2020-04-09
第10章 模拟量和数字量的转换
图10.4 逐次逼近比较式A/D转换原理框图
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第10章 模拟量和数字量的转换
10.1.3 集成ADC0809简介 ADC0809是一种采用CMOS工艺制成的8路模拟输 入的8位逐次逼近型ADC，它由单一+5V供电，片内带 有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0～5V的输入模拟 电压分时进行转换，完成一次转换约需100s，其原理 框图如图10.5所示。
由传感器、放大电路输出的信号是连续变化的模拟 信号，它们不能直接送入数字系统进行处理，为此，需 要把模拟信号转换为数字信号，这个过程称为模、数转 换，实现模、数转换的电路称为模/数转换器，简称为A /D转换器，即ADC（Analog Digital Converrter）。有时 还需要把处理后的数字信号再转换成模拟信号。把数字 信号转换为模拟信号的过程称为数模转换，实现数模转 换的电路称为数/模转换器，简称为D/A转换器，即DAC （Digital Analog Converrter）。
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图10.5 ADC0809的原理框图
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ADC0809的符号图如10.6所示，各端子的功能如下： IN-0~IN-7——8路模拟量输入端。 ADD-C，ADD-B，ADD-A——地址线，ADD-C 为 最高位，根据其值选择一路输入信号进行A/D转换。 ALE——地址锁存允许信号输入端，高电平有效。 START——A/D转换启动信号输入端，当其为高电 平时，开始转换。 EOC——转换结束信号输出端，开始转换时为低电 平，转换结束时为高电平。
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1. 采样和保持 所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转 化为时间上离散变化的数字量。模拟信号的采样过程如
图u闭o（合10t）.2时（为间a输），出、一模（般拟b）T信远所号远示。大，它于其相 中，当u若于i（每t）≈隔0为，时输称间入为T模采理拟样想信开采号关样，。
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显然，其工作过程可与天平称重物类比，并得到 解释。图中的电压比较器相当于天平，被测模拟电压 输入ui相当于重物，基准电压Vref相当于电压砝码，且 电压砝码具有按8421编码递进的各种规格。根据ui＜Vr ef或ui＞Vref，比较器有不同的高低电平输出，从而输出 由大到小的基准电压砝码，与被测模拟输入电压ui比较， 并逐次减小其差值，使之逼近平衡。当ui=Vref，比较器 输出为零，相当于天平平衡，最后以数字显示的平衡 值即为被测电压值。
采样的宽度往往是很窄的，而每次把采样电压转换 为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次采样以 后，必须把采样电压保持一段时间以保证采样过程的实 施。通常将需要的采样结果存储起来，直到下次采样到 来所示，。这个过程称做保持。保持信号波形us(t)如图10.2（c）
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10.1.1 A/D转换器的基本原理 A/D转换器要实现将连续变化的模拟量变为离散的 数字量，通常要经过4个步骤：采样、保持、量化和编 码，如图10.1所示。一般前两步由采样保持电路完成， 量化和编码由A/D完成。
图10.1 A/D转换原理框图
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内容提要 本章讨论数/模和模/数转换的基本原理以及几种 常用的典型转换电路，并就主要的应用和技术指标进 行介绍。
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10.1 A/D转换器 10.2 D/A转换器
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图10.2 信号的采样和保持过程 （a）原始信号；（b）采样信号；（c）保持信号
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2. 量化和编码 所谓量化，就是把采样电压转化为某个最小单位 电压 的整数倍的过程。分成的等级叫做量化级， 称为量化单位。所谓编码，就是用二进制代码来表示 量化后的量化电平。显然，数字信号最低有效位（LS B）的1所代表的数量大小就等于。采样后的数值不 可能刚好是某个量化基准值，总有些偏差，这个偏差 称为量化误差。显然，量化级越细，量化误差就越小， 但所用的二进制代码的位数就越多。同时，采用不同 的量化等级进行量化时，可能产生不同的量化误差。
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例如把0～+1V的模拟电压 转换成3位二进制代码，则最简 单的方法是取=1/8V，并规定凡 数值在0～1/8V之间的模拟电压 量化时都当做0·，用二进制数0 00表示；凡数值在1/8～2/8V之 间 的 模 拟 电 压 都 当 做 1 · 对 待 ， 用二进制001表示，依次类推，7 /8～1V之间的模拟电压则当做 7·，如图10.3所示。不难看出， 这种量化方法可能带来的最大量 化误差可达，即1/8V。这样， 采样的模拟电压经过量化编码电 路后就转换成一组n位的二进制 数输出，这个二进制数就是A/D 转换的输出结果。
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10.1 A/D转换器 A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10 位、12位和16位等。位数越高，其分辨率就越高，和D /A转换器一样，其型号很多，在精度、速度和价格上 也千差万别。就A/D转换器的变换原理可分为两大类： 逐次逼近型和双积分型，这里介绍逐次逼近型A/D。
图10.3 量化电平及量化误差
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10.1.2 逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近比较式A/D转换器可以用图10.4所示的原 理框图来描述。其基本工作原理叙述为：转换开始前 先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先 将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数 码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器 中与ui进行比较。若ui＜uo，说明数字过大了，故将最 高位的1清除；若ui＞uo，说明数字还不够大，应将这 一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并 且经过比较确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下 去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状 态就是所要求的数字量输出。