數(shù)字電子技術項目教程（第2版）教案 項目6　數(shù)字電壓表的制作

教師備課紙第頁課題6.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）6.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）課型理實一體授課班級集成電路23C1授課時數(shù)2教學目標1.?掌握?A/D?和?D/A?轉(zhuǎn)換的基本原理和典型電?路。2.?掌握?A/D?轉(zhuǎn)換器和?D/A?轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)指?標。教學重點A/D?和?D/A?轉(zhuǎn)換的基本原理和典型電?路教學難點?A/D?和?D/A?轉(zhuǎn)換的基本原理和典型電?路學情分析學生有一定的電路知識教學效果一般教后記這部分內(nèi)容比較枯草，學生不太感興趣。一、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）基本功能是將與?N?位的數(shù)字量?D?相對應的模擬信號?A?轉(zhuǎn)換成?N?位的數(shù)字量?D（數(shù)字電流或數(shù)字電?壓）。（一）A/D?轉(zhuǎn)換器的基本原理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。A/D?轉(zhuǎn)換需經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼這?4?個過程，下圖?為?A/D?轉(zhuǎn)換器原理框?圖。圖A/D?轉(zhuǎn)換器原理框圖1.?采樣與保持所謂采樣，就是在一個微小的時間內(nèi)對模擬信號進行取樣。下圖?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?截止時，電容?C?上的電壓保持不變，這是保持過?程。2.?量化與編碼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。例如，用?3?位二進制數(shù)來表示，則只有?8?種狀態(tài)，也就是只有?000～111?共?8?個離散的取值。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。量化一般有以下兩種方?法。圖采樣-保持電路和采樣波形（1）四舍五入法把小于/2?的電壓作為“”處理，把大于等于/2?且小于?3/2?的電壓作為“”處?理；（2）舍去小數(shù)法把小于的電壓作為“”處理，把大于等于而小于的電壓作為“”處?理。例如：設，采樣值分別為：2V、4.4V、4.5V?和?5.7V，如果采用四舍五入法，則量化結果為：，，，；如果采用舍去小數(shù)法，則量化結果為：，，，。顯然，采用不同量化方式其結果存在差異，而且上述量化結果與采樣值之間存在誤差，這種誤差稱為量化誤?差。把上述量化結果用代碼表示稱為編碼。3?位代碼可表示～；4?位代碼可表示～；8?位代碼可表示～；n?位代碼可表示～。0～1V?模擬信號轉(zhuǎn)換為?3?位二進制代碼，劃分量化電平的兩種方法如下圖?所?示。圖劃分量化電平的兩種方法用數(shù)字代碼表示量化結果的過程，就是編碼。這些二進制代碼就是?A/D?轉(zhuǎn)換的輸出結果。兩種不同量化編碼位數(shù)越多，量化誤差越小，準確度越?高。（二）A/D?轉(zhuǎn)換器的常用類型根據(jù)?A/D?轉(zhuǎn)換器的原理可以將?A/D?轉(zhuǎn)換器分為兩大類：一類是直接轉(zhuǎn)換型?A/D?轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型?A/D?轉(zhuǎn)換器。在直接型?A/D?轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量。而在間接型?A/D?轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再將這些中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸?出。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。下面簡單介紹這兩種?A/D?轉(zhuǎn)換器的基本原?理。1.?逐次逼近型?A/D?轉(zhuǎn)換器逐次逼近型?ADC?的結構框圖如下圖所示，包括?4?個部分：比較器、DAC、寄存器和控制邏?輯。圖三位逐次逼近型?AD?轉(zhuǎn)換器邏輯圖逐次逼近型?ADC?是將大小不同的參考電壓與輸入模擬電壓逐步進行比較，比較結果以相應的二進制代碼表示。轉(zhuǎn)換前先將寄存器清零。轉(zhuǎn)換開始后，控制邏輯將寄存器的最高位置為?1，使其輸出為?100…0。這個數(shù)碼被?D/A?轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓，送到比較器與輸入進行比較。若＞，說明寄存器輸出數(shù)碼過大，故將最高位的?1?變成?0，同時將次高位置?1；若≤，說明寄存器輸出數(shù)碼還不夠大，則應將這一位的?1?保留，依次類推將下一位置?1?進行比較，直到最低位為?止。比較結束，寄存器中的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)化后的數(shù)字輸出，此比較過程與天平稱量一個物體重量時的操作一樣，只不過使用的砝碼重量依次減?半。例?7-1一個?4?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？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=0.2V逐次逼近型?ADC?的數(shù)碼位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換結果越精確，但轉(zhuǎn)換時間也越長。這種電路完成一次轉(zhuǎn)換所需時間為（n+2）TCP。式中，n?為?ADC?的位數(shù)，TCP?為時鐘脈沖周?期。2.?雙積分型?A/D?轉(zhuǎn)換器雙積分型?A/D?轉(zhuǎn)換器屬于間接型?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)換結果，這種?A/D?轉(zhuǎn)換器多稱為電壓—時間變換型（簡稱?VT?型）。下圖給出的是?VT?型雙積分型?A/D?轉(zhuǎn)換器的原理?圖。圖雙積分型?AD?轉(zhuǎn)換器的框圖轉(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。整個轉(zhuǎn)換過程分兩階段進?行。第一階段，令開關?S1?置于輸入信號?UI?一側。積分器對?UI?進行固定時間?T1?的積分。積分結束時積分器的輸出電壓?為：可見積分器的輸出?UO1?與?UI?成正比。這一過程稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的采樣過程。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，采樣階段結?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。采樣階段結束時，一方面因參考電壓?VREF?的極性與?UI?相反，積分器向相反方向積分。計數(shù)器由?0?開始計數(shù)，經(jīng)過?T2?時間，積分器輸出電壓回升為零，過零比較器輸出低電平，關閉計數(shù)門，計數(shù)器停止計數(shù)，同時通過邏輯控制電路使開關?S1?與?UI?相接，重復第一步，如圖?7.5?所示。因此得?到：即 可見，反向積分時間?T2?與輸入模擬電壓成正?比。在?T2?期間計數(shù)門?G?打開，標準頻率為?fCP?的時鐘通過?G，計數(shù)器對?UG?計數(shù)，計數(shù)結果為?D，則計數(shù)的脈沖數(shù)為計數(shù)器中的數(shù)值就是?AD?轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)字量，至此即完成了?VT?轉(zhuǎn)換。若輸入電壓?UI1<UI，U￠O1<UO1，則?T2′<T2，它們之間也都滿足固定的比例關系，如圖?所?示。圖雙積分型?AD?轉(zhuǎn)換器波形圖雙積分型?A/D?轉(zhuǎn)換器若與逐次逼近型?A/D?轉(zhuǎn)換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應，所以，它突出的優(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強。由以上分析可以看出，只要兩次積分過程中積分器的時間常數(shù)相等，計數(shù)器的計數(shù)結果與?RC?無關，所以，該電路對?RC?精度的要求不高，而且電路的結構也比較簡單。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?1ms。不過在工業(yè)控制系統(tǒng)中的許多場合，毫秒級的轉(zhuǎn)換時間已經(jīng)足足有余，雙積分型?A/D?轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點正好有了用武之?地。（三）A/D?轉(zhuǎn)換器的主要技術指標1．分辨率它是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應輸入模擬量的變化量。常以輸出二進制碼的位數(shù)n來表示。分辨率=式中FSR是輸入的滿量程模擬電壓。位數(shù)越多，對輸入模擬信號的分辨能力越強。轉(zhuǎn)換精度它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。轉(zhuǎn)換速度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。（四）集成?A/D?轉(zhuǎn)換器的功能及使用圖ADC0809?的芯片引腳排列圖ADC0809?八位逐次逼近型?A/D?轉(zhuǎn)換器是一種單片?CMOS?器件，它內(nèi)部包含?8?位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、8?通道多路轉(zhuǎn)換器和與微處理器兼容的控制邏輯。8?通道多路轉(zhuǎn)換器直接連接?8?個單端模擬信號中的任意一個。芯片引腳排列圖如右圖?所?示。ADC0809?各引腳功能介紹如?下。（1）IN0～IN7：8?路輸入通道的模擬量輸入端?口。（2）2?1～2?8：8?位數(shù)字量輸出端?口。（3）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。（4）EOC，OE：EOC?為轉(zhuǎn)換結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)換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線?上。（5）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。一般?REF（+）與?VCC?連接在一起，REF（?）和?GND?連接在一?起。（6）CLK：時鐘輸入?端。（7）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，其對應關系見下表。表地址輸入與模擬輸入通道的選通關系選通模擬通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7地址C00001111B00110011A01010101如下圖?所示為?ADC0809?內(nèi)部結構?圖。圖ADC0809?內(nèi)部框圖圖ADC0809?工作時序圖二、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）基本功能是將?N?位的數(shù)字量?D?轉(zhuǎn)換成與?N?位的數(shù)字量?D?相對應的模擬信號?A?輸出（模擬電流或模擬電?壓）。（一）D/A?轉(zhuǎn)換器的基本工作原理數(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。如下圖?所示，表示一個雙極性輸出型有?4?位數(shù)字輸入的?DAC?轉(zhuǎn)換特?性。圖有?4?位數(shù)字輸入的?DAC?轉(zhuǎn)換特性由上圖?可知，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。DAC?的分辨率取決于數(shù)字輸入的位數(shù)，通常不超過?16?位，則分辨率為滿刻度的。而?DAC?的精度則與轉(zhuǎn)換器的所有元件的精度和穩(wěn)定度、電路中的噪聲和漏電等因素有關。例如，一個?16?位的?DAC?轉(zhuǎn)換器，它的最大輸出電壓為?10V，則對應于最低位的電壓為?152μV（分辨率），即為總電壓的?0.00152%。由此可見，為了達到?16?位?DAC?的分辨率，要求所有元器件有極精密的配合，并且嚴格地屏蔽干擾，徹底的杜絕漏?電。如下圖?所示為?n?位?DAC?的組成框?圖。圖n?位?DAC?的組成框圖（二）D/A?轉(zhuǎn)換器的類型D/A?轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作方式的不同分為:電壓相加型和電流相加型。根據(jù)譯碼網(wǎng)絡的不同分為：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。下面以?n?位倒?T?電阻網(wǎng)絡型?D/A?轉(zhuǎn)換器為例闡述?D/A?轉(zhuǎn)換的原理。由下圖可知，電阻網(wǎng)絡中只有?R?和?2R?兩種阻值的電?阻。圖倒?T?型電阻網(wǎng)絡型?D/A?轉(zhuǎn)換器的電路結構當輸入數(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。按照虛短、虛斷的近似計算方法，求和放大器反相輸入端的電位為虛地，所以無論開關合到哪一邊，都相當于接到了“地”電位上。在圖示開關狀態(tài)下，電流?I?的表達式為只要?VREF?選定，電流?I?為常數(shù)。流過每個支路的電流從右向左，分別為…。當輸入的數(shù)字信號為“1”時，電流流向運放的反相輸入端，當輸入的數(shù)字信號為“0”時，電流流向地，可寫出的表達?式：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：倒?T?電阻網(wǎng)絡型的特?點：（1）電路中電阻的種類很少，便于集成和提高精?度。（2）?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。（三）D/A?轉(zhuǎn)換器的主要技術指標1.?分辨率D/A?轉(zhuǎn)換器的分辨率指電路所能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比式中，n?表示輸入數(shù)字量得位數(shù)?？梢姡琻?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。DAC?誤差產(chǎn)生的原因有基準電壓的波動、運算放大器中的零點漂移、電阻網(wǎng)絡中電阻值的偏差及非線性失真等。要使?DAC?的精度高，不僅要選位數(shù)多的?DAC，還要選穩(wěn)定度高的基準電壓源和低溫漂的運放與其配?合。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?1，或由全?1?變?yōu)槿?0，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。（四）集成?D/A?轉(zhuǎn)換器的功能及使用常用的集成?DAC?有?DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408?等，DAC0832?是?DAC0830?系列中的一款采用?CMOS?工藝制成的單片電流輸出型?8?位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，是?8?位倒?T?電阻網(wǎng)絡型轉(zhuǎn)換器。DAC0832?是?8?位數(shù)據(jù)輸入，它與單片機、CPLD、FPGA?可直接連接，且接口電路簡單，轉(zhuǎn)換控制容易且使用方便，在單片機及數(shù)字系統(tǒng)中得到廣泛應用。DAC0832?的結構框圖和引腳排列圖分別如下圖?所?示。圖DAC0832?結構框圖圖圖DAC0832?引腳排列圖1.?DAC0832?的引腳功能DAC0832?由?8?位輸入寄存器、8?位?DAC?寄存器和?8?位?D/A?轉(zhuǎn)換器三大部分組成。它有兩個分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，可以實現(xiàn)兩次緩沖，可根據(jù)需要接成不同的工作方式。DAC0832?中采用的是倒?T?型?R-2R?電阻網(wǎng)絡，無運算放大器，是電流輸出，使用時需外接運放。DAC0832?的引腳含義說明如?下。（1）ILE：輸入鎖存允許信號，輸入高電平有?效。（2）：片選信號，輸入低電平有?效。（3）：輸入數(shù)據(jù)選通信號，輸入低電平有?效。（4）：數(shù)據(jù)傳送選通信號，輸入低電平有?效。（5）：數(shù)據(jù)傳送選通信號，輸入低電平有?效。（6）D7～D0：8?位輸入數(shù)據(jù)信?號。（7）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。（8）Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個反饋電阻）接線?端。（9）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。（10）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)。（11）VCC：電源輸入端（+5～+15V，一般取+5V）。（12）DGND：數(shù)字?地。（13）AGND：模擬?地。D/A?轉(zhuǎn)換芯片輸入的是數(shù)字量，輸出的是模擬量。模擬信號很容易受到電源和數(shù)字信號等干擾引起波動。為提高輸出的穩(wěn)定性和減少誤差，模擬信號部分必須采用高精度基準電源和獨立的地線，一般數(shù)字地和模擬地分?開。DAC0832?是電流輸出型，即它本身輸出的模擬量是電流，應用時需外接運算放大器使之成為電壓型輸?出。2.?DAC0832?的工作方式DAC0832?有三種工作方式：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。（1）直通方式在直通方式下，輸入寄存器和?DAC?寄存器處于不鎖存（直通）狀態(tài)。此時，輸入數(shù)字量可直接送入?D/A?轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并輸出。該方式適用于輸入數(shù)字量變化緩慢的場合。當輸入數(shù)據(jù)變化速度較快，或系統(tǒng)中有多個設備共用數(shù)據(jù)線時，為保證?D/A?轉(zhuǎn)換器工作正常，需要對輸入數(shù)據(jù)進行鎖存。直通工作方式接法如下圖（a）所?示。（2）單緩沖方式單緩沖方式是在輸入數(shù)字量送入?D/A?轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的同時，將該數(shù)字量鎖存在?8?位輸入寄存器中，以保證?D/A?轉(zhuǎn)換級輸入穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換正常。這種方式只需執(zhí)行一次寫操作，即可完成?D/A?轉(zhuǎn)換。