模数转换和数模转换

单击此处编辑母版标题样式,数字电路与逻辑设计,第7章 模数转换和数模转换,本章要点,本章将介绍模数转换和数模转换的根本原理和及其电路。先讨论模数转换的原理，并重点讲述了典型模数转换芯片ADC0809的根本原理、引脚结构、典型应用电路；其后介绍数模转换的根本原理，重 点讲解倒T型权阻网络的根本原理，,介绍典型数模转换,芯片DAC0832的基,本原理、芯片结构、,典型应用电路；最,后以ADC0809和,DAC0832为核心芯,片，介绍了数字录音,机的构成。,倒T型数模转换器,8.1 概述,A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号的电路称为模数转换器，记为ADCanalog to digital converter。,D/A转换器：将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器，记为DACdigital to analog converter。,典型的数字通信系统框图,典型的数字控制系统框图,8.2 模数转换,模数转换器是将时间和幅值都连续的模拟信号转换为时间和幅值都是离散的数字信号的电路 ,一般指将电压量转换为数字量的过程。要实现模数转换，一般需要经过四个过程，即采样、保持、量化和编码。,模数转换的四个过程,8.2.1 A/D转换的根本原理,1.采样：,采样是将时间上连续的模拟信号转换为时间上离散的信号。,模拟信号的采样,原始模拟信号,采样脉冲,采样信号,为了保证采样信号fst能正确无误的表示模拟信号ft，采样信号的频率必须满足,采样定理,输入的模拟信号的频率的最大值,注：,在满足采样定理的条件下，可以用低通滤波器无失真的从采样信号中的恢复出原模拟信号。,由于对采样信号的数字化处理需要时间，而采样信号的频率越高，留给数字化处理的时间越短，故样信号需要保持一定时间，这个过程称为保持。一般采样和保持都在采样保持器中一起完成 。,采样保持电路,2. 量化：,量化是将时间上离散，幅值上连续的采样信号进行幅值离散处理取整的过程，即将采样脉冲电平转换为与之相近的离散数字电平的过程。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。,量化的两种方法,量化单位,只舍不入，量化误差为,有舍有入，量化误差为/2,量化利用比较器,完成，编码用触,发器和编码器完成,8.2.2 不同类型ADC的特点,模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC。,1.间接ADC,先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用是双积分型ADC。,双积分型ADC：,先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲CLK计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。,特点：,工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作速度低。,常用的集成芯片有CB7106,CB7127,2.直接ADC,直接ADC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC 。,并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是本钱高、功耗大。n位输出的ADC，需要2n个电阻、2n1个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。,并联比较型ADC,逐次逼近型ADC,逐次逼近型ADC的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要n+1个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC 的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。,常用的集成芯片有ADC0804,ADC0809,8.2.3 集成ADC芯片ADC0809,ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次比较存放器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。,ADC0809内部逻辑结构图,1. 逐次逼近型A/D转换器工作原理,n位逐次比较型A/D转换器包括控制逻辑电路、时序产生器、移位存放器、D/A转换器及电压比较器组成。,逐次比较型A/D转换器原理框图,将n位数字量从高位起逐次设置为“1，并利用DAC产生参考电压vDA，与输入模拟信号vi做比较。假设二者不相等，那么调整DAC产生的参考电压，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。,工作原理,2. ADC0809引脚及使用说明,ADC0809采样频率为8位，以CMOS集成工艺制成。单个5V电源供电，模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准，输出电压范围为05V，转换时间为100s。功耗低，约为15mW 。,管脚图,各引脚功能如下, IN7IN0：模拟量输入通道，电压范围为05 V。注意：输入信号为单极性信号；假设信号过小还需进行放大；如果变化太快，在输入前应增加采样保持电路；, ALE：,地址锁存允许信号，高电平有效。在对应ALE上跳沿，ADDA、ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中；, ADDA、ADDB、ADDC,：,地址线， ADDA 为低位，ADDC为高位，用于对输入的模拟通道进行选择，简化为A、B、C。当CBA=000时，选中输入端上IN0的模拟电压进行A/D转换；同理，当CBA=001时，选中输入端上IN1的电压进行转换；依次类推，当CBA=001时，选中IN7输入端上的电压进行转换；, START：转换启动信号。该脉冲由数字控制系统提供，宽度要大于100ns ；上升沿时，所有内部存放器清；START下降沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，应保持低电平；, D,7,D,0,：,数据输出线。D,7,为最高位，D,0,为最低位。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连；, OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0时，输出数据线呈高阻态；OE=1时，使D,7,D,0,引脚上输出转换后的数字量,；, EOC：转换结束状态信号。当EOC=0时，正在进行转换；当EOC=1时，转换结束，数字量已锁入“三态输出锁存器。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用 ；, CLK：时钟信号。用于为ADC0809提供逐次比较所需时钟脉冲序列。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。最高频率为650kHz，通常使用频率为500kHz。时钟频率决定了A/D转换器的转换速率，ADC0809每一通道的转换约需6673个时钟周期，当时钟频率取640KHz时，转换一次约需100ns的时间，这是ADC0809所能允许的最短转换时间 ；,V,CC,：+5 V电源,；,V,GND,：地,；,VREF+、VREF：参考电源。参考电源用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为VREF+=5V，VREF=0V。,ADC0809的典型时序,ADC0809的典型时序图,最小启动脉宽，典型值200ns。存放器清零,地址设置时间，典型值100ns,转换时间,转换结束时间,ADC0809的工作过程,输入三位地址,ALE上升沿锁存,START上升沿，逐次比较存放器清零,EOC低电平,START下降沿转换开始,CLK控制,转换结束EOC高电平,OE为高电平，数据传输到母线,3. ADC0809的典型应用,8通道数据采集系统,ADC0809与单片机的连接之一,ADC0809数据传输的三种方式,定时传送方式,设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。,查询方式,A/D转换芯片有说明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查询方式，软件测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，然后进行数据传送。,中断方式,把说明转换完成的状态信号EOC作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。,8.3 数模转换,数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路。为了将数字量转换成模拟量，就需要对每一位的数码按照其权的大小转换成对应的模拟量。数模转换从某种意义上讲就是把二进制的数转换相应的模拟量的数值。,D/A转换框图,n位D/A转换器原理方框图,D/A转换器的组成,DAC一般由数码缓冲存放器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。数字量输入后存储在数码缓冲存放器中，对应位数上的数控模拟开关由缓冲存放器的输出控制，在解码网络中获得的相应数位的权值后送入求和电路，由求和电路将各位权值相加，输出即是要转换的模拟量。,8.3.1 D/A转换器的构成和根本原理,按解码网络,权电阻网络DAC,R2R倒T形电阻网络DAC,权电流型网络DAC,T型电阻网络DAC,按电子开关类型,CMOS开关型DAC速度低,电流开关型DAC速度高,ECL电流开关型DAC 速度最高,双极型DAC 速度高,分类,DAC0808、DAC0807,CB7520、DAC0832,4位倒T型电阻网络D/A转换器,4位倒T形电阻网络DAC原理电路,电子开关,倒T形电阻网络,参考电压,运放接成反相比例运算,0,0,1,0,4位倒T型电阻网络D/A转换器输出电压的推导,注意：无论电子开关接哪边，与相连的电阻均相当于接“地地或虚地。,推广：n位倒T型电阻网络D/A转换器输出电压公式,一般倒T型电阻网络DAC集成芯片都选用Rf=R，那么,注意：倒T形电阻网络DAC是目前广泛使用的DAC中速度较快的一种，常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有DAC0832(8位)、AD752010位、DAC121012位和AK754616位高精度等。,8.3.2 集成DAC芯片DAC0832,DAC0832内部电路结构图,DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。单电源供电，从+5+l5V均可正常工作。基准电压的范围为10V，电流建立时间为ls，低功耗20mW。,引脚图,1. DAC0832引脚及使用说明,V,CC,：电源输入线， +5V +15V；,V,REF,：参考电压， -10V +10V；,DGND：数字量地；,AGND：模拟量地；,DI0DI7：数字量输入线；,RFB：反响信号输入端，在芯片内部，为15K；,I,OUT2,、I,OUT1,：模拟电流输出线，等于V,REF,/R,FB,，通常接运放的两个输入端；,CS：片选端，低电平有效。当为低电平时，该片被选中；当为高电平时输入寄存器数据被封锁，数据不能输入到输入寄存器，该片未被选中；,ILE：允许数字量输入，当ILE高电平时，允许8位输入存放器输入数字量 ；,XFER：传输控制输入，低电平有效。用于控制 WR2是否被选通,；,（11）WR1：写命令输入。控制数字量输入到8位输入寄存器 。低电平有效，上升沿锁存。当ILE 、CS和WR1同时有效，数字量写入输入寄存器；在WR1的上升沿数据锁存；,（12）WR2：写命令输入，低电平有效。控制D/A转换时间。当XFER 、 WR2 同时有效时，数字量才写入DAC寄存器，并在WR2的上升沿数据锁存；,的应用,DAC0832内部有输入存放器和DAC存放器两个存放器，因此DAC0832能工作于双缓冲方式，即两个存放器可以同时保存两组数据，8位数字量输入可先保存在输入存放器中，然后再将此数据由输入存放器送到DAC 存放器中锁存并进行D/A转换。这样就防止在输入下一次数字量的 时候对模拟信号输出的干扰。同时在进行D/A转换的同时输入下一 次数字量也可以提高D/A转换的速度。,的工作方式,1直通型,DAC0832直通型工作方式,说明：此时，输入存放器和DAC存放器的输出随数字量的变换而变化。一般直通型工作方式常用于模拟量能直接迅速的反映数字量变化的系统,2单缓冲型,DAC0832单缓冲型工作方式,说明：所谓单缓冲方式就是使DAC 0832的输入存放器和DAC存放器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入存放器同时受控的方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出时，就可采用单缓冲方式 。,3双缓冲型,DAC0832双缓冲型工作方式,说明：所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的输入存放器和DAC存放器都接成受控锁存方式。为了实现存放器的可控，应给存放器分配一个地址，以便能按地址进行操作。,8.4 模数转换和数模转换的典型应用-数字录音机,数字录音机的原理框图,话筒MIC,带通滤波器，3003400Hz,信号变为单极性05V,采用0809,采用8051,采用0832,A/D转换电路与单片机相连,A/D转换电路与单片机相连,本章小结,随着微处理器在各种测控、检测电路中的广泛应用，A/D和D/A转换器的应用也日益广泛。在A/D转换器中分别介绍了A/D转换的根本原理、A/D转换器常用的三种分类及各自的应用环境，最后重点介绍了逐次比较型ADC的根本原理和最常见的8位集成逐次比较型A/D转换器ADC0809的特点和典型应用。在D/A转换器中分别介绍了D/A转换的根本原理、D/A转换器常用的两种种分类及各自的优缺点，并重点描述了倒T型电阻网络D/A转换器的特点和转换原理，最后详细介绍了最常见的8位集成倒T型电阻网络D/A转换器DAC0832的特点和典型应用。本章最后将典型的集成芯片ADC0809和DAC0832结合起来，介绍了最根本最简单的应用-数字录音机的构成。,作 业,8-5,