清华大学电子技术课件 第21章AD转换器和DA转换器

1、清华大学电机系唐庆玉1997年制作如发现有人剽窃必定追究！第21章 A/D转换器和D/A转换器 digital-to-analog converter（DAC）analog-to-digital converter（ADC）千岛湖风光千岛湖画面属唐庆玉个人创作，青山緑水蓝天白云，剽窃必究清华大学电机系电工学教研组唐庆玉编第21章目录21.1 模拟多路开关21.2 采样保持器21.3 D/A转换器 21.3.1 D/A转换器的分类及主要技术指标 21.3.2 D/A转换器原理 21.3.3 集成D/A转换器DAC083221.4 A/D转换器 21.4.1 A/D转换器的分类及主要技术指标 21

2、.4.2 A/D转换器原理 1. 并行式A/D转换器原理 2. 逐次逼近型A/D转换器原理 3. 双积分型A/D转换器原理 21.4.3 集成A/D转换器ADC0804 21.4.4 集成A/D转换器ADC0809不讲不讲引言模拟信号数字信号： A/D转换器 (ADCAnalog to Digital Converter)数字信号模拟信号： D/A转换器 (DAC Digital to Analog Converter)引言(续): A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压力、流量、应力等）采样/保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数

3、据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等21.3 D/A 转换器 (1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量 D/An =4位8位10位12位16位n位数字量模拟电压1. D/A转换器原理 （2）D/A转换器的分辨率 若参考电压为4位DAC的分辨率为48位DAC的分辨率为84位D/A: 0000 0.320=0V 0001 0.32 1=0.32V 1111 0.32 15=4.8V 8位D/A: 00000000 0V 00000001 0.02V 11111111 5.1V (3) D/A的组成 由三部分电路组成：*电阻网络*模拟电子开关*求和运算放大器 D/A的组成(续)

4、输入4位二进制数输出模拟电压S0S3:模拟电子开关D=0, S倒向地D=1, S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3+-3R3R/2UOVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0V (4) D/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R+-3R/2R等效电路3R0000AV= -1VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理(续)当D

5、3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R+-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV= -13RVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV= -1D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1

6、D2D32R+-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时， UO= VREF/8 当D3D2D1D0=0001时， UO= VREF/16当D3D2D1D0=1111时，UO=? D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO= VREF/2= D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO= VREF/4= D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO= VREF/8= D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO= VREF/16= D0VREF/24根据叠加原理: UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23

7、+ D0VREF/24 ) = (D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)D/A转换原理(续)此式表明: D/A电路输出模拟电压UO与输入的 数字量D3D2D1D0成正比当VREF=5V，D3D2D1D0=1111时，D/A的分辨率=2. 8位D/A转换器电路框图8 D 锁存器求和电路电阻网络电子开关UOD7-D0CPVREF8位D/A转换器DAC0832内部结构图及外部接线图26.3u

8、O+-+1D7D6D5D4D3D2D1D0LEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0八位输入锁存器ILE八位电流开关式D/A转换器D7D6D5D4D3D2D1D0LEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0八位数据锁存器D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D01RfbCSAGNDWR1DGNDWR2VREFXFER8D锁存器8D锁存器求和电路电子开关电阻网络参考电源模拟地数字地输入数据输出模拟电压控制信号Iout1Iout2转换时间1suO+5V+-+D7D0Iout1Iout2RfbAGNDDGNDVREFVCCILECSWR1WR2XFER+5V88位D/A转换器DAC0832与

9、微机的接口(单缓冲方式）低通滤波器uO+5V+-+D7D0Iout1Iout2RfbAGNDDGNDVREFVCCILECSWR1WR2XFERDAC0832+5V8单片机D700WRA15A0地址译码器8位D/A转换器DAC0832应用举例信号发生器11计数器741633片时钟脉冲发生器（振荡器）示波器8EPROM2716O7O0CE+5VVCCOEA10A0GNDuO低通滤波器如何制造一个三角波？+5V+-+D7D0Iout1Iout2RfbAGNDDGNDVREFVCCILECSWR1WR2XFERDAC0832+5V+V21.4 A/D转换器(1)A/D功能: 将模拟电压成正比地转换成

10、数字量A/DUI输入模拟电压D7D0输出数字量21.4.1 A/D功能及分类设8位A/D允许输入的最大电压为则分辨率为： 8=0.02V=20mV(2)A/D分辨率0 0000000020mV 0000000140mV 000000105.1V 11111111单极性输入： 允许输入电压范围0+5V或0+10V;双极性输入： 允许输入电压范围5V+5V或10V +10V(3)A/D转换器分类 并联比较型 特点: 转换速度快,转换时间 10ns 1s 逐次逼近型 特点: 转换速度中,转换时间 几s 100 s 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百s 几ms根据内部电路不同,分为以下三类:

11、2.并联比较型A/D转换器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8时，输出=1UI 7VR/8时，输出=1UI 7VR/8时，输出=0UI 6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编 码 器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密 参考电压精密电阻网络（23个电阻）输出数字量CPUI VR/8时，输出=1UI VR/8时，输出=0并联比较型A/D转换器中的编码器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0

12、1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压UI每增加VR/8 ，输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计

13、略）3位A/D的分辨率设参考电压VR=5V分辨率5V/8=0.625V输入电压 输出数字量0V 000B0.625V 001B1.25V 010B4.375V 111B8位A/D的分辨率设参考电压VR=5V分辨率5V/256=0.01953125V输入电压 输出数字量0V 00H19.5mV 01H39mV 02H4.98V FFH*3.逐次逼近型A/D转换器原理输入模拟电压ui比较器逐次逼近寄存器SARCPD/A转换器+-+三态输出D3D2D1D0Q2Q3Q1Q0VREF控制逻辑uB输出数字量uA(1)开始第1个CP, 将Q3置1，Q3Q2Q1Q0=1000，经D/A转换器转换为uA(2)比

14、较器：如果uAui, uB=1, 则Q3的置1清除(3)第2个CP, 将Q2置1, 使Q3Q2Q1Q0=1100或0100，经D/A转换器转换为uA(4)比较器：如果uAui, uB=1, 则Q2的置1清除(5)依此类推，经4个CP后，转换完成A/D转换器内部组成A/D电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源计算机读取命令时序控制电路A/D转换命令（来自计算机）转换完成信号（由计算机检测或申请计算机中断）A/D转换器集成A/D转换器ADC0804（逐次逼近型）转换完成信号电源+5VD7D6D5D4D3D2D1D0AGNDVCCVIN(+)DGNDVREF/2VIN()CLKINCLKR

15、读信号数字地模拟输入模拟地片选信号参考电压外接电容转换命令数字量输出INTRWRCSADC0804外接电阻RD集成A/D转换器ADC0804与计算机的接线电源+5VD7D6D5D4D3D2D1D0AGNDVCCVIN(+)DGNDVREF/2VIN()CLKINCLKRINTRWRCSADC0804RD不接计算机中断请求或检测计算机数据总线10k150pF内部振荡器频率为640kHz转换时间为100s模拟输入电压（0+5V)计算机读信号计算机写信号计算机地址译码器A/D板A/D转换器转换完成信号采样/保持器模拟输入读取数据命令计算机接口A/D转换命令 模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否

16、则A/D的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。A/D板A/D板A/D转换器转换完成信号采样/保持器读取数据命令计算机接口A/D转换命令 当有多个模拟输入电压时，需要模拟多路开关，从多个输入中选择一个进行采样/保持和A/D转换。多路转换器模拟输入321.2 采样/保持器采样/保持器A/D转换器u1u2模拟输入数字输出A/D转换命令采样/保持器的功能： 在A/D转换期间，使A/D的输入电压u2保持不变。tA/D转换命令高电平期间u2跟随u1低电平期间u2保持不变，同时A/D进行转换u1 输入模拟信号u2采样/保持器输出信号21.2 采样/保持器21.2 采样/保持器电路原理C模拟电子开

17、关电压跟随器电压跟随器采样保持电容输入输出KA/D转换命令高电平期间，K合上，C采样低电平期间，K打开，C保持型号：LF39821.1 模拟多路开关I/O0I/O7CBAINHO/I双向传输型号：CD4051(8通道1通道）INH C B A 选择通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 全断计算机数据采集原理简介采样周期 采样频率A/D转换命令TT：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔 单位 s，ms，sf=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数 单位 Hz A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介(续)在计算机屏幕上波形的恢复显示tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号信号幅度时间数字信号t1t2t3t4t5t6t7A/D转换命令计算机屏幕计算机数据采集原理简介(续)在计算机屏幕上波形的恢复显示结论：因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，若将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采样率。t1ms1kHz 1 2kHz 2 8kHz 816kHz 16频率为1kHz的正弦波4kHz 4采样率 每周期采样点数思考题思考题1： A/D转换器的位数为