文稿数字设计ad-da

D/A与A/D转换1.概述1.模-数转换定义：模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，或称为A/D（AnalogtoDigital）。把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（AnalogDigitalConverterADC）。2.数-模转换定义：模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为A/D（AnalogtoDigital）把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（DigitalAnalogConverterDAC）。一、模拟量、数字量以及二者的相互转换D/A和A/D转换的基本原理

连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为数字量，也叫离散量。数字量是不能连续取值的。连续变化的模拟量电压、电流或频率等电量被控对象传感器A/D转换数字信号处理后的数字信息数字系统电的模拟量D/A转换执行机构数字控制系统框图典型数字控制系统框图1.概述DAC网络权电阻DAC倒梯形电阻网络DACADC直接ADC间接ADC权电流型DAC权电容型DAC开关树型DAC输入/输出方式并行串行1.概述分类

(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位数字量模拟量0~5V或0~10V2.D/A转换器原理2.D/A转换器1.权电阻型D/A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MSBLSB1111UREF/RUREF/2RUREF/4RUREF/8R15/8R*UREF15/8R*URE*RF运算放大器总的输入电流为

运算放大器的输出电压为

若RF=1/2R，代入上式后则得

2.D/A转换器

输出电压正比于输入的数字量D=Dn-1Dn-2

…D1D0，从而实现了从数字量到模拟量的转换。当D=Dn-1…D0=0时,

uo

=0因而uo

的变化范围是：

当D=Dn-1…D0=11…1时，最大输出电压：

电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电路中阻值差别大，对集成不利。特点：

2.D/A转换器一、权电阻型D/A转换器D/A转换器UREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0iRfD/A转换器

右图所示的电路中，设n=4,UREF=－10V,R=100kΩ,Rf=8kΩ,输入二进制数码S3S2S1S0为1011。试问运算放大器输出电压是多少？解：

权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大,特别是当分辨率较高时,电阻值的范围会大得难以实现。UREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0Rf二、R-2R网络型D/A转换器D/A转换器虚地2R2RR对地电阻为2R2RR对地电阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0IREF1/2IREF1/2IREFi

与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有R、2R两种阻值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。Di=1，Si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都是虚地，各支路电流不会变化2.D/A转换器2.倒T形电阻网络D/A转换器

流入2R支路的电流是依2的倍速递减。流入运算放大器的电流为：

2.D/A转换器运算放大器的输出电压为：

2.D/A转换器分辨率与转换精度

若RF=R，并将I=UR/R代入上式，则有

可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。

2.D/A转换器例:八位集成DAC0832（1）引脚排列图

CS——片选信号，用于芯片寻址；ILE——允许锁存信号；WR1——写信号1；当LE1（内部输入锁存信号1）=CS•WR1•ILE=1时，将数据锁存于输入锁存器；WR2——写信号2；XFER——通道控制信号，当LE2（内部输入锁存信号2）=WR2

•XFER=1时，8位DAC寄存器可作为数据通道；2.信号线DI7～DI0——8位数据输入IOUT1——模拟电流输出1，当DI7～DI0为FFH时，IOUT1最大，当DI7～DI0为0时，IOUT1=0（最小）IOUT2——模拟电流输出2，IOUT2=常数-IOUT1RFB——反馈电阻引出端；VREF——参考电压输入，范围：+10V～-10V；VCC——芯片电压，范围：+5V～+15V，最佳15V；AGND——模拟地；DGND——数字地；3.使用说明（1）双缓冲器方式——特点：转换速度快，但控制电路复杂。（2）单缓冲器方式——特点：转换速度慢，但控制电路简单（常用方式）。DAC0832——8位数模转换器1.DAC0832的内部结1）8位输入寄存器——第一级数据锁存器2）8位DAC寄存器——第二级数据锁存器3）8位D/A转换器——完成数模转换8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器DI7～DI0ILECSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RBFAGNDVCCDGNDIE1IE2&&&功能数据D7-D0输入到寄存器1数据由寄存器1转送寄存器2从输出端取模拟量控制条件CSILEWR1WR2XFER说明01WR1=0时存入数据WR1=1时锁定WR2=0时存入数据WR2=1时锁定0无控制信号，随时可取DAC0832功能表例1.单步输入操作-----适用于单个DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7

~D0CSWR1数据存入数据锁定(b)2.D/A转换器（3）DAC0832的三种工作方式（1）

2.D/A转换器（3）DAC0832的三种工作方式（2）

2.D/A转换器（3）DAC0832的三种工作方式（3）

地线的连接DGNDAGND模拟电路数字电路ADCDAC模拟电路数字电路模拟地数字地公共接地点Exercise：5.Iftheinputis10000000ofan8bitDAC,thecorrespondingoutputis5v.Thenaninputis00000001totheDAC,thecorrespondingoutputis5/128(0.0391)V;ifaninputis10001000,thecorrespondingDACoutputis5.3125V.Whentheinputis10000000ofan8bitDAC,thecorrespondingoutputvoltageis2V.Theoutputvoltageis(3.98)Vwhentheinputis11111111.Whentheinputis01000000ofan8bitDAC,thecorrespondingoutputvoltageis2V.TheoutputvoltagerangefortheDACis(0~7.97)V.

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信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般步骤为：采样保持量化编码3.A/D转换器1.A/D转换器的基本原理

（1）采样定理模拟信号采样信号

取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即：

3.A/D转换器（2）量化和编码量化：

将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。用表示编码：将量化结果用代码表示出来。量化误差：由于模拟量不一定能被整除。3.A/D转换器例如：要将01V的模拟电压转换为三位二进制代码。方法1：取＝1/8V，01/8V的电压以0×表示，则：模拟电压二进制编码代表的模拟电压电平可见量化误差最大达=1/8V。3.A/D转换器方法2：取＝2/15V，01/15V的电压以0×表示，则模拟电压二进制编码代表的模拟电压电平可见量化误差最大达/2=1/15V。3.A/D转换器例3：AD变换的最低值用表示，最高值5V用1111111111表示，，1V电压用什么表示？3.A/D转换器2v电压如何表示？

tf(t)O模拟信号二、取样—保持电路

所谓取样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。

根据取样定理，每经过一定时间间隔TS取出信号的一个值，只要TS≤（fm为信号频带中的最高频率），这些取样值就可以无损失地表达原模拟信号。tf*(t)O76543211TS2TS取样信号3TS4TS5TS6TS7TS8TSA/D转换器二、取样—保持电路

由于对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，所以为保证转换精度，在转换（即量化）时间内应使取样点的函数值保持不变。

这种暂时保持由瞬时取样得到的模拟信号的电路，就是取样—保持电路。右图是一种常用的取样—保持电路。uIS(t)∞

+uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO=-uC+-10tWS(t)TS-tW

在取样脉冲S（t）持续时间tw内，T导通。输入信号uI经开关T对电容C进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间tw，则输出信号uO就能跟踪输入信号uI的变化。

当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管T关断，因而电容器上电压uC无泄放回路，保持不变，则uO=-uC也保持不变。

LSB第三节A/D转换器

三、并行比较型A/D转换器

假定被转换的模拟输入电压uI在0～UREF范围内变化。取3位二进制数代表模拟输入uI的数字输出。

采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段（量化阶梯），位数越多，精度越高。UR1=UREFRRRRRRUR2=UREFUR3=UREFUR4=UREFUR6=UREFUR5=UREFUR7=UREFUREFLSB/2二进制数输出

其中6段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过(1/14)UREF。010011100101110111001是在(1/7)UREF时的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之间的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF

，因此，最大量化误差不会超过(1/14)UREF。000001R8R1参考电压模拟输入电压uI

UREF

UREFUREF

UREF

UREF

UREF

UREFRRRRRR分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP

由7个D触发器组成的同步寄存器组。D2D1D0编码器例：当，求输出的数字量。00000110010100010100001001011000003/14UREF＜uI

≤5/14UREF

由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换速率在所有A/D转换方案中是最高的。但需要使用大量的比较器。FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPuI(t)uOCOCOCO1uI<uO0uI>uO3位码D/AC电路补偿电压=（1/2）LSB=0.5VA/D转换器六、逐次比较型A/D转换器10004V3.5V4.9V0

逐次比较型ADC工作原理也可用天平测量质量来比照。

模数为5的环型计数器。例：uI(t)=4.9V10000G3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D03位码D/AC电路000FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPuI(t)uOCOCOCO1uI<uO0uI>uO3位码D/AC电路补偿电压=（1/2）LSB=0.5VG3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0第三节A/D转换器六、逐次比较型A/D转换器

第二个时钟脉冲到来时。0100010001101

第三个时钟脉冲到来时。001001010

第五个时钟脉冲到来时。000011015V4.5V

G4、G5、G6门开，Q3、Q2、Q1数据传出。UREF-uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S2A/D转换器七、双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量——时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。01-+1有效0001000101100011010111110001UREF-uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S210001有效A/D转换器七、双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量——时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。0-+100

正电压UREF向电容C充电，电容两端电压不能突变，使得uo1电压逐步下降，但还是正值，uo2为负值。

非门输出维持不变，还是高电平，使得CP信号继续有效，计数器继续计数。010110001

当输出D为100时，uo1小于零，使得uo2信号翻转为高电平。

此时非门输出为0，关断CP信号，寄存器输出可以作为数字量输出。0无效(式7.3.2)A/D转换器七、双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器在开始一定时间内，积分器A1以输入电压uI为被积函数进行积分，然后以与输入电压uI极性相反的参考电压为被积函数进行积分，再对积分输出电压进行过零比较。UO2UO1斜率ΔUO1t0t1T1（常数）斜率t2T2D的正向电压-0.75V-0.75V（t0≤t≤t1，uI＜0

）

式中：T1=t1-t0,t0=0,uI＜0。（t=t2）

(式7.3.4)A/D转换器=七、双积分型A/D转换器U02U01斜率ΔU01t0t1T1（常数）斜率t2T2D的正向电压-0.75V-0.75V将式（7.3.2）代入式（7.3.4）得

另外，A/D转换器的新产品也时有出现，如用于高精度音频信号处理的Σ-Δ型A/D转换器等。1.常用的D/A转换器有权电阻型和R-2R网络型两种电路。由于R-2R

网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，多为集成D/A转换器所采用。2.常用的A/D转换器有双积分、逐次比较和并行比较型三种。双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低；逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度适中；并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰。小结3.A/D变换器的主要技术指标

一、分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。

二、转换速度：完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。

三、相对精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。

四、其它：功率。电源电压、电压范围等。A/D转换器的主要技术指标

转换精度

【例】已知8位A/D转换器的基准电压VREF=5.12V，求当输入为VI=3.8V时的数字量输出。解：

2.转换速度（1）高速ADC——并联比较型ADC（2）中速ADC——逐次逼近型（3）低速ADC——双积分型（2）八位集成ADC08093.A/D转换器

引脚图

ADC0809是8位CMOS逐次比较型A/D转换器，具有8个输入通道，可直接选通8路模拟量进行转换。输出设有三态TTL锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。

ADC0809的主要组成部分有8路模拟开关、地址译码、256个电阻组成的电阻网络和开关树、8