DAC的系统应用与ADC原理

1、DAC的系统应用实例 MCS51单电源系统中的综合应用： A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R + n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 0:2.5VLM336 REFV0o V现实问题：只有正电源（现实问题：只有正电源（5V或或12V），没有负电源！），没有负电源！倒倒T型型DAC的的内部电路内部电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VR

2、EF AD7520 RF 10K 10K 20K 倒T型DAC的等效电路567U?BLM324R2RR2R2RVrefVorefrefNBVVNVo 2567U?BLM324RRVoVinVposiposiinposiinposiinposiVVVVVVVVo )( 2 )()11( D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K (1/2)Vref0)21( 2)21(2 refNBrefNBrefoVNVNVV如何正确得到如何正确得到(1/2)Vref

3、 ？还是基本原理解决问题！Vcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE19WR218CS1WR12Xfer17U?DAC0832567U?BCA324C?30pFVrefC?0.1uFC?10uFRRC?10uF1098U?CCA324Rs33RC?0.1uFC?10uFVout(1/2)Vref R-2R DAC 小结小结 电压和成型R-2R：低速低成本； 等效成可编程电压源与R的串联输出； 其输出阻抗为R； 倒T型R-2R:较高速低成本； 等效成可编程电流源与R串联输出； 输出阻抗为R；

4、须外接运放实现I-V变换； A/DA/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码取样、保持、量化和编码四个步骤完成。四个步骤完成。 模数转换器模数转换器A/DA/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时转换为时间上离散的信号间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。等间隔的脉

5、冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。取样和保持取样和保持 取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 maxf2fs )5( ;3maxmaxfffs 模拟信号经采样后，得到一系列模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲样值脉冲。采样脉冲宽度。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加后须加保持电路保持电路。在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t) )到来的时间到来的时间内，内，

6、VTVT导通，导通，U UI I( (t t) )向电容向电容C C充电，假充电，假定充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t)(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。下一个采样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，运算放大器为，运算放大器为跟跟随器随器，起缓冲，起缓冲隔离隔离作用。作用。取样保持电路及输出波形取样保持

7、电路及输出波形 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波阶梯波。而该阶。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n n位数字量只能表示位数字量只能表示2 2n n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于似于四舍五入的近似问题四舍五入的近似问题。量化和编码量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为程称为量化量化。指定的离散电平称为。指定的离散电平称为量化电平量化电

8、平U Uq q 。用二进制数码。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为来表示各个量化电平的过程称为编码编码。两个量化电平之间的差值。两个量化电平之间的差值称为称为量化单位量化单位，位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保就越小。取样保持后未量化的持后未量化的U Uo o值与量化电平值与量化电平U Uq q值通常是不相等的，其差值称为值通常是不相等的，其差值称为量化误差量化误差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。 A/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接

9、转换法两大类。两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较比较，从而，从而直接直接将模拟量将模拟量转换转换成数字量。其特点是成数字量。其特点是工作速度高工作速度高，转换精度，转换精度容易保证，调准也比较方便。容易保证，调准也比较方便。直接直接A/D转换器有计数型、逐次比转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型较型、并行比较型等。等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量中间变量时间时间t或频率或频率f, 然后再将然后再将t或或f转换成数字量。其特点是转换成数字量。其特点是工作速度较低工作速度较低，但，但

10、转换转换精度可以做得较高精度可以做得较高，且抗干扰性强。，且抗干扰性强。间接间接A/D转换器有单次积分转换器有单次积分型、双积分型型、双积分型等。等。A/DA/D转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 电电 压压 比比较较 器器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄寄 存存

11、 器器 编编 码码 器器 15U13REF 15U11REF 15U9REF 15U7REF 15U5REF 15U3REF 15U1REF 1. 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 量化电平依据有舍有量化电平依据有舍有入划分为入划分为7 7个电平。个电平。量化单位为量化单位为 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化误差为量化误差为| |maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF电压比较器电压比较器 U U+ +U U- -时，时，C Ci i1 1； U U+ +U U- -时，时，C Ci i0 0。 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器真值表转换器真

12、值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V则数字量输出则数字量输出d d2 2d

13、 d1 1d d0 0101101。优点：转换速度很快，故又称优点：转换速度很快，故又称高速高速A/D转换器转换器。含有寄。含有寄存器的存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附不用附加取样保持电路加取样保持电路。缺点：电路复杂，对于一个缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较位二进制输出的并行比较型型A/D转换器，需转换器，需n -1个电压比较器和个电压比较器和2n -1个触发器，个触发器，编码电路也随编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。压网络和电压比较器灵敏

14、度的限制。 因此，这种转换器适用于因此，这种转换器适用于高速，高速， 精度较低精度较低的场合。的场合。 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的特点：转换器的特点：逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器(SAR) Successive Approximation Register 取样保持 n位DAC 控制逻辑 + - + C 时钟源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 输出寄存器 转换控 制信号 模拟输入 u1 u1 偏移电压 u0 u0 /2 UREF 比较器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d2 数字输出 d1 d0 (LSB)

15、逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器原理图转换器原理图 转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清清“0”；开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成最高位置成1，使输出数字为使输出数字为1000。这个数码被。这个数码被D/A转换器转换成相应的模转换器转换成相应的模拟电压拟电压uo，经偏移，经偏移/2后得到后得到uOuO/2，并送到比较器中与，并送到比较器中与uI进行比较。进行比较。若若uIuo，说明数字过大，故将最高位的，说明数字过大，故将最高位的1清除清除置零；若置零；若uIuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。，说

16、明数字还不够大，应将这一位保留。然后，按同样的方法将次高位置成然后，按同样的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确，并且经过比较以后确定这个定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理：转换器的工作原理： 例：若例：若U UREFREF-4V-4V，n n4 4。当采样保持电路输出电压。当采样保持电路输出电压u uI I=2.49V=2.49V时，试时，试列表说明列表说明逐次逼近型逐次逼

17、近型ADCADC电路电路的的A/DA/D转换过程。转换过程。解：量化单位为解：量化单位为V2501642|U|nREF. 偏移电压为偏移电压为/2/20.125V0.125V转换的结果为：转换的结果为：d3d2d1d01010。SAR-ADCLOGICVCCm-clkINPUTVCCcvt-enINPUTVCCin-sig3.0INPUTcvt-out3.0OUTPUTPRNCLRNDENAQDFFEinstPRNCLRNDENAQDFFEinst2PRNCLRNDENAQDFFEinst3PRNCLRNDENAQDFFEinst4PRNCLRNDENAQDFFEinst5PRNCLRNDEN

18、AQDFFEinst6PRNCLRNSRQSRFFinst7PRNCLRNSRQSRFFinst8PRNCLRNSRQSRFFinst9AND2inst10AND2inst11PRNCLRNSRQSRFFinst12OR2inst13AND2inst14OR2inst15AND2inst16OR2inst17DFFdata3.0clockenableaclrq3.0adc_outregsinst20NOTinst21unsigned comparedataa3.0datab3.0agbadc_compareinst18in-step3.0in-step0in-step1in-step2in-s

19、tep3in-step3.0SAR-ADCSimulation3）双积分式ADC 基本原理： 通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。 原理框图 包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。 下图a.原理框图，b.工作波形图。 主主门门计计数数器器逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-VrVr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1 S S2 2Vot0t1复复零零t2t3VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入a.b.清清零零T0f0T011T0原理框图工作波形图双积分式ADC 工作过

20、程 复零阶段（t0t1）。开关S2接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Vo回到零（Vo=0）。 对被测电压定时积分(t1t2)。接入被测电压（设Vx为正），则积分器输出Vo从零开始线性地负向增长，经过规定的时间T1，Vo达到最大Vom，式中， 为Vx的平均值， 为积分波形的斜率(定值) 对参考电压反向定值积分(t2t3)。接入参考电压(若Vx为正，则接入-Vr)，积分器输出Vo从Vom开始线性地正向增长(与Vx的积分方向相反)直至零。2111tomxxtTVV dtVRCRC 10TxxVV dt1TRC 此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有： 将Vom代入可得： 由

21、于T1、T2是通过对同一时钟信号（设周期T0）计数得到（设计数值分别为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 或式中， 为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）。 可见计数结果N2（数字量）即可表示被测电压Vx，N2即为双积分A/D转换结果。32210()tomromrtTVV dtVVRCRC21xrTVVT221xrNVVeNN121xxrNNVVVe1rVeN 双积分式双积分式ADCADC特点：特点： 基于基于V-TV-T变换变换的比较测量原理。的比较测量原理。 一次测量包括一次测量包括3 3个连续过程，所需时间为个连续过程，所需时间为T T0 0+T+T1 1+T+T2 2

22、，其，其中，中，T T0 0、T T1 1是固定的，是固定的，T T2 2则与被测电压则与被测电压V Vx x有关，有关，V Vx x愈大愈大T T2 2愈大。一般转换时间在几十愈大。一般转换时间在几十msms几百几百msms，（转换速度，（转换速度为为几次几次/ /秒秒 几十次几十次/ /秒秒），其速度是较低的，常用于高），其速度是较低的，常用于高精度慢速测量的场合。精度慢速测量的场合。 积分器的积分器的R R、C C元件元件对对A/DA/D转换结果不会产生影响，因而转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。对元件参数的精度和稳定性要求不高。 参考电压参考电压V Vr r的

23、精度和稳定性对的精度和稳定性对A/DA/D转换结果有影响，一转换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。（例如，一个般需采用精密基准电压源。（例如，一个16bit16bit的的A/DA/D转换器，其分辨率转换器，其分辨率LSB=1/2LSB=1/21616=1/6553615=1/65536151010-6-6，那，那么，要求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优么，要求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于于15ppm15ppm（即百万分之（即百万分之1515）。）。 双积分式ADC特点： 比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力（响应带宽）。如一个12位的A/D转换器，若满度时

24、积分器输出电压为4.096V，则ADC的1LSB=4.096V/4096=1mV，则要求比较器的灵敏度优于1mV。响应带宽则决定了比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。 积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好的抗干扰能力。如输入电压vx=Vx+vsm，则T1阶段结束时积分器的输出为 DVM的最大干扰来自于电网50Hz工频电压（周期为20ms），因此，只要选择T1时间为20ms的整倍数，则干扰信号vsm的平均值为零。21111()tsmomxsmxtTTVVvdtVvRCRCRC 双积分型双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其转换

25、成与其大小成正比的时间间隔大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。变换成数字量。 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 这种这种A/D转换器具有很多转换器具有很多优点优点。首先，其转换结果与时间常。首先，其转换结果与时间常数数RC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而，而

26、T2正比于输入信号在正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中度较高而转换速度要求不高的仪器中。 mVVV44.2096410101221分辨率分辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/DA/D转换器对

27、输入模拟信号的分辨能力。从理论转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个上讲，一个n n位二进制数输出的位二进制数输出的A/DA/D转换器应能区分输入模拟电转换器应能区分输入模拟电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。 FSRn21A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，满幅度输入模拟信位二进制数，满幅度输入模拟信号为号为10V10V，则其分辨率为，则其分辨率为 2. 2. 转换时间转

28、换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/DA/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/DA/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换

29、器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。 转换误差转换误差 它表示它表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用之间的差别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616

30、个热电个热电偶的输出电压分数进行偶的输出电压分数进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0 0450450温度范围），需分辨的温度为温度范围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选择几，试问应选择几位的位的A/DA/D转换器？其转换时间为多少？转换器？其转换时间为多少？解：解：4500145010 .分辨率分辨率= 409612112 12位位ADC的分辨率的分辨率= 故需选用故需选用1313位位A/DA/D转换器。转换器。ms562161. 转换时间转换时间= 知识的综合 ADC的取样率的选取，理论VS实践； ADC的

31、驱动，基本电路原理； ADC的电路设计，还是地线问题！知识的综合 ADC的取样率的选取，理论的取样率的选取，理论VS实践；实践； ADC的驱动，基本电路原理；的驱动，基本电路原理； ADC的电路设计，还是地线问题！的电路设计，还是地线问题！ADC的取样率的选取 基本原则，尽量选择较高的频率！抗混叠滤波器电压缓冲器ADC原因：1、没有理想的抗混叠滤波器；2、LPF通常会引入不同程度的相位误差；3、为信号的数字处理提供足够的信息量；ADC的取样率的选取如何选取抗混叠滤波器 将不关心的频率成分衰减到ADC的分辨率之下，也即：幅度衰减到1LSB以内，使得ADC很难“认出”高频信号； 例如：采用12bit分辨的ADC，取样频率为10KHz，则抗混叠滤波在5KHz处的信号衰减能力要能达到1/4096；表示为dB格式：dB25.72)40961log(20 提高取样率之后 例如：采用12bit分辨