常用AD DA转换器工作原理

1、常用A/D 、D/A转换器的工作原理AD:模数转换，将模拟信号变成数字信号，便于数字设备处理。DA：数模转换，将数字信号转换为模拟信号与外部世界接口。具体可以看看下面的资料，了解一下工作原理：1. AD转换器的分类下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1）积分型（如TLC7135）积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积

2、分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。2）逐次比较型（如TLC0831）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并

3、行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。4）-(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705）-型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输

4、入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。5）电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。6）压频变换型（如AD650）压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转

5、换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD 的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。（7）流水线型A/D转换器为兼顾高速率和高精度的要求，流水线结构的A/D转换器应运而生。这种A/D转换器如图11-6所示，它结合了串行和闪烁型ADC的特点，采用基于流水线结构(pipeline)的多级转换技术，各级模拟信号之间并行处理，能得到较高的转换速度为100Msps；利用数字校正电路对各级误差进行校正，保证有较高的精度；所用器件数目与转换位数成正比，可有效地控制功耗和成

6、本。本实例采用的是流水线结构的12位模数转换器(ADC)。2. AD转换器的主要技术指标1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在

7、数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。3）量化误差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输

8、入信号值之差。6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。3. DA转换器DA转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数DA转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流(或电压)。此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件

9、内部的。一般说来，由于电流开关的切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型DA转换器，如果经电流椀缪棺缓笫涑觯蛭缪故涑鲂?/FONT>DA 转换器。此外，电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器。1）电压输出型（如TLC5620）电压输出型DA转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。2）电流输出型(如THS5661A)电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只

10、在输出引脚上接负载电阻而进行电流电压转换，二是外接运算放大器。用负载电阻进行电流电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高，所以一般外接运算放大器使用。此外，大部分CMOS DA转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。当外接运算放大器进行电流电压转换时，则电路构成基本上与内置放大器的电压输出型相同，这时由于在DA转换器的电流建立时间上加入了达算放入器的延迟，使响应变慢。此外，这种电路中运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。3）乘算型（如AD7533）DA转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准

11、电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。乘算型DA转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。4）一位DA转换器一位DA转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出(又称位流方式)，用于音频等场合。4. DA转换器的主要技术指标：1）分辩率(Resolution) 指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为1）与最大量（对应数字量所有有效位为1）之比。2）建立时间(Setting Time) 是将

12、一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度，而不是AD中常用的转换速率。一般地，电流输出DA建立时间较短，电压输出DA则较长。双积分型 AD 转换器的工作原理 双积分型 AD 转换器属于间接型 AD 转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间 T ；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种 AD 转换器多称为电压 - 时间变换型（简称 VT 型）。图 7.11 给出的是 VT 型双积分式 AD 转换器的原理图。转换开始前，先将计数器清零，并接通 S 0 使电容 C 完全放电。转换开始，断开 S 0 。整个转换过程分两阶

13、段进行。第一阶段，令开关 S 1 置于输入信号 U i 一侧。积分器对 U i 进行固定时间 T 1 的积分。积分结束时积分器的输出电压为： 可见积分器的输出 U O1 与 U I 成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到满量程 N 时，计数器由全“1”复“0”，这个时间正好等于固定的积分时间 T 1 。计数器复“ 0 ”时，同时给出一个溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号，令开关 S 1 转换至参考电压 - V REF 一侧，采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将 U O1 转换为成比例的时间间隔。采

14、样阶段结束时，一方面因参考电压 - V REF 的极性与 U I 相反，积分器向相反方向积分。计数器由 0 开始计数，经过 T 2 时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电路使开关 S 1 与 u I 相接，重复第一步。如图 7.12 所示。因此得到：即 式 (7.5) 表明，反向积分时间 T 2 与输入模拟电压成正比。在 T 2 期间计数门 G 2 打开，标准频率为 f CP 的时钟通过 G 2 ，计数器对 U G 计数，计数结果为 D ，由于则计数的脉冲数为 计数器中的数值就是 AD转换器转换后数字量，至此即完成了 VT 转换。若输

15、入电压 ，则，它们之间也都满足固定的比例关系，如图 7.12 所示。双积分型 AD 转换器若与逐次逼近型 AD 转换器相比较，因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；由式以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果与 RC 无关，所以，该电路对 RC 精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。双积分型 AD 转换器属于低速型 AD 转换器，一次转换时间在 12ms ，而逐次比较型 AD 转换器可达到 1 m s 。不过在工业控制系统中的许多场合，毫秒级的转换时间已经足足有余，双积分型 AD 转换

16、器的优点正好有了用武之地。逐次逼近 AD 转换器的工作原理2008-01-14 11:39:55|  分类： 电子技术文摘 |  标签： |字号大中小 订阅 下面结合图 7.9 的逻辑图具体说明逐次比较的过程。这是一个输出 3 位二进制数码的逐次逼近型 AD 转换器。图中的 C 为电压比较器，当时，比较器的输出 ；当时 。 F A 、 F B 和 FC 三个触发器组成了 3 位数码寄存器，触发器 F1-F5 构成环形分配器和门 G 1-G 9 一起组成控制逻辑电路。转换开始前先将 FA、FB、FC置零，同时将F1-F5组成的环型移位寄存器置成Q

17、 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 =10000 状态。转换控制信号 U L 变成高电平以后，转换开始。第一个 CP 脉冲到达后， FA 被置成“ 1 ”，而 FB 、 F C 被置成“ 0 ”。这时寄存器的状态 Q A Q B Q C =100 加到 DA 转换器的输入端上，并在 DA 转换器的输出端得到相应的模拟电压 U A (800mV) 。 U A 和u I比较，其结果不外乎两种：若，则 ；若，则。同时，移位寄存器右移一位，使 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5=01000 。第二个 CP 脉冲到达时 F B 被置成 1 。若原来的( ) ，则 F A 被置成“ 0 ”，此时电压

18、砝码为 400mV ；若原来的() ，则 F A 的 “ 1 ”状态保留，此时的电压砝码为 400mV 加上原来的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变为 00100 状态。第三个 CP 脉冲到达时 F C 被置成 1 。若原来的，则 F B 被置成“ 0 ”；若原来的，则 F B 的“ 1 ”状态保留，此时的电压砝码为 200mV 加上原来保留的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变成 00010 状态。第四个 CP 脉冲到达时，同时根据这时UB的状态决定 F C 的“ 1 ”是否应当保留。这时 FA、FB、FC 的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右移一位，变为 00001 状态。由

19、于 Q 5 =1 ，于是 FA、FB、FC 的状态便通过门 G 6、 G 7、 G 8 送到了输出端。第五个 CP 脉冲到达后，移位寄存器右移一位，使得 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 =10000 ，返回初始状态。同时，由于 Q 5 =0 ，门 G 6、 G 7、 G 8 被封锁，转换输出信号随之消失。所以对于图示的 AD 转换器完成一次转换的时间为 ( n +2) T CP 。同时为了减小量化误差，令 DA 转换器的输出产生 -/2的偏移量。另外，图 7.9 中量化单位的大小依 u I 的变化范围和 AD 转换器的位数而定，一般取。显然，在一定的限度内，位数越多，量化误差越小，精度越高。3. 逐次逼近型集成 AD 转换器 ADC0809逐 次逼近型 AD 转换器和下面将要介绍的双积分型 AD 转换器都是大量使用的 AD 转换器，现在介绍 AD 公司生产的一种逐次逼近型集成 AD 转换器 ADC0809 。 ADC0809 由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 DA 转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组