第8章數模和模數轉換器8.1概述8.2數/模轉換器(DAC)8.3模/數轉換器(ADC)8.1概述在實際控制系統中采用的計算機所要加工、處理的信號可以分為模擬量（Analog）和數字量（Digit）兩種類型，為了能用計算機對模擬量進行采集、加工和輸出，就需要把模擬量（如溫度、光強、壓力、速度、流量等）轉換成便于計算機存儲和加工的數字量（稱為A/D轉換）送入計算機進行處理，同樣經過計算機處理后的數字量所產生的結果依然是數字量，要對外部設備實現控制必須將數字量轉換成模擬量（稱為D/A轉換），因此，D/A與A/D轉換是計算機用于多媒體、工業控制等領域的一項重要技術。完成A/D轉換的電路稱A/D轉換器（簡稱ADC）；從數字信號到模擬信號的轉換稱數/模轉換（又稱D/A轉換），完成D/A轉換的電路稱D/A轉換器（簡稱DAC）。A/D、D/A轉換器在微機控制系統中應用非常廣泛，A/D轉換器位于微機控制系統的前向通道，D/A轉換器位于微機控制系統的后向通道。

下一頁返回8.1概述用計算機對生產過程進行實時控制，其控制過程原理方框圖如圖8-1所示。由A/D轉換器把由傳感器采集來的模擬信號轉換成為數字信號，送計算機處理，當計算機處理完數據后，把結果或控制信號輸出，由D/A轉換器轉換成模擬信號，送執行元件，對控制對象進行控制。可見，ADC和DAC是數字系統和模擬系統相互聯系的橋梁，是數字系統的重要組成部分。

上一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)8.2.1D/A轉換器的基本工作原理D/A轉換器用于將輸入的二進制數字量轉換為與該數字量成比例的電壓或電流。A/D轉換的原理有多種，但功能相同，下面以倒T型電阻網絡D/A換器為例，介紹其工作原理。8.2.2倒T型電阻網絡DAC倒T型電阻網絡D/A換器的組成框圖如圖8-2所示。圖中，數據鎖存器用來暫時存放輸入的數字量，這些數字量控制模擬電子開關，將參考電壓源UREF按位切換到電阻譯碼網絡中變成加權電流，然后經運放求和，輸出相應的模擬電壓，完成D/A轉換過程。

下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)如圖8-3所示為一個四位倒T型電阻網絡DAC電路原理圖（按同樣結構可將它擴展到任意位），它由數據鎖存器（圖中未畫）、模擬電子開關（S）、R-2R倒T型電阻網絡、運算放大器（A）及基準電壓UREF組成。模擬電子開關S3、S2、S1、S0分別受數據鎖存器輸出的數字信號D3、D2、D1、D0控制。當某位數字信號為1時，相應的模擬電子開關接至運算放大器的反相輸入端（虛地）；若為0則接同相輸入端（接地）。圖8-3所示電路從UREF向左看，其等效電路如圖8-4所示，等效電阻為R，因此總電流I=UREF/R。上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)流入每個2R電阻的電流從高位到低位依次為I/2、I/4、I/8、I/16，流入運算放大器反相輸入端的電流為所以運算放大器的輸出電壓為若RF=R,則有推廣到n位DAC，則有上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)8.2.3DAC的主要技術指標目前DAC的種類比較多，制作工藝也不相同，按輸入字長可分為8位、10位、12位、及16位等；按輸出形式可分為電壓型和電流型等；按結構可分為帶有數據鎖存器和無數據鎖存器兩類。不同類型的DAC在性能上的差異較大，適用的場合也不盡相同。因此，清楚DAC的一些技術參數是十分必要的。以下介紹DAC的一些主要技術指標：1.分辨率DAC的分辨率是反映DAC輸出模擬電壓的最小變化量。它與D/A轉換器能夠轉換的二進制位數n有關。分辨率=

上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)它表示輸出滿量程電壓與2n的比值。例如，具有12位分辨率的DAC，如果轉換后滿量程電壓為5V，則它所能分辨的最小電壓為：

可見，n越大，分辨最小輸出電壓的能力也越強,分辨率就越高。2.轉換精度轉換精度是指DAC在整個工作區間實際輸出的模擬電壓值與理論輸出的模擬電壓值之差。顯然，這個差值越小，電路的轉換精度越高。3.建立時間（轉換速度）建立時間是指DAC從輸入數字信號開始到輸出模擬電壓或電流達到穩定值時所用的時間。上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)8.2.4集成DAC舉例DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工藝制成的雙列直插式單片八位DAC，可以直接與Z80、8080、8085、MCS51等微處理器相連接。其主要特性：(1)分辨率為8位(2)電流穩定時間1μs(3)可工作于單緩沖、雙緩沖、直通等工作方式下(4)只需在滿量程下調整其線性度(5)單一電源供電（+5V～+15V）(6)低功耗（20mW）DAC0832集成電路結構框圖和管腳排列圖如圖8-5所示。

上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)DAC0832主要由一個八位輸入寄存器、一個八位DAC寄存器和一個八位D/A轉換器三大部分組成。它有兩個分別控制的數據寄存器，可以實現兩次緩沖，所以使用時有較大的靈活性，可根據需要接成不同的工作方式。DAC0832中采用的是倒T型R-2R電阻網絡，無運算放大器，是電流輸出，使用時需外接運算放大器。芯片中已經設置了Rfb,只要將9號管腳接到運算放大器輸出端即可。但若運算放大器增益不夠，還需外接反饋電阻。上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)DAC0832芯片上各管腳的名稱和功能說明如下：：片選信號，輸入，低電平有效。ILE：輸入鎖存允許信號，輸入，高電平有效。：輸入數據寫選通信號，輸入，低電平有效。當與同時有效時，將輸入數據裝入輸入寄存器。：DAC寄存器寫選通信號，輸入，低電平有效。當與同時有效時，將輸入寄存器的數據裝入DAC寄存器。：數據傳送控制信號，輸入，低電平有效。D0～D7：八位輸入數據信號。IOUT1：DAC輸出電流1，與數字量的大小成正比。此輸出信號一般作為運算放大器的一個差分輸入信號（一般接反相端）。上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)IOUT2：DAC輸出電流2，與數字量的反碼成正比。Rfb：反饋電阻輸入引腳，反饋電阻在芯片內部，可與運算放大器的輸出直接相連。UREF：基準電源的輸入。VCC：數字部分的電源輸入端，可在+5V到+15V范圍內選取。DGND：數字電路地。AGND：模擬電路地。結合圖8-5(a)可以看出A/D轉換器進行各項功能時，對控制信號電平的要求如表8-1所示。上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)DAC0832在不同信號組合的控制下可實現三種工作方式：雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型。如圖8-6所示。(1)雙緩沖器方式：如圖8-6(a)所示：首先，給一個負脈沖信號，將輸入數據先鎖存在輸入寄存器中。當需要D/A轉換時，再給一個負脈沖信號，將數據送入DAC寄存器中并進行轉換，這種工作方式稱為兩級緩沖方式。上一頁下一頁返回8.2數/模轉換器(DAC)(2)單緩沖器方式：如圖8-6(b)所示：接地，使DAC寄存器處于常通狀態，當需要D/A轉換時，給一個負脈沖，使輸入數據經輸入寄存器直接存入DAC寄存器中并進行轉換。這種工作方式稱為單緩沖方式，即通過控制一個寄存器的鎖存，達到使兩個寄存器同時選通及鎖存。(3)直通方式：如圖8-6（c）所示：和都接地，兩個寄存器都處于常通狀態，輸入數據直接經兩寄存器到DAC進行轉換，故這種工作方式稱為直通方式。實際應用時，要根據控制系統的要求來選擇工作方式。

上一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)8.3.1ADC的基本工作原理A/D轉換器的功能是把模擬量轉換為數字量。轉換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。模擬信號的大小隨著時間不斷地變化，為了通過轉換得到確定的值，對連續變化的模擬量要按一定的規律和周期取出其中的某一瞬時值進行轉換，這個值稱為采樣值。采樣頻率一般要高于或至少等于輸入信號最高頻率的2倍，實際應用中采樣頻率可以達到信號最高頻率的4～8倍。對于變化較快的輸入模擬信號，A/D轉換前可采用采樣保持器，使得在轉換期間保持固定的模擬信號值。相鄰兩次采樣的間隔時間稱為采樣周期。為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況，采樣周期要根據輸入量變化的快慢來決定，而一次A/D轉換所需要的時間顯然必須小于采樣周期。

下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)1.取樣和保持取樣（又稱抽樣或采樣）是將時間上連續變化的模擬信號轉換為時間上離散的模擬信號，即轉換為一系列等間隔的脈沖。其過程如圖8-7所示。圖中,Ui為模擬輸入信號，CP為取樣信號，Uo為取樣后輸出信號。取樣電路實質上是一個受控開關。在取樣脈沖CP有效期τ內，取樣開關接通，使Uo=Ui；在其他時間(TS-τ)內，輸出Uo=0。因此，每經過一個取樣周期，在輸出端便得到輸入信號的一個取樣值。為了不失真地用取樣后的輸出信號Uo來表示輸入模擬信號Ui，取樣頻率fS必須滿足fS≥2fmax(此式為取樣定理）。其中,fmax為輸入信號Ui的上限頻率（即最高次諧波分量的頻率）。上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)ADC把取樣信號轉換成數字信號需要一定的時間，需要將這個斷續的脈沖信號保持一定時間以便進行轉換。如圖8-8(a)所示是一種常見的取樣保持電路，它由取樣開關、保持電容和緩沖放大器組成。在圖8-8(a)中，利用場效應管做模擬開關，在取樣脈沖CP到來的時間τ內，開關接通，輸入模擬信號Ui(t)向電容C充電，當電容C的充電時間常數tC時，電容C上的電壓在時間τ內跟隨Ui(t)變化。取樣脈沖結束后，開關斷開，因電容的漏電很小且運算放大器的輸入阻抗又很高，所以電容C上電壓可保持到下一個取樣脈沖到來為止。運算放大器構成跟隨器，具有緩沖作用，以減小負載對保持電容的影響。在輸入一連串取樣脈沖后，輸出電壓Uo(t)波形如圖8-8（b）所示。上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)2.量化和編碼輸入的模擬信號經取樣—保持后，得到的是階梯形模擬信號。必須將階梯形模擬信號的幅度等分成n級，每級規定一個基準電平值，然后將階梯電平分別歸并到最鄰近的基準電平上。圖8-9中兩種量化編碼方法的比較稱為量化。量化中的基準電平稱為量化電平，取樣保持后未量化的電平Uo值與量化電平Uq值之差稱為量化誤差δ，即δ=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法（或稱四舍五入法）。用二進制數碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。圖8-9表示了兩種不同的量化編碼方法。上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)ADC可分為直接ADC和間接ADC兩大類。在直接ADC中，輸入模擬信號直接被轉換成相應的數字信號，如計數型ADC、逐次逼近型ADC和并行比較型ADC等，其特點是工作速度高，轉換精度容易保證，調準也比較方便。而在間接ADC中，輸入模擬信號先被轉換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將中間變量轉換為最后的數字量，如單次積分型ADC、雙積分型ADC等，其特點是工作速度較低，但轉換精度可以做得較高，且抗干擾性強，一般在測試儀表中用得較多。下面介紹常用的逐次逼近型ADC和一種常用的集成電路組件。上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)8.3.2逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC的結構框圖如圖8-10所示，包括四個部分：比較器、DAC、逐次逼近寄存器和控制邏輯。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。轉換前先將寄存器清零。轉換開始后，控制邏輯將寄存器的最高位置為1，使其輸出為100…0。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓Uo,送到比較器與輸入Ui進行比較。若Uo＞Ui，說明寄存器輸出數碼過大，故將最高位的1變成0，同時將次高位置1；若Uo≤Ui,說明寄存器輸出數碼還不夠大，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。上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)8.3.3ADC的主要技術指標1.分辨率ADC的分辨率指A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。常以輸出二進制碼的位數n來表示。分辨率=式中，FSR是輸入的滿量程模擬電壓。2.轉換速度轉換速度是指完成一次A/D轉換所需的時間。轉換時間是從接到模擬信號開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經歷的時間。轉換時間越短，說明轉換速度越高。3.相對精度在理想情況下，所有的轉換點應在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差，一般用最低有效位來表示。

上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)8.3.4集成ADC舉例ADC0809是常見的集成ADC。它是由美國NS公司生產的，采用CMOS工藝制成的八位八通道單片A/D轉換器，采用逐次逼近型ADC，片內有三態輸出緩沖器，可以直接與微機總線相連接。該芯片有較高的性能價格比，適用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業控制領域。由于其價格低廉，便于與微機連接，因而應用十分廣泛。ADC0809主要技術指標︰（1）分辨率為8位；（2）總的非調整誤差為±1LSB；（3）增益溫度系數為0.02％；（4）低功耗電量為20mW；上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)（5）單電源+5V供電，基準電壓由外部提供，典型值為+5V，此時允許模擬量輸入范圍為0–5V；（6）轉換速度約1μs，轉換時間為100μs（時鐘頻率為640kHz）；（7）具有鎖存控制功能的8路模擬開關，能對8路模擬電壓信號進行轉換；（8）輸出電平與TTL電平兼容。ADC0809的結構框圖及管腳排列圖如圖8-11所示。它由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、ADC、三態輸出鎖存緩沖器組成。上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)芯片上各引腳的名稱和功能如下：IN0～IN7：八路單端模擬輸入電壓的輸入端。UR(+)、UR(-)：基準電壓的正、負極輸入端。由此輸入基準電壓，其中心點應在UCC/2附近，偏差不應超過0.1V。START：啟動脈沖信號輸入端。當需啟動A/D轉換過程時，在此端加一個正脈沖，脈沖的上升沿將所有的內部寄存器清零，下降沿時開始A/D轉換過程。ADDA、ADDB、ADDC：模擬輸入通道的地址選擇線。ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。當ALE=1時，將地址信號有效鎖存，并經譯碼器選中其中一個通道。CLK：時鐘脈沖輸入端。

上一頁下一頁返回8.3模/數轉換器(ADC)D0～D7：轉換器的數碼輸出線，D7為高位，D0為低位。OE：輸出允許信號，高電平有效。當OE=1時，打開輸出鎖存器的三態門，將數據送出。EOC：轉換結束信號，高電平有效。在START信號上升沿之后1～8個時鐘周期內，EOC信號輸出變為低電平，標志轉換器正在進行轉換，當轉換結束，所得數據可以讀出時，EOC變為高電平，作為通知接受數據的設備取該數據的信號。結合圖8-11電路框圖可將ADC0809的工作時序總結如圖8-12所示。實際應用中的ADC還有很多種，讀者可根據需要選擇模擬輸入量程、數字量輸出位數均合適的A/D轉換器。現將常見集成ADC列于表8-2中。上一頁返回圖8-1計算機對生產過程進行實時控制原理示意圖返回圖8-2