模数与数模转换器

AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter9.1D/A转换器9.2A/D转换器。9模数与数模转换器13、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。教学基本要求2A/D

转换器

D/A

转换器

模拟

控制器

工业生产过程控制对象

模

拟

传感器

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制

计算机概述349.1D/A转换器9.1.1D/A转换的基本原理9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器9.1.4D/A转换器的输出方式9.1.3权电流D/A转换器9.1.5D/A转换器的技术指标9.1.6D/A转换器的应用5将数字量转换为与之成正比的模拟量。n位数字量DAC9.1D/A转换器模拟量数

/

模转换器的功能:A

=KDO=–KNB

为n位二进制代码的数字量ONB6

数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值。实现D/A转换的过程：是将输入二进制数中为1的每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量。从而实现数字量--模拟量的转换。1.实现D/A转换的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20将二进制数

(11001)B转换为十进制数。9.1.1

D/A转换的基本原理72.

D/A转换器的组成:n位DAC的一般方框图

存放数字量的n位数码

寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关将相应数位的权值送入求和电路

有倒T形电阻网络等多种结构

将各位的权值相加得到与输入的数字量对应的模拟电压数字量可以并行输入也可串行输入8

，，,

3.实现D/A转换的原理电路

虚短路是运放两输入端的电位相等（但不能短接在一起）。运放在反相输入且同相端电位为零时，虚短路等效为虚地（但不能直接接地）。电路由电子开关、权电阻网络、求和电路、基准电压和锁存器等组成。

电子开关S3-S0分别由输入数码D3-D0控制。且当Di=1时，Si接通，否则，Si断开。权电阻网络与运算放大器A组成求和电路。根据线性运用条件下，运放虚短、虚断的特点有：结果表明：电路实现了从数字量到模拟量的转换。94.D/A转换器的分类:按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC

权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转

换

器109.1.2倒T形电阻网络D/A转换器Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”

或虚地。1、4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器11D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R12流入运放的总电流：i＝I0+I1+I2+I3输出模拟电压：

134位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：n位倒T形电阻网络DAC有：令：则O=–KNB

在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。14AD7533D/A转换器使用:1)要外接运放，

2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻）2.集成D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器

15关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。

为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等；16Di

=1时，开关Si接运放的反相端;Di=0时，开关Si接地。9.1.3权电流D/A转换器(自学）1.4位权电流D/A转换器17在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。18实际的权电流D/A转换器电路电压恒定各BJT的发射结电压相等基准电流产生电路++-199.1.4D/A转换器的输出方式输入的数字均为正数时（即无符号位），据电路形式或参考电压的极性不同，输出电压或为0V到正满度值，或为0V到负满度值，DAC处于单极性输出方式。表1：8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模拟量

数字量MSBLSB20表2：常用双极性编码十进制数2的补码偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128

*表中VLSB=VREF/256

实际上，DAC输入的数字量有正也有负，故要求DAC能将它们对应转换为正、负极性的模拟电压输出，工作于双极性方式。常用双极性编码有2的补码、偏移二进制码和符号-数值码等。即移码。其符号位与补码相反比较表1与表2发现：移码是将二进制码对应的模拟量的零值偏移至80H，偏移后的数中，只有大于128的才是正数。故若将单极性8位DAC的输出电压减去80H所对应的模拟量VREF/2即可得到极性正确的移码输出电压。21

双极性输出的DAC采用2的补码输入变为偏移二进制码送入DAC由于前面讲的DAC为无符号数输入的单极性输出DAC，现要实现带符号数输入的双极性输出DAC。而DAC输入的带符号数一般为2的补码形式，要实现双极性输出，首先要将它转换为偏移二进制码，然后再输入到上述DAC电路中即可。双极性8位DAC的输出电压80H所对应的模拟量单极性8位DAC的输出电压229.1.5D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为1、分辨率232、转换精度：

转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：比例系数误差、失调误差和非线性误差等。249.1.6

集成D/A转换器的应用(自学）1.数字式可编程增益控制电路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

25

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形电阻网络OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根据虚断有:262.

脉冲波产生电路74163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：0000~1001279.2.6

集成A/D转换器及其应用9.2A/D

转换器9.2.1A/D转换的一般工作过程9.2.2

并行比较型A/D转换器9.2.3

逐次比较型A/D转换器9.2.4

双积分式A/D转换器9.2.5A/D转换器的主要技术指标28ADCDn~D0输出数字量输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.

A/D功能:9.2A/D

转换器292.A/D转换器分类①并行比较型

特点:

转换速度快,转换时间10ns~1s,

但电路复杂。②逐次逼近型

特点:

转换速度适中,转换时间为几s~100s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。③双积分型

特点:

转换速度慢,转换时间几百s~几ms,但抗干扰能力最强。30取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散9.2.1A/D转换的一般工作过程

A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。①③②311.取样与保持

采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间上离散的模拟量。取样过程图示如右下：

采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。

采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs

≥2fimax

S(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开（a）传输门（b）各信号波形图取样过程传输门由采样信号S(t)控制：32采样保持取样与保持电路及工作原理：

采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样—保持控制电路（a）原理图输入放大器输出放大器保持电容332.量化与编码数字量在数值上是离散的，采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。要实现A/D转换，还必须将采样–保持电路的输出表示为最小数量单位的整数倍。将数值连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。最小数量单位称为量化单位。量化单位是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。

将量化后的结果用二进制码或其他代码表示出来的过程称为编码。经编码输出的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化：编码：34在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。只舍不入（舍尾取整）量化方式四舍五入的量化方式量化误差：量化前的电压与量化后的电压差。量化方式：两种近似量化方式：35011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号编码量化后电压（a）只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位:＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码Δ=1/36（b）四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v输入信号编码模拟电平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码Δ=2/(-1)379.2.2

并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压电阻分压器精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量1、电路组成寄存器优先编码器三位并行ADC38VI=8VREF/15111100000139

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/15

0000000000

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。三位并行ADC输入与输出关系对照表402、电路特点：在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。419.2.3

逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。即从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去；第二次加次重砝码……照此下去，一直加到最小一个砝码止。最后将所有留下的砝码重量相加，就得物体的重量。仿照这一思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入的模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。1.转换原理42所加砝码重量

结果

第一次8克砝码总重<待测重量Wx

，8克砝码保留8克第二次再加4克砝码总重仍<待测重量Wx

，4克砝码保留12克第三次再加2克砝码总重>待测重量Wx

，

2克砝码撤除12克第四次再加1克砝码总重＝待测重量Wx

，1克砝码保留13克若有砝码：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx

=13克。则有：43100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一个CP：

8位逐次比较型A/D转换器框图如下所示：它由控制逻辑电路、数据寄存器、移位寄位器、D/A转换器及电压比较器组成。电路启动后，启动脉冲和第一个CP将移位寄存器的最高位D7置1，其余位为0。该数字经数据寄存器送入D/A转换器，转换后的电压与输入模拟电压VI相比较，若VI大，则比较器输出为1，否则输出为0，此结果存于数据寄存器的D7位；（128VREF/256=VREF/2=5V)44第二个CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V第二个CP使移位寄位器为01000000。如最高位已存1，则此时DAC的输出电压Vo’=3VREF/4，该值再与VI比较，若VI大，则次高位D6存1，否则存0；……以此类推，逐次比较得到输出数字量。（128VREF/256+64VREF/256=3VREF/4=7.5V）45第三个CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V（128VREF/256+32VREF/256=5VREF/8=6.25V）4610000000A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111147小结：1、

逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短.489.2.4双积分式A/D转换器（自学）

双积分式A/D转换器的基本指导思想:

对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压－时间－数字式积分器。491、电路组成5000000Cr信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2使电容的初始电压为0。2、工作原理(1)准备阶段：51经过2n个CP(2)第一次积分：t=t0时，开关S1与A端相接，积分器开始对I积分。经2n个CP后,开