教学基本要求 1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成 D/A转换器7520的工作原理及相关计算。 2、正确理解D/A转换器的两种输出方式。 3、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。 4、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。Digital Analog Converter and Analog Digital Converter 1D/A转换、A/D转换的应用模 拟 传感器 A/D 转换器 数字控制 计算机 D/A 转换器 模拟 控制器 工业生产过程控制对象 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器 (温度、压力、 流量、应力等）计算机进行数字处理 （如计算、滤波）、 数据保存等用模拟量作为控 制信号29.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器 9.1.2 权电流型D/A转换器 9.1.3 D/A转换器的输出方式 9.1.4 D/A转换器的主要技术指标 9.1.5 集成D/A转换及其应用 9.1.0 D/A转换器概述 9.1 D/A转换器31、DAC的功能:将数字量成正比地转换与之对应的模拟量 。 （设D/A转换器的输 入数字量为n位）n位数字量模拟量05V或010V等9.1.0 D/A 转换器概述9.1.0 D/A 转换器概述DAC4位8位10位12位16位等n=4如何实现D/A？9.1.0 D/A 转换器概述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, 这样，就可以实现数字量-模拟量的转换。2. 实现D/A转换的基本思想53. D/A转换器的组成:9.1.0 D/A 转换器概述 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器64. D/A转换器的分类:9.1.0 D/A 转换器概述按解码网络 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 ECL电流开关型DAC D/A 转 换 器79.1.1 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、原理电路89.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器2、D/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。 99.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器3. 工作原理：II2I1I0I3流入运放的总电流： i I0D0 +I1D1 +I2D2 +I3D3(9.1.1)109.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器3. 工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压： (9.1.2)119.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器3. 工作原理：4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： (9.1.2)推广到 n 位倒T形电阻网络DAC,有： (9.1.3)令：则O = K NB (9.1.4)上式表明，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。 12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(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 。 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器139.1.2 权电流型D/A转换器Di =1时，开关Si接运放 的反相端; Di= 0时，开关Si接地。 电路在恒流源电路中，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。采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？14实际的权电流D/A转换器电路9.1.2 权电流型D/A转换器15D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟拟量1 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 09.1.3 D/A转换器的输出方式表9.1.1 8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系161. 单极性输出方式 倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路 反相输出 同相输出 9.1.3 D/A转换器的输出方式179.1.3 D/A转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器输入与输出关系十进进 制数2的补码补码偏移二进进制码码模拟拟量 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0O/VLSB 1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 012611 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 111271 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 11271281 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0128189.1.3 D/A转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器NBI1 I2I总199.1.4 D/A转换器的主要技术指标2、 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。即：转换误差的最大值1、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。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。 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20 转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度与理论上 可达到的精度之间存在误差。 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：有如比例系数误差、失调误差和非线 性误差等9.1.4 D/A转换器的主要技术指标3、 转换速度 ：是指当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，它要延长一 段时间。219.1.4 D/A转换器的主要技术指标比例系数误差：是指实际转换特性曲线的斜率与理想特 性曲线斜率的偏差。 如在n 位倒T 形电阻 网络D/A转换器中，当 VREF偏离标准值 VREF时，就会在输 出端产生误差电压。由 式9.1.3可知 由VREF引起的误差 属于比例系数误差。 229.1.4 D/A转换器的主要技术指标失调误差：由运算放 大器的零点漂移引起， 其大小与输入数字量无 关，该误差使输出电压 的转移特性曲线发生平 移 。三位D/A转换器的失 调误差如图9.1.8所示。 239.1.5 集成D/A转换器及其应用1. AD7520D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器 249.1.5 集成D/A转换器及其应用1. AD7520D/A转换器中的1位CMOS模拟开关电路 优点： 使用简便、功耗低、转换速度较快、温度系数小、通用性强。 259.1.5 集成D/A转换器及其应用2、集成D/A转换器应用之一： 数字式可编程增益控制电路 269.1.5 集成D/A转换器及其应用2、集成D/A转换器应用之二： 脉冲波产生电路 279.2.1 A/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 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标 9.2 A/D 转换器9.2.6 集成A/D转换器及其应用 28A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括取样， 保持，量化及编码4个过程。A/D转换器概述ADCDnD0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:29 2. A/D转换器分类 并联比较型特点: 转换速度快,转换时间 10ns 1s, 但电路 复杂。 逐次逼近型特点: 转换速度适中,转换时间 为几s 100 s, 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。 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。A/D转换器概述309.2.1 A/D转换的一般工作过程 1. 取样与保持 采样是将随时间连续变化的模 拟量转换为在时间离散的模拟量 。 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(9.2.1)31要将取样电路每次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 电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取 样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。 电路要求：AV1AV2= 1 ,A1 的Ri 高，A2 的Ri 高，A2 的Ro低采样不能放电保持1. 取样与保持9.2.1 A/D转换的一般工作过程（1）电路及工作原理I , o322. 量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将采样保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。 9.2.1 A/D转换的一般工作过程量化编码33(1)量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数 字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字 量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后 不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差