重庆科创学院教案DA与AD转换

1、第第11章章 D/A与与A/D转换转换数字电子技术数字电子技术 Digital Electronics TechnologyDigital Electronics Technology2022-4-3011.1 概述概述1. 模模-数转换数转换n定义：定义：模拟信号到数字信号的转换称为模模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，或数转换，或称为称为A/D（Analog to Digital）。）。n把实现把实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器（转换器（Analog Digital Converter ADC）。）。2. 数数-模转换模转换n定义：定义：模拟信号到数字信号的转换称为模

2、模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，数转换，或称为或称为A/D（Analog to Digital）n把实现把实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器（转换器（ Digital Analog Converter DAC）。）。Digital Electronics Technology2022-4-30典型数字控制系统框图11.1 概述概述Digital Electronics Technology2022-4-30DAC网络网络DAC权电阻权电阻倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络DACADC直接直接ADC间接间接ADC权电流型权电流型DAC权电容型权电容型DAC开关树型开关树型DAC输

3、入输入/输输出方式出方式并行并行串行串行11.1 概述概述3. 分类分类Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A转换器转换器1. 权电阻型权电阻型D/A转换器转换器 模拟开关，受Di控制。 Di =1时，模拟开关左拨； Di =0时，模拟开关右拨。权电阻网络求和放大器MSBLSBDigital Electronics Technology2022-4-30运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 101101102222niiinREFniiinREFniiDRUDRUII运算放大器的输出电压为运算放大器的输出电压为 101022n

4、iiinREFFFDRURIRu若若RF=1/2R，代入上式后则得，代入上式后则得 DUDUDRURunREFniiinREFniiinREFF2222210101011.2 D/A转换器转换器 输出电压正比于输入的数字量输出电压正比于输入的数字量D=Dn-1Dn-2 D1=D0，从而实现了从数字量到模拟量的转换。从而实现了从数字量到模拟量的转换。Digital Electronics Technology2022-4-30当当D=Dn-1D0=0时时, uo =0 fnnomoUUuRe212 因而因而uo 的变化范围是：的变化范围是： RnnU2120 当当D=Dn-1D0=111时，时，

5、 最大输出电压最大输出电压： 电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电路中阻值差别大，对集成不利。路中阻值差别大，对集成不利。特点：特点： 11.2 D/A转换器转换器自学内容：自学内容： 双级权电阻网络双级权电阻网络D/A转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30Di=1，Si将电阻接到运放反向输入端将电阻接到运放反向输入端Di=0，Si将电阻接到运放同向输入端将电阻接到运放同向输入端都是虚地，各支路都是虚地，各支路电流不会变化电流不会变化11.2 D/A转换器转换器2. 倒倒T形电阻网络形电阻网

6、络D/A转换器转换器 I 流入流入2R支路支路的电流是依的电流是依2的倍速递减。的倍速递减。Digital Electronics Technology2022-4-30 1000112211011211122)2222(22222niiinnnnnnnnnnDIDDDDIIDIDIDIDI流入运算放大器的电流为：流入运算放大器的电流为： 11.2 D/A转换器转换器运算放大器的输出电压为：运算放大器的输出电压为： 1022niiinFFDIRRIUDigital Electronics Technology2022-4-30 若若RF=R，并将，并将I=UR/R代入上式，代入上式， 则有则有

7、 DUDUUnRniiinR22210可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。 11.2 D/A转换器转换器3.八位集成八位集成DAC0832（1）引脚排列图）引脚排列图 Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A转换器转换器（2）内部结构图）内部结构图 Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A转换器转换器（3） DAC0832的三种工作方式（的三种工作方式（1） Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D

8、/A转换器转换器（3） DAC0832的三种工作方式（的三种工作方式（2） Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A转换器转换器（3） DAC0832的三种工作方式（的三种工作方式（3） Digital Electronics Technology2022-4-30 由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一信号离散化（采样），还要在数值上

9、离散化（量化），一般步骤为：般步骤为：采样采样保持保持量化量化编码编码11.3 A / D转换器转换器1. A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 Digital Electronics Technology2022-4-30（1） 采样定理采样定理 模拟信号采样信号 取样频率取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即：的两倍，即： max2 ffs11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30（2） 量化和编码量化和编码量化：量化： 将采样电压转化为数字量最小数量单

10、位的整数倍的过程。将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。用用 表示表示编码：编码： 将量化结果用代码表示出来。将量化结果用代码表示出来。量化误差：量化误差： 由于模拟量不一定能被由于模拟量不一定能被 整除。整除。11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30例如：例如：要将要将0 1V的模拟电压转换为三位二进制代码。的模拟电压转换为三位二进制代码。方法方法1：取取 1/8 V，0 1/8 V 的电压以的电压以0 表示，则：表示，则：模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码 代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平可见量化误差最

11、大达可见量化误差最大达 =1/8 V。11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30方法方法2：取取 2/15 V，0 1/15 V 的电压以的电压以0 表示，则表示，则模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平可见量化误差最大达可见量化误差最大达 /2=1/15 V。11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30MOS管，做模拟开关采样控制信号保持电容采样输出波形（3）采样保持电路）采样保持电路11.3 A / D转换器转换器Digit

12、al Electronics Technology2022-4-30（1） 并联比较并联比较型型A/D转换器转换器 11.3 A / D转换器转换器1. 直接直接A/D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30 寄存器：寄存器：由七个由七个D触发器构成。在时钟脉冲触发器构成。在时钟脉冲CP的作用的作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。 01234560135132QQQQQQQDQQQDQD 编码器：编码器：由六个与非门构成。将比较器送来的七位二由六个与非门构成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码

13、进制码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻。编码网络的逻辑关系为辑关系为：11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30并联型并联型A/D转换器的转换关系转换器的转换关系 11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30 例如：例如：假设模拟输入假设模拟输入UIN=3.8V，UR=8V。当模拟输入。当模拟输入UIN=3.8V加到各级比较器时，由于加到各级比较器时，由于 VUVURR5 . 41695 . 3167 因此，比较器的输出因此，比较器的输出C6C

14、0为为0001111。在时钟脉冲。在时钟脉冲作用下，比较器的输出存入寄存器，经编码网络输出作用下，比较器的输出存入寄存器，经编码网络输出A/D转换结果：转换结果：D2D1D0=100。优点：优点：转换速度很快。转换速度很快。 缺点：缺点：电路复杂，转换精度较低。电路复杂，转换精度较低。11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30（2）反馈比较型）反馈比较型A/D转换器转换器 11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30（3）逐次渐进型）逐次渐进型A/D转换器转换器

15、 11.3 A / D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30（1）双积分型）双积分型A/D转换器转换器 11.3 A / D转换器转换器2. 间接间接A/D转换器转换器Digital Electronics Technology2022-4-30积分器：积分器：输入端接开关输入端接开关S，S受触发器受触发器Fn的控制。的控制。 当当Qn=0 时，时，S接输入电压接输入电压+Ui，积分器对输入信号电压，积分器对输入信号电压+Ui（正极性）积分（正向积分）。（正极性）积分（正向积分）。 当当Qn=1 时，时，S接基准电压接基准电压-UR（负极性）

16、，积分器对基（负极性），积分器对基准电压准电压-UR积分（负向积分）。积分（负向积分）。 积分器输出积分器输出Uo接零值比较器。接零值比较器。 11.3 A / D转换器转换器 零值比较器：零值比较器：其输出其输出UC作为控制门作为控制门G的门控信号。的门控信号。 当积分器输出当积分器输出Uo0时，比较器输出时，比较器输出UC=1； 当积分器输出当积分器输出Uo0时，比较器输出时，比较器输出UC=0。Digital Electronics Technology2022-4-30 当零值比较器输出当零值比较器输出UC=1 时，时，G门开，标准时钟脉冲门开，标准时钟脉冲通过通过G门加到计数器；门加

17、到计数器；时钟控制门时钟控制门G： 当零值比较器输出当零值比较器输出UC=0时，时，G门关，标准时钟脉冲门关，标准时钟脉冲不能通过不能通过G门加到计数器，计数器停止计数。门加到计数器，计数器停止计数。11.3 A / D转换器转换器计数器：计数器：由由n+1个触发器构成，个触发器构成，Fn-1F1F0构成构成n位二进位二进制计数器，制计数器，Fn实现对实现对S的控制。的控制。Digital Electronics Technology2022-4-3011.3 A / D转换器转换器电压波形电压波形Digital Electronics Technology2022-4-30取样阶段：取样阶段

18、：dtUtUtio)(1)(0其中其中=RC为积分时间常数。为积分时间常数。 当当+Ui为正极性不变常量时，为正极性不变常量时，Uo（T1）值为：）值为： iCPnioUTUTTU2)(1111.3 A / D转换器转换器比较阶段：比较阶段：开关转至开关转至-UR后，积分器对基准电压进行负向后，积分器对基准电压进行负向积分，积分器输出为：积分，积分器输出为： )(2)(1)()(111TtUUTdtUTUtURiCPntTRooDigital Electronics Technology2022-4-30 当当Uo0 时，零值比较器输出时，零值比较器输出UC=0，G门关，计数器停门关，计数器停止计数，完成一个转换周期。假设此时计数器已记录了止计数，完成一个转换周期。假设此时计数器已记录了个个脉冲，脉冲， 则：则： RinUU211.3 A / D转换器转换器VUTUTTUUTTtUUTTTURCPiCPnRiCPnRiCPn02)(2)(2)(2121CPTTtT12Digital Electronics Technology2022-4-30（2）八位集成）八位集成ADC0809 11.3 A / D转换器转换器 引脚