第十章DA及AD转换器原理及应用

1、1第第10章章 D/A和和A/D转换器及应用转换器及应用2本章教学内容 各类 D/A、A/D转换器工作原理及技术指标 常用D/A、A/D器件及应用310.1 概述 数字系统与模拟系统可以独立研究、单独设计，而数字系统与模拟系统可以独立研究、单独设计，而两者之间通过模两者之间通过模/数（数（A/D）转换器和数）转换器和数/模（模（D/A）转换器联系在一起。转换器联系在一起。图10.1.1 计算机检测与控制系统示意图 转换精度和转换速度是衡量转换精度和转换速度是衡量A/D转换器和转换器和D/A转换器性能优劣的主要标志转换器性能优劣的主要标志410.2 D/A 转换器 10.2.1 权电阻网络D/A

2、转换器一个一个n位的二进制数用位的二进制数用Dn = dn-1dn-2d1d0表示，表示，则从最高位（则从最高位（Most Significant Bit，简写，简写MSB）到最低位（到最低位（Least Significant Bit，简写，简写LSB）的权值依次为的权值依次为2n-1，2n-2，21，20。5 10.2.1 权电阻网络D/A转换器电路由权电阻网络、4个电子开关S0S3和1个求和运算放大器组成。电路的输入数据是4位二进制数D（d3d2d1d0），输出是模拟电压vO，工作时还需要一个外部基准电压vREF。6 10.2.1 权电阻网络D/A转换器各支路电流分析：各支路电流分析：总

3、电流分析：总电流分析：RvI8REF0RvI4REF1RvI2REF2RvIREF3 00112233dIdIdIdIi0REF1REF2REF3REF842dRvdRvdRvdRvi001122333REF22222ddddRv输出电压分析：输出电压分析：iRRiv2FFO001122334REF22222ddddv7 10.2.1 权电阻网络D/A转换器对于对于n位的权电阻网络位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻为转换器，当反馈电阻为R/2时，时，输出电压为输出电压为 ：00112211REFO22222ddddvvnnnnnnnDv2REF输出的模拟电压正比于输入的数字量输出的模拟电压

4、正比于输入的数字量Dn，从而实现，从而实现了从数字量到模拟量的转换了从数字量到模拟量的转换。当当Dn = 0时，时，vO = 0，当当Dn = 1111时，时， REFO212vvnn故故vO的最大变化范围是的最大变化范围是0 REF212vnn8 10.2.2倒T型电阻网络D/A转换器当数字量di为“1”时，对应开关Si置向运放反相输入端“虚地”，支路电流Ii汇集流入反馈电阻RF；当数字量di为“0”时，对应开关Si置向运放同相输入端直接接地，支路电流Ii不能流入反馈电阻RF。9 10.2.2倒T型电阻网络D/A转换器从从AA、BB、CC、DD每个端口向右看，等效每个端口向右看，等效电阻都是

5、电阻都是R， 各部分电流分析：各部分电流分析：23II 42II81II 160II 00112233dIdIdIdIi总电流总电流输出电压分析：取输出电压分析：取RR FiRRivFFO001122334REF22222ddddv10 10.2.3D/A转换器的主要技术参数D/A转换器的主要技术指标，包括转换精度和转换速度 一、一、D/A转换器的转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述转换器的转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述 1、分辨率：、分辨率：1) 用输入二进制数的位数表示用输入二进制数的位数表示 2) 用用D/A转换器能分辨的最小输出电压（即输入二进制数转换器能分辨的最小输出电压（

6、即输入二进制数最低有效位为最低有效位为“1”，其余为，其余为“0”）与最大输出电压（即输入二进制数）与最大输出电压（即输入二进制数全部位数为全部位数为“1”）的比值来定义分辨率。）的比值来定义分辨率。 例如：例如：n位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 121n分辨率10位的位的D/A转换器，则其分辨率为转换器，则其分辨率为 001. 0102311211011 10.2.3D/A转换器的主要技术参数D/A转换器的主要技术指标，包括转换精度和转换速度 一、一、D/A转换器的转换精度：通常用分辨率和转换误差来转换器的转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述描述 2、转换误差：、转换误差：1)

7、 转换误差可以用最低有效位（转换误差可以用最低有效位（LSB）的倍数表示）的倍数表示 2) 还可以用输出电压满刻度还可以用输出电压满刻度FSR（Full Scale Range）百）百分数表示输出电压误差绝对值的大小。分数表示输出电压误差绝对值的大小。 3) 导致导致D/A转换器产生误差的原因有基准电压转换器产生误差的原因有基准电压vREF的波动、的波动、运算放大器的零点漂移、电子开关的导通内阻及导通压降、电阻网络运算放大器的零点漂移、电子开关的导通内阻及导通压降、电阻网络中电阻值的偏差等等中电阻值的偏差等等 为了获得高精度的D/A转换器，单纯选择高分辨率的D/A转换器件是不够的，还必须要有高

8、稳定度的基准电源、低漂移的运算放大器与之配合 12 10.2.3D/A转换器的主要技术参数一、一、D/A转换器的转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述转换器的转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述 例例10.2.110位倒位倒T型型D/A转换器，外接基准电压。为保证其比例系数误差小于转换器，外接基准电压。为保证其比例系数误差小于1/2LSB，则，则vREF的相对稳定是多少？基准电压变化量最大为多少？的相对稳定是多少？基准电压变化量最大为多少？解：根据式（解：根据式（10.2.9）可知，输入二进制数最）可知，输入二进制数最低位为低位为“1”，其余位为，其余位为“0” 时的输出电压为：时的输出电压

9、为：由基准电压波动由基准电压波动vREF引起的误差可表示为：引起的误差可表示为：nnnvDvv22REFREFO与与1/2LSB对应的输出电压绝对值为：对应的输出电压绝对值为： 1REFREF2221nnvvREFO2vDvnn当输入各位全为当输入各位全为“1”时，误差电压最时，误差电压最大，此时输出电压误差的绝对值为大，此时输出电压误差的绝对值为 REFO212vvnn根据题目要求，可得：根据题目要求，可得： 1REFREF2212nnnvv12121REFREFnvv13 10.2.3D/A转换器的主要技术参数D/A转换器的主要技术指标，包括转换精度和转换速度 二、D/A转换器的转换速度

10、D/A转换器的转换速度通常用建立时间转换器的转换速度通常用建立时间tset来定量描述，它是指输入来定量描述，它是指输入二进制数发生变化，直到输出电压进入与稳态值相差范围以内这段时二进制数发生变化，直到输出电压进入与稳态值相差范围以内这段时间。输入二进制数变化越大，建立时间越长。因此，通常用输入二进间。输入二进制数变化越大，建立时间越长。因此，通常用输入二进制数从全制数从全“0”变作全变作全“1”时的建立时间来衡量时的建立时间来衡量D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。 外接运算放大器的外接运算放大器的D/A转换器，运算放大器的建立时间将成为转换器，运算放大器的建立时间将成为D/A转转换器建

11、立时间换器建立时间tset的主要成份。为了获得更快的转换速度，应选择转的主要成份。为了获得更快的转换速度，应选择转换速率较快的运算放大器。换速率较快的运算放大器。14 10.2.4常用D/A转换器件及应用 D/A转换器种类很多。以输入方式分类有串行输入型和并行输入型；以输出转换器种类很多。以输入方式分类有串行输入型和并行输入型；以输出方式分类有电流输出型和电压输出型；以输出通道分类有单通道输出型和多通道方式分类有电流输出型和电压输出型；以输出通道分类有单通道输出型和多通道输出型。实际选用时，因根据多方面因素去考虑，如转换精度、转换速度、价格、输出型。实际选用时，因根据多方面因素去考虑，如转换精

12、度、转换速度、价格、封装类型及工作电平等。封装类型及工作电平等。 1、D/A转换器转换器AD752015 10.2.4常用D/A转换器件及应用 1、D/A转换器转换器AD7520AD7520的主要性能指标有：10位分辨率、500ns转换周期（速度）LSB21线性误差为 （或0.05%FSR）、温度系数为0.001%/（输出模拟电压随温度变化而变化的量）16 10.2.4常用D/A转换器件及应用2、D/A转换器转换器TLC5615 TLC5615是一个串行是一个串行10位电压输出型位电压输出型D/A转换转换器，只需要通过器，只需要通过3根串行总线就可以完成根串行总线就可以完成10位数据位数据的串

13、行输入的串行输入 。其主要特点有：单。其主要特点有：单5V电源工作、电源工作、3线串行接口、高阻抗基准电压输入端、转换输出线串行接口、高阻抗基准电压输入端、转换输出的最大电压为的最大电压为2倍基准输入电压、上电时内部自动倍基准输入电压、上电时内部自动复位、最大功耗为复位、最大功耗为1.75mW、转换频率（速率）为、转换频率（速率）为1.21MHz。DINSCLKDOUTVCCOUTREFINAGND图 10.2.8TLC5615外部引脚图12348765CS8脚直插式脚直插式TLC5615的引脚分布如图的引脚分布如图10.2.8所示，各引脚功能如：所示，各引脚功能如：DIN：串行二进制数输入端

14、：串行二进制数输入端 SCLK：串行时钟输入端：串行时钟输入端 ：芯片选择，低电平有效：芯片选择，低电平有效 DOUT：用于级联的串行数据输出：用于级联的串行数据输出AGND：模拟地：模拟地REFIN：基准电压输入端；：基准电压输入端；OUT：模拟电压输出端：模拟电压输出端VCC：电源电压端。：电源电压端。CS17 10.2.4常用D/A转换器件及应用 2、D/A转换器转换器TLC5615图图10.2.10给出了给出了TLC5615和和AT89C51单单片机的接口电路示例。在电路中，片机的接口电路示例。在电路中，AT89C51单片机的单片机的P1.0P1.2分别控制分别控制TLC5615的片选

15、，串行时钟输入的片选，串行时钟输入SCLK和和串行数据输入串行数据输入DIN。电路的连接采用非级。电路的连接采用非级联方式。联方式。TLC5615的基准电压选为的基准电压选为2.048V，其最大转换输出电压为其最大转换输出电压为4.096V。18 10.2.4常用D/A转换器件及应用3、D/A转换器转换器DAC0832D0D7：8位并行二进制数据输入端位并行二进制数据输入端ILE：数据锁存允许控制信号，高电平有效：数据锁存允许控制信号，高电平有效 ：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。 ：为输入寄存器的写选通信号，低电平有效：为输入寄存器的写选通信号，低电平有效 ：数据传送控制信号，

16、低电平有效。：数据传送控制信号，低电平有效。 ：为：为DAC寄存器写选通信号，低电平有效寄存器写选通信号，低电平有效IOUT1：电流输出线：电流输出线1，当输入全为，当输入全为1时时Iout1最大。最大。IOUT2：电流输出线：电流输出线2，其值与，其值与IOUT1之和为一常数。之和为一常数。Rfb：反馈电阻输入端，芯片内部有反馈电阻：反馈电阻输入端，芯片内部有反馈电阻VCC：电源输入端：电源输入端 （+5V+15V）VREF：基准电压输入端：基准电压输入端 （-10V+10V）AGND：模拟地，摸拟信号和基准电源的参考地：模拟地，摸拟信号和基准电源的参考地DGND：数字地：数字地8位并行输入

17、、电流输出型的位并行输入、电流输出型的D/A转换器，建立时间（转换速度）转换器，建立时间（转换速度）1s。 CSWR1XFERWR219 10.2.4常用D/A转换器件及应用3、D/A转换器转换器DAC0832 DAC0832内部有两个寄存器，即输入寄存器和内部有两个寄存器，即输入寄存器和DAC寄存器，因此在使寄存器，因此在使用时有三种连接方式：单缓冲工作方式、双缓冲工作方式和直通工作方式。用时有三种连接方式：单缓冲工作方式、双缓冲工作方式和直通工作方式。 Dvv256REFOD为为8位二进制输入数据，范围位二进制输入数据，范围在在0255之间，之间，vREF为外接的为外接的基准电压。若需要增

18、大运算放基准电压。若需要增大运算放大器增益，可在大器增益，可在Rfb引脚与运算引脚与运算放大器的输出端之间再串接一放大器的输出端之间再串接一电阻。电阻。2010.3 A/D 转换器 10.3.1 A/D转换原理 A/D转换首先是对输入转换首先是对输入的模拟电压信号进行采样，的模拟电压信号进行采样，采样的结果要保持一定的时采样的结果要保持一定的时间，而在这段时间内完成对间，而在这段时间内完成对采样结果的量化编码。然后，采样结果的量化编码。然后，再开始下一次转换。再开始下一次转换。采样与保持采样与保持采样频率不可能无限制采样频率不可能无限制的提高，通常取的提高，通常取maxis)53(ff21 1

19、0.3.1 A/D转换原理 1、采样与保持采样与保持AvOvIvL图 10.3.3基本形式采样-保持电路VTC22 10.3.1 A/D转换原理 2、量化与编码、量化与编码 采样只是将模拟信号在时间上离散开，而数字信号不仅在时间上是离散的，采样只是将模拟信号在时间上离散开，而数字信号不仅在时间上是离散的，在幅值上也是离散的。因此，采样后的信号还需要作进一步的处理。在幅值上也是离散的。因此，采样后的信号还需要作进一步的处理。 任何一个数字量只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在进行A/D转换时，必须将采样-保持电路的输出电压表示为这个最小数量单位的整数倍。这一过程称为量化量化，所取的最小数量单

20、位称为量化单位, 表示为 即1LSB。 显然， 数字信号最低有效位为1，其它位为0时所代表的数量就等于 将量化的结果用代码（可以是二进制的，也可以是其它进制的）表示出来，称为编码编码。这些代码也就是A/D转换的输出结果。23 10.3.2并联比较型并联比较型A/D转换器转换器24 10.3.2并联比较型并联比较型A/D转换器转换器 表10.3.13位并联比较型A/D转换器的代码转换表输入模拟电压vI寄存器状态数字量输出Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1d2d1d0（01/15）vREF（1/153/15）vREF（3/155/15）vREF（5/157/15）vREF（7/159/15）vREF（9

21、/1511/15）vREF（11/1513/15）vREF（13/151）vREF0000000100000011000001110000111100011111001111110111111100001111001100110101010125 10.3.3反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 反馈比较型反馈比较型A/D转换器的基本原理是：取一个数字量加到转换器的基本原理是：取一个数字量加到D/A转换器上，转换器上，得到一个对应的输出模拟电压，将该模拟电压与待转换的输入模拟电压一得到一个对应的输出模拟电压，将该模拟电压与待转换的输入模拟电压一并送到电压比较器进行比较，若不相等，则调整所取的

22、数字量，直到两个并送到电压比较器进行比较，若不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是要转换的结果。模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是要转换的结果。 计数型计数型A/D转换器转换器26 10.3.3反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器2、逐次逼近型、逐次逼近型A/D转换器转换器转换开始前先将寄存器清零。转换开始前先将寄存器清零。转换开始时，控制信号转换开始时，控制信号vL变为变为高电平，时钟信号首先将寄存高电平，时钟信号首先将寄存器最高位设置成器最高位设置成1，使寄存器，使寄存器输出为输出为10000，该数字量被，该数字量被D/A转换器转换成相应的模拟转换

23、器转换成相应的模拟电压输出电压输出vO，并送至比较器，并送至比较器与输入信号与输入信号vI作比较。若作比较。若vO大大于于vI，说明数字过大，则这个，说明数字过大，则这个1应该去掉；若应该去掉；若vO小于小于vI，说，说明数字还不够大，则这个明数字还不够大，则这个1应应该保留。以同样的方法将次高该保留。以同样的方法将次高位置位置1，并比较，并比较vO与与vI的大小，的大小，以确定这一位的以确定这一位的1是否应该保是否应该保留。这样逐位比较下去，直到留。这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄存最低位比较完为止。这时寄存器中所存的数码就是所求的输器中所存的数码就是所求的输出数字量。出数字量

24、。27 10.3.4双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器是一种间接型转换器是一种间接型A/D转换器。它将输入模拟电压信号首转换器。它将输入模拟电压信号首先转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的先转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。因此，双时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。因此，双积分型积分型A/D转换器也称为电压转换器也称为电压-时间变换型（简称时间变换型（简称V-T变换型）变换型）A/D转换器。转换器。 28 10.3.5A/D转

25、换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 A/D转换器的主要技术指标有转换精度与转换速度转换器的主要技术指标有转换精度与转换速度。 1、A/D转换器的转换精度：转换器的转换精度：通常采用分辨率和转换误差来描述通常采用分辨率和转换误差来描述 1）分辨率：分辨率以输出二进制数（或十进制数）的位数表示，它说明）分辨率：分辨率以输出二进制数（或十进制数）的位数表示，它说明了了A/D转换器对输入信号的分辨能力，位数越多，对输入模拟信号的分辨转换器对输入信号的分辨能力，位数越多，对输入模拟信号的分辨能力就越强。能力就越强。 例如，输入模拟电压的范围为例如，输入模拟电压的范围为05V，输出，输出8位二进制数可

26、以分辨的最小位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为输入模拟电压为5V/2819.53mV；而输出；而输出10位二进制数可以分辨的最小输入位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为模拟电压为5V/2104.88mV 2）转换误差：转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，是指）转换误差：转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，是指A/D转换转换器实际输出的数字量和理论上输出数字量之间的差别，通常以最低有效位器实际输出的数字量和理论上输出数字量之间的差别，通常以最低有效位的位数给出。的位数给出。 29 10.3.5A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 A/D转换器的主要技术指标有转换精度与转换

27、速度转换器的主要技术指标有转换精度与转换速度。 2、A/D转换器的转换速度：由转换时间来衡量转换器的转换速度：由转换时间来衡量 转换时间是完成一次转换所需要的时间，是指从接收到转换控转换时间是完成一次转换所需要的时间，是指从接收到转换控制信号开始，到输出得到稳定的数字量所经历的时间。制信号开始，到输出得到稳定的数字量所经历的时间。 转换速度与主要取决于转换电路的类型，不同类型的转换速度与主要取决于转换电路的类型，不同类型的A/D转换器，转换器，其转换速度相关甚远。双积分型其转换速度相关甚远。双积分型A/D转换器的转换时间在几十毫秒转换器的转换时间在几十毫秒到几百毫秒之间；逐次逼近型到几百毫秒之

28、间；逐次逼近型A/D转换器的转换时间在转换器的转换时间在1050s之之间；并联比较型间；并联比较型A/D转换器的转换时间可达转换器的转换时间可达10ns。30 10.3.6常用常用A/D器件及应用器件及应用 A/D转换器的种类比较多。实际应用时应根据总体设计的误差要求来选择转换器的种类比较多。实际应用时应根据总体设计的误差要求来选择A/D转换的精度（分辨率），根据被测信号的频率来选择转换的精度（分辨率），根据被测信号的频率来选择A/D转换的速率，根转换的速率，根据电路设计要求选择据电路设计要求选择A/D转换的接口及封装等。转换的接口及封装等。 1、A/D转换器转换器ADC0809：8位逐次逼近

29、性位逐次逼近性A/D转换器转换器 31 10.3.6常用常用A/D器件及应用器件及应用1、A/D转换器转换器ADC0809：8位逐次逼近性位逐次逼近性A/D转换器转换器 ADC0809完整的采样转换过程可归纳为如下四步：完整的采样转换过程可归纳为如下四步： 第一步，将模拟量输入某一通道（如第一步，将模拟量输入某一通道（如IN0），将选通该通道的地址码），将选通该通道的地址码（如（如000）送到地址码输入端）送到地址码输入端C、B、A，然后在地址锁输入端，然后在地址锁输入端ALE输入一输入一正脉冲，将正脉冲，将3位地址码锁存于位地址码锁存于ADC0809内部的地址寄存器；内部的地址寄存器； 第二步，向