位數(shù)越多，量化誤差越小，準確度越?高。2024/12/122.A/D?轉(zhuǎn)換器的常用類型A/D?轉(zhuǎn)換器的類型很多，但目前應用較廣泛的主要有兩種類型：逐次逼近型?A/D?轉(zhuǎn)換器和雙積分型?A/D?轉(zhuǎn)換器。2024/12/12（1）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型?ADC?的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，包括?4?個部分：比較器、DAC、寄存器和控制邏?輯。三位逐次逼近型?AD?轉(zhuǎn)換器邏輯圖2024/12/12①工作原理

2024/12/12②舉例

例1：一個四位逐次逼近型ADC電路，輸入滿量程電壓為5V,現(xiàn)加入的模擬電壓Ui=4.58V。求：（1）ADC輸出的數(shù)字是多少？（2）誤差是多少？2024/12/12解：（1）第一步：使寄存器的狀態(tài)為1000，送入DAC,由DAC轉(zhuǎn)換為輸出模擬電壓V因為Uo＜Ui,所以寄存器最高位的1保留。第二步：寄存器的狀態(tài)為1100，由DAC轉(zhuǎn)換輸出的電壓V因為Uo＜Ui,所以寄存器次高位的1也保留。第三步：寄存器的狀態(tài)為1110，由DAC轉(zhuǎn)換輸出的電壓V因為Uo＜Ui,所以寄存器第三位的1也保留。第四步：寄存器的狀態(tài)為1111，由DAC轉(zhuǎn)換輸出的電壓V因為Uo＞Ui，所以寄存器最低位的1去掉，只能為0。所以，ADC輸出數(shù)字量為1110。(2)轉(zhuǎn)換誤差為4.58-4.38=0.2V2024/12/12逐次逼近型ADC的數(shù)碼位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換結(jié)果越精確，但轉(zhuǎn)換時間也越長。（2）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個中間變量，例如時間T；然后再對中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種A/D轉(zhuǎn)換器多稱為電壓—時間變換型（簡稱VT型）。原理框圖見下圖。2024/12/122024/12/12①工作原理：轉(zhuǎn)換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開S0。第一階段，令開關S1置于輸入信號UI一側(cè)。積分器對UI進行固定時間T1的積分。積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為：2024/12/12

在采樣開始時，邏輯控制電路將計數(shù)門打開，計數(shù)器計數(shù)。當計數(shù)器達到滿量程N時，計數(shù)器由全“1”復“0”，這個時間正好等于固定的積分時間T1。計數(shù)器復“0”時，同時給出一個溢出脈沖（即進位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束。第二階段稱為定速率積分過程，將UO1轉(zhuǎn)換為成比例的時間間隔。2024/12/12雙積分型?AD?轉(zhuǎn)換器波形圖2024/12/12雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相比較：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點：工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于低速型A/D轉(zhuǎn)換器，一次轉(zhuǎn)換時間在1～2ms，而逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器可達到1us。2024/12/123.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標（1）分辨率

分辨率是指當輸出數(shù)字量的最低位變化一個單位時，輸入模擬量的必須變化量。式中，n?為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越多，其量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高，分辨率也就越?高。（2）轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差表示轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別，并用最低有效位的倍數(shù)來表?示。2024/12/12（3）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。轉(zhuǎn)換時間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。（4）電源抑制比在輸入模擬信號不變的情況下，當轉(zhuǎn)換電路的供電電源發(fā)生變化時，對輸出也會產(chǎn)生影響。這種影響可用輸出數(shù)字量的絕對變化量來表?示。

2024/12/124.集成?A/D?轉(zhuǎn)換器的功能及使用（1）ADC0809框圖它由比較器、逐次漸近寄存器、開關樹、256R網(wǎng)絡及控制和定時等部分組成。2024/12/12ADC0809?內(nèi)部框圖芯片引腳排列圖2024/12/12

（2）ADC0809引腳功能IN0～IN7：8?路輸入通道的模擬量輸入端?口。2?1～2?8：8?位數(shù)字量輸出端?口。START，ALE：START?為啟動控制輸入端口，ALE?為地址鎖存控制信號端口。這兩個信號連接在一起，當給一個正脈沖時，便立刻啟動數(shù)模轉(zhuǎn)?換。EOC，OE：EOC?為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口，OE?為輸出允許控制端口。這兩個信號也可以連接在一起，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE?端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線?上。REF（+），REF（?），VCC，GND：REF（+）、REF（?）為參考電源輸入端，VCC?為主電源輸入端，GND?為接地端。2024/12/12

CLK：時鐘輸入?端。

ADDA，ADDB，ADDC：8?路模擬開關?3?位地址選通輸入端，以選擇對應的輸入通道。ADC0809?工作時序圖2024/12/12項目七、數(shù)字電壓表的設計與制作——數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）

1.工作原理

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路接收的是數(shù)字信息，而輸出的是與輸入數(shù)字量成正比的電壓或電流。輸入數(shù)字信息可以用任何一種編碼形式，代表正、負或正負都有的輸入值。一個雙極性輸出型有4位數(shù)字輸入的DAC?轉(zhuǎn)換特?性如下圖所示。輸入數(shù)字信息的最高位為符號位，1表示負值，0表示正值。輸入的數(shù)字信息是以原碼表示?的。2024/12/12

2024/12/12有?4?位數(shù)字輸入的?DAC?轉(zhuǎn)換特性2024/12/12n?位?DAC?的組成框圖2.D/A?轉(zhuǎn)換器的類型

根據(jù)工方作式的不同，D/A?轉(zhuǎn)換器可分為電壓相加型和電流相加型。根據(jù)譯碼網(wǎng)絡的不同，可分為權電阻網(wǎng)絡型?D/A?轉(zhuǎn)換器、倒?T?電阻網(wǎng)絡型?D/A?轉(zhuǎn)換器等形式。在單片集成?D/A?轉(zhuǎn)換芯片中采用最多的是倒T電阻網(wǎng)絡型D/A轉(zhuǎn)換器。n位倒T電阻網(wǎng)絡型D/A?轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)?構(gòu)如下圖所示。

倒?T?型電阻網(wǎng)絡型?D/A?轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)

當輸入數(shù)字信號的任何一位是“1”時，對應開關便將2R電阻接到運放反相輸入端，而當其為“0”時，則將電阻2R接地。

2.電流I的表達式為的表達式：

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在求和放大器的反饋電阻等于R的條件下，輸出模擬電壓為：特?點：●?電路中電阻的種類很少，便于集成和提高精?度?！?無論模擬開關如何變換，各支路中的電流保持不變，因此不需要電流建立時間，提高了轉(zhuǎn)換速?度。2024/12/12

3.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標（1）分辨率它指電路所能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率式中n表示輸入數(shù)字量得位數(shù)?？梢?，n越大，分辨最小輸出電壓的能力也越強。（2）轉(zhuǎn)換誤差D/A?轉(zhuǎn)換誤差是指它在穩(wěn)定工作時，實際模擬輸出值和理論值之間的最大偏差，其值等于?DAC實際輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓值之?差。2024/12/12（3）轉(zhuǎn)換速度通常以建立時間表征?D/A?轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建立時間是指在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?，輸出電壓達到某一規(guī)定值所需要的時間。建立時間又稱為轉(zhuǎn)換時間。（4）電源抑制比在高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換器中，要求模擬開關電路和運算放大器的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出電壓的影響非常小，輸出電壓的變化與對應的電源電壓的變化之比，稱為電壓抑制比。2024/12/12

4.集成?D/A?轉(zhuǎn)換器的功能及使用

（1）DAC0832結(jié)構(gòu)框圖和引腳排列2024/12/12DAC0832?結(jié)構(gòu)框圖DAC0832?引腳排列圖DAC0832引腳功能ILE：輸入鎖存允許信號，輸入高電平有效。：片選信號，輸入低電平有效。：輸入數(shù)據(jù)選通信號，輸入低電平有?效。：數(shù)據(jù)傳送選通信號，輸入低電平有?效。：數(shù)據(jù)傳送選通信號，輸入低電平有?效。D7～D0：8位輸入數(shù)據(jù)信號。VREF：參考電壓輸入。一般此端外接一個精確、穩(wěn)定的電壓基準源。VREF可在-10V至+10V范圍內(nèi)選擇。Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個反饋電阻）接線端。2024/12/12

IOUT1：DAC輸出電流1。此輸出信號一般作為運算放大器的一個差分輸入信號。當DAC寄存器中的各位為1時，電流最大；為全0時，電流為0。IOUT2：DAC輸出電流2。它作為運算放大器的另一個差分輸入信號（一般接地）。IOUT1和IOUT2滿足如下關系：IOUT1+IOUT2=常數(shù)。VCC：電源輸入端（+5～+15V，一般取+5V）。DGND：數(shù)字地。AGND：模擬地。

2024/12/12（2）工作方式DAC0832有三種工作方式即直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。實際應用時，要根據(jù)控制系統(tǒng)的要求來選擇工作方?式。三種工作方式的接法如下圖所示。2024/12/123.?集成?D/A?轉(zhuǎn)換芯片?DAC0832?的應用（a）單極性輸出應用電路DAC0832?單極性輸出時，輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的關系為。式中。其時序如下圖所示。2024/12/12（b）雙極性輸出應用電路

雙極性輸出應用電路原理圖如下圖所示。2024/12/122024/12/12輸出模擬電壓的大小計算如下：

式中，D8?為補碼，當最高位為

0?表示正數(shù)，直接代入計算即可。當最高位為

1?表示負數(shù)，后面各位按位取反最低位加

1，才為數(shù)值大小，代入上式才能得到轉(zhuǎn)換結(jié)?果。2024/12/12任務7-1

ADC0809?邏輯功能測試

2024/12/121、任務要求完成?A/D?轉(zhuǎn)換器?0809?的邏輯功能測?試。2、測試設備與器件

設備：數(shù)字電路實驗箱?1?臺，數(shù)字萬用表?1?只。器件：ADC0809?芯片?1?塊，連接導線若?干。

2024/12/122024/12/123、集成電路外引腳排列圖

外引腳排列圖2024/12/12ADC0809?邏輯功能測試2024/12/124、測試內(nèi)容及步驟（1）按上圖接好電路。（2）接線完畢，檢查無誤，調(diào)節(jié)CP脈沖的頻率約為1000KHz，用數(shù)字萬用表測試IN0的數(shù)字，按表格要求調(diào)節(jié)可調(diào)電源的輸入電壓，按一下點脈沖輸出板上的觸發(fā)按鈕，給單次正脈沖，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)，記錄狀態(tài)數(shù)據(jù)。（3）改變23,24,25引腳的電平狀態(tài)，測試被選中模擬輸入通道，記錄數(shù)據(jù)。2024/12/12輸入輸出S1DCBAY0

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Y71000010011010101111001101111011111100010011010101111001101111011112024/12/12任務7-2

DAC0832?邏輯功能測試

2024/12/121、任務要求完成?D/A?轉(zhuǎn)換器?0832?邏輯功能的測?試。2、測試設備與器件

設備：數(shù)字電路實驗箱?1?臺，數(shù)字萬用表?1?只。器件：LM324?芯片?1?塊，DAC0832?芯片?1?塊，連接導線若?干。

2024/12/122024/12/123、集成電路外引腳排列圖