数字电子技术基础电子教案7课件

第七章数/模和模/数转换器概述D/A转换器A/D转换器D/A和A/D转换器应用举例第七章数/模和模/数转换器概述D/A转换器A/D转换器D/本章教学基本要求了解：

(1)倒T形电阻网络D/A转换器的电路结构和工作原理。(2)典型集成D/A转换器的结构及应用。(3)逐次逼近型或双积分型A/D转换器的电路结构、工作原理和典型集成A/D转换器的结构及应用。本章教学基本要求了解：(1)倒T形电阻网络D/A转换器的电7.1概述将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。

数模转换：实现数模转换的电路称数模转换器。模数转换：实现模数转换的电路称模数转换器。7.1概述将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流数字计算机工业控制系统示意图由计算机依次选通，进入ADC转换成数字量信号经过计算机数据处理，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的7.2D/A转换器7.2.1R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理7.2.2集成D/A转换器AD7520电路结构和应用7.2.3D/A转换器的主要技术指标7.2D/A转换器7.2.1R-2R倒T形电阻网络DA一、R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理图模拟开关S3-S0表示四位二进制数四位的二进制数当Di=1表示Si接1,电阻上通过电流流向I01当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端各节点向右看的二端网络的等阻值为R

等效电路为一、R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理图模拟开关S3-S0由基准电源VREF供出电流为:IR=VREF/R因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有由基准电源VREF供出电流因此由节点D分出去的两路支路电流必同理可以得出：当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,

R-2R倒T形电阻网络D/A转换器同理可以得出：当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,R-运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反相求和运算电路。可得输出电压为：若取Rf=R,则D/A转换后的输出电压表示为:同理,当Di为n位的二进制数,则相应R-2R倒T形电阻网络也有n个节点,则D/A转换后的输出电压为:运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反若取Rf=R

AD7520电路的内部电路结构二、集成D/A转换器AD7520电路结构和应用符号图AD7520电路的内部电路结构当R=10kΩ,2R=20kΩ,故RF=10kΩ,根据公式则转换后的输出电压为:其中T1-T7构成两个互为倒相的CMOS反相器。当Di

=1时,T1导通,T4,T5为高电平,T6,T7为低电平,T8截止,T9导通,Ii流向I01当D0=0时,T9截止,T8导通,Ii流向I02起到电流模拟开关作用。CMOS电流开关当R=10kΩ,2R=20kΩ,故RF=10kΩ,根据公应用电路AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压输出1.单极性输出应用电路当D9---D0数码为全1时,其时应的十进制数为:210-1=1023数码输入模拟电压输出AD7520单极性输入与输出关系(1023/1024VREF)D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0

1111111111U0...(513/1024VREF)(512/1024VREF)(511/1024VREF).....…..(1/1024VREF)0

10000000010111111111

1000000000

0000000001

0000000000±±±±±应用电路AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压例:AD7520D/A转换器组成的DAC电路中,已知VREF=10V,求当输入数码为37C(H)时，转换成单极输出电压为多大?解:求出37C(H)对应的十进制数37C(H)=(001101111100)2

=(892)10=N10故UO=-VREF/210。N10=-10/1024×892=-8.71V单极性输出电路例:AD7520D/A转换器组成的DAC电路中,已知VR7.2.3D/A转换器的主要技术指示一、分辨率

分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它是输入数码只有最低有效位为1时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之比。可表示为:对于10位D/A转换器的分辨率为二、绝对误差

绝对误差又称绝对精度,是指当输入数码为全1时所对应实际输出电压与电路理论值之差。三、转换精度

一般是指最大的静态误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂移误差、运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。7.2.3D/A转换器的主要技术指示一、分辨率二、7.3A/D转换器模拟电压信号二进制数码A/D转换器直接A/D并联比较型反馈比较型计数型逐次比较型间接A/D电压-时间变换型(V-F型)双积分型为主电压-频率变换型(V-F型)压控振荡器转换器类型ADC7.3A/D转换器模拟电压信号二进制数码A/D转换器直A/D转换的基本原理

ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n位二进制数输出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0输出数字量D正比于输入模拟量uI。A/D转换的基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…u采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的

整数倍表示。

编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D转换的一般步骤

uI(t)量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)采样保持电路输入模拟量输出数字量采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介模拟电子开关A1为运算放大器,具有工作速度高和失调电压低的特点.LF398电路结构及外部元件连接图运算放大器A2，具有噪声低和输入阻抗高的特点。为开关驱动器2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介模拟2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介LF398电路结构及外部元件连接图当UL>UREF+UT时，S闭合。当UL<UREF+UT时，S断开。2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介LF二量化及编码电路在A/D转换器中,将模拟电压转换成数字信号,其数字信号最低位LSB=1所对应的模拟电压的大小称为量化单位S。在进行A/D转换时,必须把采样电压化为这个量化单位S的整数倍,这个转化过程称为量化。一般被转换的模拟电压不可能被S整除,这因素引起的误差称为量化误差。量化的结果用一组相应的数字代码表示,称为编码。这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及编码电路即为A/D转换器电路。二量化及编码电路在A/D转换器中,将模拟电7.3.2V-T型双积分式A/D转换器双积分ADC转换器电路图A/D转换前，控制电路对计数器清零,并将S2闭合使C放电后,S2再断开-VREF7.3.2V-T型双积分式A/D转换器双A/D转第一次积分第一次积分时间

由于uI

>0,所以uO<0。S1接通a点积分器对uI积分1G开放，CP进入计数器开始计数。积分器输出为：第一次积分第一次积分时间由于uI>0,S1接通第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分,计数器在Qn=1的基础上,在最低位Q0=0开始计数.当电压上电容为0,UC=0,封锁了G，计数器停止计数。第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分,计数将T2=t2–t1=NTC及代入属于V-T型ADC若取VREF=2n

则N=uI即计数值表示为被转换的输入电压u

I数值

将T2=t2–t1=NTC及7.3.3逐次逼近型A/D转换器

它是一种常用A/D转换方式,转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型A/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。

(1)先在砝码盘上加上128g砝码，经天平比较结果，重物149g<128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。

（2）再加64g砝码，经天平比较，重物149g<(128+64)g，则舍下64g砝码，即相当于数码记为0。7.3.3逐次逼近型A/D转换器它是一种常用A/D逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下，否则舍去。保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7—D0=10010101逐次逼近型A/D转换器被保留的电压相当于天平所称的物体质量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码质量。逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码一、逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器数码寄存器环形右移寄存器一、逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压=0.5V,作为量化误差修正,送入比较器的电压为uO‘=uO

-,使精度提高一倍。3位D/A转换器输出的相当于砝码值的电压,根据D/A转换器原理可知,若VREF=8V,则3位DAC能分辨的最小电压为S==×8V=1V

在CP时钟脉冲作用下，QA~QE逐个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍脉冲为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压二、工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2FF1、FF0清零。设QAQBQCQDQE

=10000G变为高电平以后，转换开始。二、工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2Q2=1应保留5.9V10000第一个节拍1003.5V001000Q2=1应保留5.9V10000第一个节拍1003.5Q1=1应保留Q2=Q1

=1应保留5.9V第二个节拍1100010005.5V00100Q1=1应保留Q2=Q1=1应保留5.9V第二Q2=Q1

=1应保留5.9V第三个节拍11116.5V00100Q0=1不应保留00010Q2=Q1=1应保留5.9V第三个节拍11116.55.9V第四个节拍11005.5VQ0=1不应保留00010Q2=Q1

=1应保留00001打开1105.9V第四个节拍11005.5VQ0=1不应保留0005.9V第五个节拍10000被封锁010005.9V第五个节拍10000被封锁01000

由于ADC的电路类型不同，编码方法不同，其指标类型也有所区别。如输出数据为8421编码的BCD码ADC和自然二进制数编码的ADC，它们的转换精度含义和表示方法也不同。现以输出二进制数编码的ADC为例介绍主要技术指标.7.3.4A/D转换器的主要技术指标由于ADC的电路类型不同，编码方法不同，其指标类型1.分辨率ADC的分辨率又称分解度。输出二进制数位越多，转换精度越高，即分辨率越高。故可用分辨率表示转换精度。2.转换速度转换速度是指转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有稳定数字输出为止的一段时间。相对误差可以表示ADC转换的误差。它是指在对应于某一输出数字量情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值VREF之比,常以≤±1/2LSB所对应的输入值与VREF之比表示。3.相对误差1.分辨率ADC的分辨率又称分解度。输出二进制数位越多，转换

7.4D/A和A/D转换器应用举例一、数控电流源

在自动控制仪表中，常要求根据输入数码相应输出精密电流，这称为数控电流源。7.4D/A和A/D转换器应用举例一、数控电流源二、工作原理u’0受N控制A2组成电压跟随电路，故ud=ub根据戴维南定理：A1组成同相比例放大电路流过RS上电流iL即RL上电流为即I

L由D/A转换电路的输入数码N决定，而与RL无关，故称为数控电流源。二、工作原理u’0受N控制A2组成电压跟随电路，故ud=ub

3位数字电压表指显示的量程为1.999Ｖ和199.9mV，其最高位只显示０或1，故称为位．ICL7106系列电路内部为双积分型A/D转换器,用来将被测的电压转换成4位BCD码,相应的七段数码管各段a─g平行输出,驱动液晶数码管,显示被测电压值.电路具有外围元件少、使用简单、工作可靠的特点。

二、3位A/D转换器7106集成数字电压表3位数字电压表指显示的量程为1用9V单电源工作，40只引脚，双列直插。缓冲器输出端积分器反向输入端3位A/D转换器7106集成数字电压表用9V单电源工作，40只引脚，双列直插。缓冲器输出端积分器反第七章数/模和模/数转换器概述D/A转换器A/D转换器D/A和A/D转换器应用举例第七章数/模和模/数转换器概述D/A转换器A/D转换器D/本章教学基本要求了解：

(1)倒T形电阻网络D/A转换器的电路结构和工作原理。(2)典型集成D/A转换器的结构及应用。(3)逐次逼近型或双积分型A/D转换器的电路结构、工作原理和典型集成A/D转换器的结构及应用。本章教学基本要求了解：(1)倒T形电阻网络D/A转换器的电7.1概述将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。

数模转换：实现数模转换的电路称数模转换器。模数转换：实现模数转换的电路称模数转换器。7.1概述将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流数字计算机工业控制系统示意图由计算机依次选通，进入ADC转换成数字量信号经过计算机数据处理，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的7.2D/A转换器7.2.1R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理7.2.2集成D/A转换器AD7520电路结构和应用7.2.3D/A转换器的主要技术指标7.2D/A转换器7.2.1R-2R倒T形电阻网络DA一、R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理图模拟开关S3-S0表示四位二进制数四位的二进制数当Di=1表示Si接1,电阻上通过电流流向I01当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端各节点向右看的二端网络的等阻值为R

等效电路为一、R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理图模拟开关S3-S0由基准电源VREF供出电流为:IR=VREF/R因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有由基准电源VREF供出电流因此由节点D分出去的两路支路电流必同理可以得出：当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,

R-2R倒T形电阻网络D/A转换器同理可以得出：当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,R-运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反相求和运算电路。可得输出电压为：若取Rf=R,则D/A转换后的输出电压表示为:同理,当Di为n位的二进制数,则相应R-2R倒T形电阻网络也有n个节点,则D/A转换后的输出电压为:运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反若取Rf=R

AD7520电路的内部电路结构二、集成D/A转换器AD7520电路结构和应用符号图AD7520电路的内部电路结构当R=10kΩ,2R=20kΩ,故RF=10kΩ,根据公式则转换后的输出电压为:其中T1-T7构成两个互为倒相的CMOS反相器。当Di

=1时,T1导通,T4,T5为高电平,T6,T7为低电平,T8截止,T9导通,Ii流向I01当D0=0时,T9截止,T8导通,Ii流向I02起到电流模拟开关作用。CMOS电流开关当R=10kΩ,2R=20kΩ,故RF=10kΩ,根据公应用电路AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压输出1.单极性输出应用电路当D9---D0数码为全1时,其时应的十进制数为:210-1=1023数码输入模拟电压输出AD7520单极性输入与输出关系(1023/1024VREF)D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0

1111111111U0...(513/1024VREF)(512/1024VREF)(511/1024VREF).....…..(1/1024VREF)0

10000000010111111111

1000000000

0000000001

0000000000±±±±±应用电路AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压例:AD7520D/A转换器组成的DAC电路中,已知VREF=10V,求当输入数码为37C(H)时，转换成单极输出电压为多大?解:求出37C(H)对应的十进制数37C(H)=(001101111100)2

=(892)10=N10故UO=-VREF/210。N10=-10/1024×892=-8.71V单极性输出电路例:AD7520D/A转换器组成的DAC电路中,已知VR7.2.3D/A转换器的主要技术指示一、分辨率

分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它是输入数码只有最低有效位为1时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之比。可表示为:对于10位D/A转换器的分辨率为二、绝对误差

绝对误差又称绝对精度,是指当输入数码为全1时所对应实际输出电压与电路理论值之差。三、转换精度

一般是指最大的静态误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂移误差、运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。7.2.3D/A转换器的主要技术指示一、分辨率二、7.3A/D转换器模拟电压信号二进制数码A/D转换器直接A/D并联比较型反馈比较型计数型逐次比较型间接A/D电压-时间变换型(V-F型)双积分型为主电压-频率变换型(V-F型)压控振荡器转换器类型ADC7.3A/D转换器模拟电压信号二进制数码A/D转换器直A/D转换的基本原理

ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n位二进制数输出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0输出数字量D正比于输入模拟量uI。A/D转换的基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…u采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的

整数倍表示。

编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D转换的一般步骤

uI(t)量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)采样保持电路输入模拟量输出数字量采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介模拟电子开关A1为运算放大器,具有工作速度高和失调电压低的特点.LF398电路结构及外部元件连接图运算放大器A2，具有噪声低和输入阻抗高的特点。为开关驱动器2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介模拟2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介LF398电路结构及外部元件连接图当UL>UREF+UT时，S闭合。当UL<UREF+UT时，S断开。2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介LF二量化及编码电路在A/D转换器中,将模拟电压转换成数字信号,其数字信号最低位LSB=1所对应的模拟电压的大小称为量化单位S。在进行A/D转换时,必须把采样电压化为这个量化单位S的整数倍,这个转化过程称为量化。一般被转换的模拟电压不可能被S整除,这因素引起的误差称为量化误差。量化的结果用一组相应的数字代码表示,称为编码。这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及编码电路即为A/D转换器电路。二量化及编码电路在A/D转换器中,将模拟电7.3.2V-T型双积分式A/D转换器双积分ADC转换器电路图A/D转换前，控制电路对计数器清零,并将S2闭合使C放电后,S2再断开-VREF7.3.2V-T型双积分式A/D转换器双A/D转第一次积分第一次积分时间

由于uI

>0,所以uO<0。S1接通a点积分器对uI积分1G开放，CP进入计数器开始计数。积分器输出为：第一次积分第一次积分时间由于uI>0,S1接通第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分,计数器在Qn=1的基础上,在最低位Q0=0开始计数.当电压上电容为0,UC=0,封锁了G，计数器停止计数。第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分,计数将T2=t2–t1=NTC及代入属于V-T型ADC若取VREF=2n

则N=uI即计数值表示为被转换的输入电压u

I数值

将T2=t2–t1=NTC及7.3.3逐次逼近型A/D转换器

它是一种常用A/D转换方式,转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型A/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。

(1)先在砝码盘上加上128g砝码，经天平比较结果，重物149g<128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。

（2）再加64g砝码，经天平比较，重物149g<(128+64)g，则舍下64g砝码，即相当于数码记为0。7.3.3逐次逼近型A/D转换器它是一种常用A/D逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下，否则舍去。保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7—D0=10010101逐次逼近型A/D转换器被保留的电压相当于天平所称的物体质量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码质量。逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码一、逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器数码寄存器环形右移寄存器一、逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压=0.5V,作为量化误差修正,送入比较器的电压为uO‘=uO

-,使精度提高一倍。3位D/A转换器输出的相当于砝码值的电压,根据D/A转换器原理可知,若VREF=8V,则3位DAC能分辨的最小电压为S==×8V=1V

在CP时钟脉冲作用下，QA~QE逐个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍脉冲为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压二、工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2FF1、FF0清零。设QAQBQCQDQE

=10000G变为高电平以后，转换开始。二、工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2Q2=1应保留5.9V10000第一个节拍1003.5V00100