9 . 数模与模数转换器,9.1 D/A转换器 9.2 A/D转换器,1. 掌握倒T形电阻网络D/A转换器、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转换器的工作原理及其特点； 3. 理解D/A、A/D转换器的主要参数。,教学要求,概述,数字系统只能处理数字信号。自然界中的物理量，例如温度、压力、位移等都是模拟量。要采用数字系统 ( 如计算机 ) 对这些物理量进行控制、检测等，需要一种能在模拟信号与数字信号之间起转换作用的电路模数转换器和数模转换器。 模数转换器：把模拟信号转换成数字信号的器件，简称A/D转换器或ADC。 输入为模拟量，电压vI或电流iI ，输出为与模拟量成比例的n位二进制数：Dn-1Dn-2 D1D0 ， 数模转换器：把数字信号转换成模拟信号的器件，简称D/A转换器或DAC。 输入为n位二进制数D：Dn-1Dn-2 D1D0，输出为与二进制数D成比例模拟量，电压vO或电流iO。,温度 变送器,蒸汽,热电偶,A/D 转换器,数字 计算机,D/A 转换器,电动阀,温度控制实例,染色锅,当D/A输出5V时，电动阀全部打开，蒸汽进量最大；当D/A输出0V时，电动阀全部关闭，蒸汽进量为0；电动阀开度与控制电压成正比。,80H,2.5V,概述,9.1 D/A转换器,9.1.1 D/A转换的基本原理,数 / 模( D/A )转换器：将数字量转换为与之成正比模拟量的电路。,D/A 转换器的框图如图所示 输入NB为n位二进制数：Dn-1Dn-2 D1D0 ， 输出为电压vO或电流iO， vO或iO是模拟量，用A表示模拟量。 D与A之间的关系称为转换特性。 理想转换特性A与D成正比。 A= KD= 比例系数K是常数。 如图是一个3位D/A转换器 理想转换特性曲线，K=1,vO /V,1. 实现D/A转换的基本思想 先分析将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。 ND b424b323b222b121b020 1 24 123 022 0 21 120 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，如能将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。这就是实现D/A转换的指导思想。,9.1 D/A转换器,9.1.1 D/A转换的基本原理,1. 实现D/A转换的基本思想,4位D/A转换器原理电路,i0 i1 i2 i3,0,1,0,1,i = i0 + i1 + i2 + i3 vO=Rf ( i0 + i1 + i2 + i3 ) vO=VREF( D3 23+ D2 22+ D1 21+ D0 20 ),Rf = R,虚地,9.1 D/A转换器,9.1.1 D/A转换的基本原理,2. D/A转换器的组成,n位数字量输入,基准电压,模拟量 输出,用存放输入数字量的各位数码,由输入数字量控制,产生权电流,将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压,9.1 D/A转换器,9.1.1 D/A转换的基本原理,3. 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DAC,D/A 转 换 器,ECL电流开关型DAC,9.1 D/A转换器,9.1.1 D/A转换的基本原理,9.1 D/A转换器,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,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,输入数据,求和电路,Di=0，Si使电阻2R接地； Di=1，Si使电阻2R接虚地，电流 Ii流入求和电路,4位倒T形电阻网络D/A转换器 倒T形电阻网络,R,R,R,R,I,I/2,I/2,I3,I/4,I/4,I2,I/8,I/8,I1,I/16,I/16,I0,倒T形,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 / 2R,I2= VREF / 4R,I1= VREF / 8R,I0= VREF /16 R,9.1 D/A转换器,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,流入运放的总电流：,0,1,1,0,i= I0 D0 + I1 D1 + I2 D2 + I3 D3,I3,I2,I1,I0,输出模拟电压：,输出电压vO与输入数据D成正比,9.1 D/A转换器,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,4位倒T形电阻网络D/A转换器,n位倒T形电阻网络D/A转换器,令：,则：vO = K NB,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vO输出。,9.1 D/A转换器,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,2. 集成D/A转换器 AD7533D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器,AD7533使用说明： . 要外接运放。 . 运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。,9.1 D/A转换器,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,关于D/A转换器精度的讨论 为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求： (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； (3) 每个模拟开关的开关电压降要相等 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。,9.1 D/A转换器,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,9.1.3 权电流D/A转换器,1. 4位权电流D/A转换器,Di=0，Si接地； Di=1，Si接虚地。,0,1,1,0,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。,9.1 D/A转换器,9.1.4 D/A转换器的输出方式,DAC的输出方式有：单极性输出方式和双极性输出方式两种。 采用单极性输出方式时，输入数字量采用自然二进制数，输出或只为正，或只为负。 8位DAC单极性输出方式如表所示 当 VREF= + 10V时,9.96V,5.039V,5V,4.96V,0.039V,0V,255VLSB,129VLSB,=255,0.5VREF,9.1 D/A转换器,8位DAC单极性输出的输入/输出关系 十进制 2进制 模拟量 VREF= 10V 255 11111111 255VLSB 9.96V 254 11111110 254VLSB 9.92V 129 10000001 129VLSB 5.039V 128 10000000 128VLSB 5V 127 01111111 127VLSB 4.96V 1 00000001 1VLSB 0.039V 0 00000000 0VLSB 0V,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1 D/A转换器,采用双极性输出方式时，输入数字量采用带符号的二进制补码，当输入数字量为正，输出为正；输入数字量为负，输出也为负。 8位DAC双极性输出方式如表所示,8位DAC双极性输出的输入/输出关系 十进制 2进制补码 模拟量 VREF= 10V 127 01111111 127VLSB 4.96V 126 01111110 126VLSB 4.92V 1 00000001 1VLSB 0.039V 0 00000000 0VLSB 0V 1 11111111 1VLSB 0.039V 127 10000001 127VLSB 4.96V 128 10000000 128VLSB 5V,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1 D/A转换器,十进制 偏移二进制码 255 11111111 254 11111110 129 10000001 128 10000000 127 01111111 126 01111111 1 00000001 0 00000000,采用双极性输出方式的思路：数字提升，模拟下降,十进制 2的补码 127 01111111 126 01111110 1 00000001 0 00000000 1 11111111 2 11111110 127 10000001 128 10000000,+80H,VREF=10V 9.96V 9.92V 5.039V 5V 4.96V 4.92V 0.039V 0V,0.5VREF,4.96V 4.92V 0.039V 0V 0.039V 0.078V 4.96V 5V,先将2的补码转换成偏移二进制码。,再实现单极性8位DA转换,单极性DA输出电压减去80H对应电压0.5VREF，即得到正确双极性输出电压。,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1 D/A转换器,十进制 2的补码 偏移二进制码 127 01111111 11111111 126 01111110 11111110 1 00000001 10000001 0 00000000 10000000 1 11111111 01111111 127 10000001 00000001 128 10000000 00000000,采用双极性输出方式的方法： 将2的补码转换成偏移二进制码。偏移二进制码 =2的补码+80H，并舍弃进位。 运算方法：将最高位变反。 再由偏移二进制码实现单极性DAC输出。 将单极性DAC输出电压减去80H对于的电压0.5VREF，得到极性正确的偏移二进制码输出电压。 方法：采用模拟加法器。,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1 D/A转换器,双极性DAC,2的补码NB转换成偏移二进制码NA,减去0.5VREF,NA,输出与2的补码NB成正比,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1 D/A转换器,9.1.5 D/A转换器的主要技术指标,1. 分辨率 分辨率是D/A转换器对输入微小量敏感程度的表征。定义为D/A转换器模拟输出电压能被分离的等级数。n位DAC有2n个模拟输出电压。 D/A转换器的位数越多，分辨率越高，实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。 2、转换精度 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。,9.1 D/A转换器,3. 转换速度 当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，它需要一定的延迟时间。通常用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度。 建立时间：输入数字量发生变化时，输出电压达到规定误差范围所需要的时间。 转换速率：指大信号工作状态下，输出模拟电压的最大变化率。 4、温度系数 指输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。,9.1.5 D/A转换器的主要技术指标,9.1 D/A转换器,9.1.6 集成D/A转换器的应用,在实践中，D/A转换器的应用很广，除了典型的D/A转换外，还可用于数字量对模拟量的处理。 (1).数字式可编程增益控制电路数控增益放大器 数控增益放大器，又称程控增益放大器，简称 PGA。PGA就是由输入数据控制放大电路的放大倍数(增益)，随时可以调整增益。,考察反相比例电路 若能够控制Rf 大小，就能够控制放