DA与AD转换器ppt课件

1、第九章第九章 D/A和和A/D转换器转换器9.1 概述概述9.2 D/A转换器转换器9.3 A/D转换器转换器 9.1 概概 述述 随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。遍。 完成完成A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器简称转换器简称ADC）。）。 完成完成D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器简称转换器简称DAC）。）。 典型应用系统之一典

2、型应用系统之一多路数据采集系统多路数据采集系统 典型应用系统之二 声音的存储与回放系统 9.2 D/A转换器转换器一、一、D/A转换器的基本概念转换器的基本概念 10O2niiinDKKDv数字信号数字信号模拟信号将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。01234567001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出vo/VD000以三位以三位DAC为例，设为例，设K=1，可得出，可得出vO和和Dn的关系的关系D2D1D0vO0 0 00 V0 0 11 V0 1 0 2 V0 1 13 V1 0 04 V1 0 15 V

3、1 1 06 V1 1 17 V10O2niiinDKKDvn组成：组成：n D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、n解码网络、求和电路、基准电压几部分构成。解码网络、求和电路、基准电压几部分构成。n 原理：对数字量的每位二进制代码按其权的大原理：对数字量的每位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现D/A转换。转换。数码寄存器模拟 开关译码 网络求和放大器Du基准电压UREFDAC方框图二二 倒倒T

4、形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622 由求和运算放大器、基准电由求和运算放大器、基准电VREF、R2R倒倒T形电阻网形电阻网络和模拟开关络和模拟开关S0S3等四部分组成。等四部分组成。电路组成电路组成 4 4位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端虚地），接运算放大器反相输入端虚地），电流电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，

5、时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。 所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻电阻均接均接“地地”（地或虚地），因此流经（地或虚地），因此流经2R电阻的电流电阻的电流与开关位置无关，为确定值。与开关位置无关，为确定值。工作原理工作原理等效电路：等效电路：可算出，基准电流可算出，基准电流 I=VREF/R输出电压：输出电压：则流过各开关支路从右到左的电流分别为则流过各开关支路从右到左的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：。于是得总电流：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRV )2(2304i

6、iiREFffODRVRRiv 将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 其中：其中：)2(210iniinREFfODVRRvnREFfVRRK2合理选择电路参数，提高转换精度合理选择电路参数，提高转换精度 基准电压的精度和稳定性对基准电压的精度和稳定性对D/A精度影响很大，在精度影响很大，在精度要求高时可采用带隙基准电压源；精度要求高时可采用带隙基准电压源； 倒倒T电阻网络中的电阻比值精度要高；电阻网络中的电阻比值精度要高； 每个模拟开关的开关电压降要相等；每个模拟开关的开关电压降要相等； 运放的零点漂移要小。运放的零点漂移要小。三三 权电

7、流型权电流型D/AD/A转换器转换器DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFDiiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123 采用具有电流负反馈的采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的恒流源电路的权电流权电流D/A转换器：转换器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RR

8、EFVVR+VR 由倒由倒T形电阻网络分析可知，形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为，于是可得输出电压为可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：)2222(20011223314REFODDDDRVRRivff基准电流：基准电流：3E1REFREF2IRVIiniinfDRRVv22101REFO四四 D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0808是是8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。用这类器件构成的用这类器件构成的D/A转

9、换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻用的电阻R1。当当VREF=10VVREF=10V、R1=5kR1=5k、Rf=5kRf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R7087018221022iiiiiiREFfODDRVRv双列直插式封装双列直插式封装 1空空 2地地 3负电源负电源 4模拟量电流输出模拟量电流输出512数字量输入数字量输入

10、 13正电源正电源 14正参考电压正参考电压 15负参考电压负参考电压 16补偿电容补偿电容DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（转换器输出与输入的关系（ 设设VREF=10V）五五 D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换误差：转换误差：比例系数误差：转换特性曲线斜率偏差；比例系数误差：转换特性曲线斜率偏差；失调误差：由运放的零点漂移所引起；失调误差：由运放的零点漂移所引起；非线性误差：无一定规律的误差。非线性误差：无一定规律的误差。P440-441分辨率：分辨率：D/A转换器模拟输出电压可能被分离的转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。在实际应用中，常用数字量的位数

11、表示等级数。在实际应用中，常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。即分辨率为转换器的分辨率。即分辨率为2n。1.转换精度转换精度 2.转换速度转换速度在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压，输出电压变化的百分数作为温度系数。变化的百分数作为温度系数。 当输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到当输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，而需要一段时间。用建立时间所对应的量值，而需要一段时间。用建立时间tset和转

12、和转换速率换速率SR来描述转换速度。来描述转换速度。3. 温度系数温度系数例例1、 已知已知4位倒位倒T型型DAC，输入数字量为，输入数字量为1101，UREF = - 8V，Rf=R，则输出模拟量，则输出模拟量UO=?解：解：VDUUnREFO5 . 6)148(2824例例2、可控增益放大器如图。当、可控增益放大器如图。当Qi=1时时Si与与VI 接通；接通； Qi=0时时Si 接地。接地。1试写出电路电压增益试写出电路电压增益 表达式；表达式；2当当vI = +5 mV，Q3Q2Q1Q0=1001时，计算时，计算vO的值；的值；3求出电压增益的最大值。求出电压增益的最大值。IOuvvA

13、1) 根据运放虚短、虚断特点：根据运放虚短、虚断特点：解、解、)(0123iiiiRRivffO由电路可得：由电路可得：RRf833RQViI422RQViI211RQViI200RQViI电压增益表达式：电压增益表达式：302iiiuQAmVmVvO455)2121( )2033) 当当Q3Q2Q1Q0=1111时，电压增益时，电压增益Au为最大值为最大值15212121210123uA 例例3、波形产生电路如图，图中、波形产生电路如图，图中ROM的数据如表的数据如表所示。对应所示。对应CP波形，画出输出波形，画出输出vO的波形，并标出波的波形，并标出波形上各点的电压值。形上各点的电压值。解

14、、解、由由74161可得状态为可得状态为 查查ROM表可得表可得AD7533高高4位数据为位数据为 0111，0001，0010， 0011，0100，0011。计算出计算出vO值为值为 3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V波形：波形： 9.3 A/D 9.3 A/D转换器转换器9.3.1 A/D9.3.1 A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，通常的转换过程为：取样、坚持、量化和编码。通常的转换过程为：取样、坚持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（ t）vI

15、（ t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）OtvI(t)Ot)(tSOt)(tvo1、取样与保持、取样与保持S(t)vI(t)vo( t ) 取样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍max2iSff取样信号频率取样信号频率输入信号输入信号最高频率最高频率 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理要求电路中电路组成及工作原理要求电路中Av1Av2=1） A1 开关驱动 电路 A2 vI vo CH S t=t0时，时，S闭合，电容充电，闭合，电容充电，vo=vI，t0t1阶段为取样阶段；阶段为取样阶段；t=t1时，时，S断开，电容没有放电回路，其两

16、端电压保持断开，电容没有放电回路，其两端电压保持vo不变，不变，t1 t2阶段为保持阶段。阶段为保持阶段。取取样样坚坚持持2、量化与编码、量化与编码编码编码量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程称为编码。称为编码。量化量化将采样将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位量化间隔的整数倍。量单位量化间隔的整数倍。（1确定量化间隔：确定量化间隔： nFSVVLSB21分割数模拟输入电压范围例：如有一模拟信号，幅值范围为例：如有一模拟信号，幅值范围为01V，要转化为，要转化为3位二位二进制代码，则其量化间隔为进制代码，则

17、其量化间隔为1LSB=1/8V 。得到得到8个量化电平分别为个量化电平分别为0V、1/8V7/8V。 经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会产生误差，称为量化误差。最大量化误差为1/8V。方式一：只舍不入量化方式方式一：只舍不入量化方式 （舍尾取整）（舍尾取整） 如果如果0VvI1/8V 则量化为则量化为0 =0V； 1/8VvI2/8V 则量化为则量化为1 =1/8V； 7/8VvI1V 则量化为则量化为7 =7/8V。（2将连续的模拟电压近似成分散的量化电平将连续的模拟电压近似成分散的量化电平1/82/83/84/85/86/87/80Vo/ Vt1假设假设 0VvI1/16V 则

18、量化为则量化为0 =0V； 1/16VvI3/16V 则量化为则量化为1 =1/8V； 13/16VvI15/16V 则量化为则量化为7 =7/8V。取两个离散电平中的相近值作为量化电平。取两个离散电平中的相近值作为量化电平。方式二：四舍五入量化方式舍入量化方式）方式二：四舍五入量化方式舍入量化方式） 量化误差为量化误差为1/2 =1/16V1/82/83/84/85/86/87/80ui/Vt11/163/165/167/169/1611/1613/1615/16A/D转换器的分类转换器的分类 工作原理：工作原理： 直接直接ADC：模拟信号：模拟信号数字信号数字信号 特点：速度快特点：速度快

19、 典型电路：并行比较型典型电路：并行比较型ADC、逐次比较型、逐次比较型ADC 间接间接ADC：模拟信号：模拟信号中间信号中间信号数字信号数字信号 特点：速度慢特点：速度慢 典型电路：双积分型典型电路：双积分型ADC、电压频率转换、电压频率转换型型ADC二、二、 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器3 3位）位）9.3.2 并行比较型并行比较型ADC特点：速度快，但是随着分辨率增加，元件数目急剧增加。特点：速度快，但是随着分辨率增加，元件数目急剧增加。 不易于集成。不易于集成。1 1 转换原理：转换原理：9.3.3 9.3.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器逐次逼近型逐次

20、逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程的工作原理很像用天平称重的过程 将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换所得将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。2、电路结构、电路结构CPd3d2d1d0vO比较结果比较结果处处 理理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvIvOvIvOvIvOvI vO（d31保留（d21不保留（d11保留（d01保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=10113 3 逻辑电路逻辑电路RSQC1RSQC11DS1RCQ1

21、DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF59.3.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器 由积分器、过零比较器由积分器、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门、时钟脉冲控制门(G)和定时器、和定时器、计数器计数器(FF0FFn)等几部分组成。等几部分组成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCT

22、CS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG（2第一次积分阶段第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1 1准备阶段计数器准备阶段计数器清零，积分电容放清零，积分电容放电，电，vO=0VvO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端接通，输入电压端接通，输入电压vI加到积分器的输加到积分器的输入端。积分器从入端。积分器从0开始积分：开始积分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)tIOdtvv01由于由于vO0V，比较器输出，比较

23、器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，被关闭，计数停止。计数停止。ICnIPVTVTV21dtVVtvttREFPO)(1)(212在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写为：的表达式可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，那么：，那么：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。 上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输入电压的平均值内输入电压的平均值VI成正比。只

24、要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转，转换器就能将输入电压转换为数字量。换为数字量。0)(1)(212dtVVtvttREFPOICnREFVTTV22T2=TC IREFCnVVTT22IREFnCVVTT229.3.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制或十进制数的位数表示。由一般以输出二进制或十进制数的位数表示。由于，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化于，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。单位愈小，分辨率愈高。1. 转换精度转换精度转换误差转换误差它表示它表示A/D转换器实际输出的数字量转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。和理论上的输出数字量之间的差别。2. 转换时间转换时间指从转换控制信号到来开始，到指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 并行比较并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较转换器转换速度最高；逐次比较型型A/D转换器次之；间接转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。例例1、一个、