A-D和D-A转换(数字电路分析课件)

任务7.1数模转换器的认知与基本应用DAC的概念权电阻DAC的工作原理和主要参数DAC典型芯片DAC的特点及应用目录由于计算机只能处理数字信号，于是就产生了模拟信号和数字信号之间相互转换的问题。一、DAC的概念

数模转换即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。实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。为何要进行数模和模数转换？模拟量数字量模拟量数字量传感器被控对象自然界物理量数模转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC…………模拟控制器模拟控制器生产控制对象

DACADC二、权电阻DAC的工作原理和主要参数1、D/A转换原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。基本原理DAC的输入、输出关系图n位二进制数输入模拟电压输出转换特性图示为一个输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。二、权电阻DAC的工作原理和主要参数由T型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称I/U

转换电路)组成。2、权电阻网络DAC的工作原理数码Di=1（i=0、1、2、3），即为高电平时，则由其控制的模拟电子开关Si自动接通左边触点，即接到基准电压UREF上；而当di=0，即为低电平时，则由其控制的模拟电子开关Si自动接通右边触点，即接到地。

输入代码Di为1时开关Si连到1端，连接到参考电压VREF上，此时有一支路电流Ii流向放大器的A节点。Di为0时开关Si连到0端直接接地，节点A处无电流流入。运算放大器为一反馈求和放大器，此处我们将它近似看作是理想运放。根据KCL电流定律，我们可得到流入节点A的总电流。i∑与输入的二进制数成正比，故而此网络可以实现从数字量到模拟量的转换。将上述结论推广到n位权电阻网络D/A转换器，输出电压的公式可写成：权电阻网络D/A转换器优点是电路简单，电阻使用量少，转换原理容易掌握；缺点是所用电阻依次相差一半，当需要转换的位数越多，电阻差别就越大，在集成制造工艺上就越难以实现。二、权电阻DAC的工作原理和主要参数（1）分辨率指D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。DAC的最小输出电压值ULSB

表示满度输出电压值，FSR即FullScaleRange例如，一个10位的DAC，分辨率为0.000978。DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。二、权电阻DAC的工作原理和主要参数（2）转换精度指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAC的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。它是一个综合指标，不仅与DAC中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。通常要求DAC的误差小于ULSB/2。二、权电阻DAC的工作原理和主要参数（3）转换时间指DAC在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。三、DAC典型芯片DAC的特点及应用1、数模转换器DAC0832DAC0832内部结构和管脚排列DAC测试D7和D0分别为数据输入端的最高位和最低位，基准电压使用+5V，运算放大器使用LM358，使用±5V双电源供电。使用数字万用表直流电压20V挡，测量结果见下表。DAC测试结果数模转换电路测量值表输出电压与输入数字量的二进制权值成正比关系。本课小结：DAC的概念权电阻DAC的工作原理和主要参数DAC典型芯片DAC的特点及应用010203任务7.2模数转换器的认知与基本应用A/D转换概述A/D转换的原理A/D转换的一般步骤集成ADC及应用目录一、A/D转换概述把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（AnalogtoDigital）转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，写为ADC（Analog–DigitalConverter）。一、A/D转换概述数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理主要应用：(低速)(中速)(高速)(超高速)数字万用表，电子秤等工业控制，实验设备等数字通信二、A/D转换的原理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连续离散二、A/D转换的原理转换过程：A/D转换原理框图三、A/D转换的一般步骤1、采样和采样定理ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量，该过程称为采样。

采样是否丢失某些信息？三、A/D转换的一般步骤1、采样和采样定理即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的两倍（fs≥2fm），则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。这是广泛使用的采样定理。三、A/D转换的一般步骤2、采样保持电路uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI

(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量模拟量到数字量转换需要一定时间，在此期间要求采样所得的样值保持不变。这个过程需有相应电路实现。三、A/D转换的一般步骤2、采样保持电路常见的采样－保持电路，它由采样开关、保持电容和缓冲放大器组成。三、A/D转换的一般步骤3、量化与编码uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI

(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量三、A/D转换的一般步骤3、量化与编码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。最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。编码把量化的结果用二进制代码表示。划分量化电平的两种方法最大量化误差==(1/8)V最大量化误差=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V三、A/D转换的一般步骤4、ADC的分类三、A/D转换的一般步骤4、ADC的分类在直接A/D转换器中，输入模拟信号不需要中间变量就直接被转换成相应的数字信号输出，其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。在间接A/D转换器中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量，然后再将中间变量转换为最后的数字量，其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性能强，一般在测试仪表中用得较多。（1）逐次逼近型ADC开始前清零!比较器

逐次逼近型A/D转换器包括五个部分：电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和顺序脉冲发生器、输出寄存器及相应的控制逻辑。首先，置DN-1＝“1”，若VP

=“H”，则保留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。然后，置DN-2＝“1”，若VP

=“H”，则保留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。直到D0位确定，转换结束。1H110101110Vi=6.8V8位二进制数转换的时序波形优点：技术成熟，精度较高、速度较快。不足：对Vi中入端需用S/H电路（ADC转换期间Vi要恒定）。（2）双积分型ADCVi<0VR>0双积分型模数转换器的原理电路如图所示，它由基准电压、积分器、比较器、计数器、时钟和控制逻辑等组成。放电开关控制K1置位过程K1K2电容积分输出比较器计数器开始地通放电Vo=0双积分式ADC工作原理过程K1K2电容积分输出比较器计数器采样Vi<01断充电线性增加Vo>0向下反转开始计数直到溢出过程K1K2电容积分输出比较器计数器编码VR>02断反向充电线性下降低电平重新计数Vo≤0向上反转停止计数输出结果电路①③②结果溢出值恒定t1恒定反向充电电压恒定Vi不同积分输出不同VR恒定斜率恒定优点：性能稳定，结构简单，抗干扰性和精度较好。不足：转换速度慢，≤20次/s，在对转换速度要求低的场合使用。Vi<0VR>0三、A/D转换的一般步骤5、ADC的主要技术指标指ADC输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。（1）分辨率例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。三、A/D转换的一般步骤5、ADC的主要技术指标指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。（2）相对精度(又称转换误差)例如：转换误差不大于1/2LSB，即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1/2LSB。三、A/D转换的一般步骤5、ADC的主要技术指标指ADC完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。（3）转换时间转换速度比较：并联比较型>逐次逼近型>双积分型数十ns数十

s

数十ms转换时间越小，转换速度越高。四、集成ADC及应用1、集成ADC的选用目前，常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD码输出的位、位、