数电课件版第8章和变换a

1、第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第1页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一一、一、DAC的基本原理的基本原理 二、倒二、倒T型型R-2R电阻网络电阻网络DAC 三、三、DAC的主要参数的主要参数 一、模数转换的一般过程一、模数转换的一般过程(四步四步) 二、逐次逼近式二、逐次逼近式ADC 三、并行比较型三、并行比较型A/D转换器（以转换器（以3位位ADC为例）为例） 四、四、ADC的主要参数的主要参数 作业作业第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第2页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一知识点一知识点一：ROM（MROM、

2、PROM、EPROM、 E2PROM、FLASH MEMORY）知识点二知识点二：RAM（SRAM、DRAM）教学基本要求教学基本要求：1.了解各种半导体存储器的工作原理了解各种半导体存储器的工作原理;2.掌握掌握ROM、RAM的使用方法和存储容量扩展方法的使用方法和存储容量扩展方法;3.掌握用掌握用ROM实现组合电路的方法。实现组合电路的方法。本章知识点及要求（本章知识点及要求（2学时）学时）第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第3页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一 例如，例如，一、概念及其应用一、概念及其应用 二、主要技术参数二、主要技术参数 1.1.

3、精度：精度：用分辨率、转换误差表示用分辨率、转换误差表示 2.2.速度：速度：用转换时间、转换速率表示用转换时间、转换速率表示 分辨率分辨率理论上可以达到的精度理论上可以达到的精度；转换误差转换误差实际达到的精度实际达到的精度；ADCADC和和DACDAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。计算机进行数字处理（如计算、计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等滤波）、数据保存等用模拟量作用模拟量作为控制信号为控制信号第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第4页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一第一节第一节 数模转换数模

4、转换DAC 一、一、DAC的基本原理的基本原理 1AREFREF02niiiuKDUKUD D/A转换是将输入的转换是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。uAD/Ad0d1dn-1LSBMSBK： DAC转换系数转换系数UREF：基准电压：基准电压D：n 位并行输入数字量位并行输入数字量D第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第5页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一数码数码寄存器寄存器模拟模拟开关开关译码译码网络网络求和求和放大器放大器DuA参考电源参考电源UREF图图8.1.1 DAC方框

5、图方框图D/AD/A变换器的基本思想：变换器的基本思想：由于构成数字的每一位数码由于构成数字的每一位数码都有一定的都有一定的“位权位权”，因此为了将数字量转换成模拟，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位数码按其量，就必须将每一位数码按其“权权”转换成相应的模转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量。数字量成正比的模拟量。 DAC第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第6页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一D/A转换器的分类转换器的分类按解码网络按解码网络结构分类结构分

6、类 T T型电阻网络型电阻网络DACDAC倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC权电流权电流DAC DAC 权电阻网络权电阻网络DAC DAC 按模拟电子按模拟电子开关电路开关电路 分类分类 CMOSCMOS开关型开关型DACDAC双极型开关型双极型开关型DAC DAC 电流开关型电流开关型DAC DAC ECLECL电流开关型电流开关型DAC DAC D/A D/A 转转换换器器 DAC第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第7页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一R+12jI- jI- -1n jD100R- -1+1=2jn jjIID-1-1R- -

7、1+1=0=0=2nnjn jjjjIIID -1-1- -1RR- -1=0=0=2=222nnn jin jinnjiIIDD R2IR22IR+12jIR-12nIR2nI参参考考电电源源二、倒二、倒T T型型R-2RR-2R电阻网络电阻网络DAC DAC 电阻网络电阻网络R2nIRIRUREFR I双向电子双向电子模拟开关模拟开关数码寄存器输出数码寄存器输出求和放大器求和放大器第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第8页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一 满量程满量程( (Full Scale Range) )电压值：电压值： 例例1 1: 已知已知

8、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 u0= ?OmREF212nnUU 解：解：REFO48(84 1)6.5V22nUuD 通常，取通常，取 Rf =R，则：，则： REFO2nUuD 1REFfOREF022niiniURuDKDUR 10n022niiifRfDRIRIu 10n22niiiRDII DAC第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第9页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一三、三、DACDAC的主要参数的主要参数 1.1.分辨率分辨率 LSB Least

9、 Significant Bit (1)(1)用输出的电压（电流）值表示用输出的电压（电流）值表示 输入变化输入变化 1 LSB时，输出端产生的电压变化量。时，输出端产生的电压变化量。MSB Most Significant Bit OmREFO=1=221nnDUURu (2)(2)用百分比表示用百分比表示 REFO=1REFOm1221(21)2nDnnnUuRUU (3)(3)用位数用位数 n 表示表示 DAC位数越高，分辨率越高。位数越高，分辨率越高。 DACOmREF212nnUU 第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第10页页20222022年年3 3月月1414日星

10、期一日星期一例例2 2：已知已知U0m= 5V, n=10, 则则Om1055mV2121nUR 例例3 3：倒倒T型网络型网络DAC的的U0m=10V，试问需多少位代，试问需多少位代码，才能使分辨率码，才能使分辨率R 达到达到2mV。( (令令Rf =R) )解解: :由题意知：由题意知：3102R31021210n13n则2.2.转换误差转换误差( (精度精度) ) (1)(1)绝对误差绝对误差: :实际值与理想值之间的差值实际值与理想值之间的差值, 应应低于低于LSB/2(2)(2)相对误差相对误差: :绝对误差与满量程的比值绝对误差与满量程的比值,一般用相当于一般用相当于 LSB的倍数

11、来表示的倍数来表示,如如 LSB/2 或或 LSB 。 主要包括主要包括: : 非线性误差非线性误差、漂移误差漂移误差( (平移误差平移误差) )、 比例系数误差比例系数误差。 OmREFO=1=221nnDUURu REFO=1REFOm1221(21)2nDnnnUuRUU DAC第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第11页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一3.3.建立时间建立时间 v0ttset稳态值稳态值LSB21 从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差稳定值相差 LSB/2( (最低有效位

12、最低有效位) )范围内所需要的时范围内所需要的时间间, 称为称为建立时间建立时间tset 。目前目前, 单片集成单片集成 D/A转换器转换器( (不包括运算不包括运算放大器放大器) )的建立时间的建立时间最短达到最短达到0.1us内内,详见教材详见教材P205 。 DAC第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第12页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一DAC0808为为8位单片并行位单片并行DAC，结构为，结构为T型型R-2R电阻电阻网络。网络。D/A转换器时需要外接运算放大器。转换器时需要外接运算放大器。当当VREF=10V时，时，当输入数字量在全当输入数字量

13、在全0和全和全1之间变化时，输出模拟电压之间变化时，输出模拟电压的变化范围为的变化范围为0 9.96V。 80770870182210221022DDDDRVRviiiiiiREFfO DAC应用举例应用举例第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第13页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一第三节第三节 模数转换模数转换ADC 一、模数转换的一般过程一、模数转换的一般过程( (四步四步) ) 采样采样保持保持量化量化编码编码uI0tu1(t)0uqt0tu0(t)tD0( )S t t量化电平量化电平( (离散电平离散电平) )：舍尾量化舍尾量化 四舍五入量化四舍

14、五入量化某个最小单位某个最小单位( (量化单位量化单位) )的整数倍。的整数倍。 量化方案：量化方案：ADC0801的量化方案的量化方案 采样输出采样输出第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第14页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一用天平称重过程作比喻。有四个砝码共用天平称重过程作比喻。有四个砝码共15克，每个克，每个质量分别为质量分别为8、4、2、1克。设物体质量克。设物体质量Wx = 13克，克，可用下表步骤来称重：可用下表步骤来称重：二、逐次逼近式二、逐次逼近式ADC 1.1.工作思想工作思想砝码砝码中间结果中间结果 结结 论论次数次数 ADC第第1次

15、次第第2次次第第3次次第第4次次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx , 保留保留砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx , 撤除撤除砝码总重待测重量砝码总重待测重量Wx , 保留保留 8 克克 12 克克 12 克克 13 克克第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第15页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一直到最低位比较完为止。此时直到最低位比较完为止。此时JKFF中所存的数码中所存的数码 就是所求的就是所求的输出数字量输出数字量。转换位数为转换位数为N，则转换时间为，则转换时间为(N+1)Tcp。先使先使JKFF的最

16、高位为的最高位为1, 其余低位为其余低位为0, 比较比较, 下一个下一个CP有效沿到有效沿到, 决定决定1的去留；的去留；再使再使JKFF的次高位为的次高位为1, 其余低位为其余低位为0, 比较比较, 下一个下一个CP有效沿到有效沿到, 决定决定1的去留；的去留；2.2.组成组成 电压比较器电压比较器,D/A,D/A转换器转换器, ,时序分配器时序分配器,JKFF,JKFF,寄存器寄存器 3.3.工作原理工作原理 逐次逼近式逐次逼近式ADC第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第16页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一四四舍舍五五入入法法量量化化REF152U

17、 优先编码器优先编码器U+ U- 时时, Ci1U+ U- 时时, Ci0第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第17页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一例如例如: uI4.2V, UREF6V输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出（编码器输入）（编码器输入）（编码器输出）（编码器输出）QQQQQQQ7654321dd d210uI0 0 0 0 0 011111111111 1101110 011001 101 101 110 0 0100 100000 0001000000010100111001011101110.51.50 0

18、.51.5 2.53.5 4.52.5 3.54.5 5.55.5 6.56.5 7.5则则 并行比较型并行比较型ADC真值表真值表数字量输出数字量输出REF22 6=0.8V1515U I4.25.250.8ud2d1d0101优优先先编编码码输输出出第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第18页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一优点：优点：转换速度很快，故又称转换速度很快，故又称高速高速A/D转换器转换器。含。含有寄存器的有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可转换器兼有取样保持功能，所以它可以以不用附加取样保持电路不用附加取样保持电路。缺点：缺点

19、：电路复杂，对于一个电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行位二进制输出的并行比较型比较型A/D转换器，需转换器，需2n-1个电压比较器和个电压比较器和2n-1个触个触发器，编码电路也随发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换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。精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。 结论：结论：这种转换器适用于这种转换器适用于高速、精度较低高速、精度较低的场合。的场合。 并行比较型并行比较型A/D转换器的特点转换器的特点第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第19页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一例例

20、4:4:已知已知一个一个ADC为为10位，位，UREF= 5V，则：，则：REF1054.88mV5mV22nUR (2)(2)用百分比表示用百分比表示 REFREFREF122nnUuRUU (3)(3)用位数用位数n表示表示 (1)(1)用输入的电压用输入的电压( (电流电流) )值表示值表示 REFIm22nnUUR 四、四、ADCADC的主要参数的主要参数 1.1.分辨率分辨率：所能分辨的输入模拟量的最小值。：所能分辨的输入模拟量的最小值。 ADCADC的主要参数的主要参数 第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第20页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期

21、一2.2.转换误差转换误差 * *绝对误差：绝对误差：与输出数字量对应的理论模拟值与产生与输出数字量对应的理论模拟值与产生该数字量的实际输入模拟值之间的差值，如该数字量的实际输入模拟值之间的差值，如 1LSB * *相对误差：相对误差：绝对误差与额定最大输入模拟值的比值绝对误差与额定最大输入模拟值的比值,用百分数表示。用百分数表示。 指指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始转换器从接到转换启动信号开始, ,到输出端获到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。得稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间主要取决于转换电路的类型转换器的转换时间主要取决于转换电路的类型,不同类型不同类型

22、A/D转换器的转换时间相差很大：转换器的转换时间相差很大： 双积分型双积分型A/D转换器的转换转换器的转换最慢最慢,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/D转换器的转换转换器的转换较快较快,需需几十微秒几十微秒; 并行比较型并行比较型A/D转换器的转换转换器的转换最快最快,仅需仅需几十纳秒几十纳秒。 3.3.转换时间转换时间 ADCADC的主要参数的主要参数 第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第21页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一在现代过程控制及各种智能仪器中，为了采集被测控在现代过程控制及各种智能仪器中，为了采集被测控对象数据以达到

23、由计算机进行实时检测控制的目的，对象数据以达到由计算机进行实时检测控制的目的，常用微处理器和常用微处理器和ADC组成数据采集系统。单通道微机组成数据采集系统。单通道微机化数据采集系统如图所示。化数据采集系统如图所示。ADC0804是是CMOS逐次比较型逐次比较型ADC芯片。分辨率芯片。分辨率8位，转位，转换时间换时间100 s，输出电压，输出电压0 5V，输入模拟电压为，输入模拟电压为5V。该。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接到的输出可以直接连接到CPU的数据总线上，无需附加逻辑的数据总线上，无需附加逻辑接

24、口电路。接口电路。以程序查询方式为例。以程序查询方式为例。采集数据时，微处理器首先执行一条传采集数据时，微处理器首先执行一条传送指令，并在控制总线的同时产生送指令，并在控制总线的同时产生CS1、WR1低电平信号，低电平信号，启动启动A/D转换器，转换器，ADC0804经经100 s后将输入模拟信号转换为后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并在数字信号存于输出锁存器，并在INTR端产生低电平表示转换端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时，立即执行输入指令，以产生为低电平时，立即执

25、行输入指令，以产生CS、RD2低电低电平信号到平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。相应引脚，将数据取出并存入存储器中。ADC应用举例应用举例第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第22页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一1A/D和和D/A转换器是现代数字系统的重要部件。转换器是现代数字系统的重要部件。2倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器具有如下特点：电阻网络阻值仅转换器具有如下特点：电阻网络阻值仅有有R和和2R；各；各2R支路电流支路电流Ii与相应的与相应的Di数码状态无关，为定值；数码状态无关，为定值；由于支路电流流向运放反相端时不

26、存在传输时间，因而具有较高由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。的转换速度。3在权电流型在权电流型D/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/A转换器多采用此种类型电路。转换器多采用此种类型电路。4在要求转换速度高的场合，选用并行在要求转换速度高的场合，选用并行A/D转换器；在要求转换器；在要求精度高的情况下，可采用双积分精度高的情况下，可采用双积分A/D转换器。逐次比较型转换器。逐次比较型A/D转转换器在一定程度上兼有以上

27、两种转换器的优点，因此应用普遍。换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此应用普遍。5A/D转换器和转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前，与速度。目前，A/D与与D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口。率及易于与微型计算机接口。 DAC/ADC总结总结第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第23页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一

28、思考题思考题1.已知输入模拟量已知输入模拟量 如何确定如何确定ADC的量化结果？的量化结果？Iu第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第24页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一【更正更正】： 8.3 若若倒倒T型型第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第25页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一图图8.1. 2 D 与与 uA的关系图的关系图11111101101110010001 001101010111246-6-4-2数字量数字量D模拟量模拟量uA8-8000010001110 11001010001001000110输入

29、数字量与输出模拟输入数字量与输出模拟量之间的线性关系量之间的线性关系0第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第26页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一采样采样保持信号保持信号图图 8.3.2 基本采样保持电路基本采样保持电路 0u0(t)t注意：量化、编码期间注意：量化、编码期间需要采样输出信号幅度需要采样输出信号幅度保持不变，且持续时间保持不变，且持续时间足够长。足够长。0tu1(t)模拟输入信号模拟输入信号0)(tS t采样输出信号采样输出信号采样信号采样信号0t)(tS当采样信号当采样信号S(t)为高电平时，为高电平时，T导通，输入信号导通，输入信号uI

30、经经 T 向电容向电容C充电。充电结束后充电。充电结束后 u0= uI= uC。当采样信号当采样信号S(t)返回低电平，返回低电平，T截止。由于截止。由于C无放电无放电回路，所以回路，所以u0的数值被保存下来。的数值被保存下来。第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第27页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一REFREF128nUU u0uq7 871 21010 1maxe e最大量化误差最大量化误差舍尾量化舍尾量化量化间隔量化间隔111111001001000000编码编码采样采样-保持信号保持信号量化电平量化电平第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章

31、目录第第28页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一REFREF128nUU REFREFREF422=7.5152 -1UUU 01234567123456705 . 05 . 15 . 25 . 35 . 45 . 55 . 65 . 70四舍五入量化四舍五入量化max2e e u0REFREF1222115nUU 量化间隔量化间隔7 6.5 7.51111110.51.50 0.5u0uq编码编码0010010000001 0 0 1 2 3 4 5 6 7 uq0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 第第8章章 A/D和和D/A变换变换章目录章目录第第29页页20222022年年3 3月月1414日星期一日星期一1000JKFFDFFCP4CPCP0CP1CP2CP32.5V3.75V3.44V3.13V3.13V1100101010111010+1=+=+=nnnnnQJQKQFQFQFREFREF15V21616nUU 4位逐次逼近型位逐次逼近型ADC若若uI =3.2