,第七章 数/模和模/数转换器,概述,D/A转换器,A/D转换器,D/A和A/D转换器应用举例,本章教学基本要求,了解：,(1)倒T形电阻网络D/A转换器的电路结构和工作原理。,(2)典型集成D/A转换器的结构及应用。,(3)逐次逼近型或双积分型A/D转换器的电路结构、 工作原理和典型 集成A/D转换器的结构及应用。,7.1概述,将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或DAC。,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或ADC。,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。,数模转换：,实现数模转换的电路称数模转换器。,模数转换：,实现模数转换的电路称模数转换器。,压力, 温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号,由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流,数字计算机工业控制系统示意图,由计算机依次选通， 进入ADC转换成数字量信号,经过计算机数据处理，输出为数字量,计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。,7.2 D/A转换器,7.2.1 R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理,7.2.2 集成D/A转换器AD7520电路结构和应用,7.2.3 D/A转换器的主要技术指标,一、R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理图,模拟开关S3-S0表示 四位二进制数,四位的二进制数,当Di=1表示Si接1,电阻 上通过电流流向I01,当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端,各节点向右看的二端网络的等阻值为R,等效电路为,由基准电源VREF供出电流 为:IR=VREF/R,因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有,同理可以得出：,当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,R-2R倒T形电阻网络D/A转换器,运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反 相求和运算电路。可得输出电压为：,若取Rf=R,则D/A转换后的输出电压表示为:,同理,当Di为n位的二进制数,则相应 R-2R 倒T 形电阻网络也有n个节点,则D/A转换后的输出电压为:,AD7520电路的内部电路结构,二、 集成D/A转换器AD7520电路结构和应用,符号图,当 R=10k,2R=20k,故RF=10k, 根据公式 则转换后的输出电压为:,其中T1-T7构成两个互为倒相的CMOS反相器。,当Di = 1 时,T1导通,T4,T5为高电平,T6,T7为低电平,T8截止,T9导通,Ii 流向I01,当D0=0时,T9截止,T8导通,Ii流向I02起到电流模拟开关作用。,CMOS电流开关,应用电路,AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压输出,1.单极性输出应用电路,当D9-D0数码为全1时,其时应的十进制数为:,210-1=1023,例:AD7520 D/A 转换器组成的DAC电路中,已知VREF=10V,求当输入数码为37C(H)时，转换成单极输出电压为多大?,解:求出37C(H)对应的十进制数 37C(H) = (0011 0111 1100)2 = (892)10 = N10 故 UO = - VREF/210 。 N10 = - 10/1024 892 = - 8.71V,单极性输出电路,7.2.3 D/A转换器的主要技术指示,一、分辨率 分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它是输入数码只有最低有效位 为1时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之比。可表示为: 对于10位 D/A 转换器的分辨率为,二、绝对误差 绝对误差又称绝对精度,是指当输入数码为全1时所对应实际输出电压 与电路理论值之差。,三、转换精度 一般是指最大的静态误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂移 误差、 运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。,7.3 A/D转换器,模拟电压信号,二进制数码,直接A/D,并联比较型,反馈比较型,计数型,逐次比较型,间接A/D,A /D 转换的基本原理,输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。,采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 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。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。,A /D 转换的一般步骤,2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介,模拟电子开关,A1为运算放大器,具有工作速度高和失调电压低的特点.,LF398电路结构及外部元件连接图,运算放大器A2，具有噪声低和输入阻抗高的特点。,为开关驱动器,2.集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介,LF398电路结构及外部元件连接图,当ULUREF+UT 时，S闭合。 当ULUREF+UT 时，S断开。,二 量化及编码电路,在A/D转换器中,将模拟电压转换成数字信号,其数字信号最低位LSB=1所对应的模拟电压的大小称为量化单位S。,在进行A/D转换时,必须把采样电压化为这个量化单位S的整数倍,这个转化过程称为量化。一般被转换的模拟电压不可能被S整除,这因素引起的误差称为量化误差。,量化的结果用一组相应的数字代码表示,称为编码。这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及编码电路即为A/D转换器电路。,7.3.2 V-T型双积分式A/D转换器,双 积 分 A D C 转 换 器 电 路 图,A/D转换前，控制电路对计数器清零,并将S2闭合使C放电后, S2再断开,-VREF,第一次积分,第一次积分时间,由于uI 0, 所以uO0。,S1接通a点,积分器对 uI 积分,1,G开放，CP进入计数器开始计数。,积分器输出为：,第二次积分,Qn=1,S1接通b,电容有初始电压进行反积分,计数器在Qn=1的基础上,在最低 位Q0=0开始计数.当电压上电容为0,UC=0,封锁了G，计数器停止计数。,将T2 = t2 t1 = NTC 及 代入,属于 V-T 型 ADC,若取 VREF = 2 n 则 N = u I,即计数值表示为被转换的输入电压 u I 数值,7.3.3 逐次逼近型A/D转换器,它是一种常用A/D转换方式,转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型A/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。,(1)先在砝码盘上加上128g砝码，经天平比较结果，重物149g128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。,（2）再加64g砝码，经天平比较，重物149g(128+64)g， 则舍下64g砝码，即相当于数码记为0。,逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下， 否则舍去。,保留的砝码为 128g + 16g + 4g + 1g = 149g 相当于转换的数码为D7D0 = 10010101,逐次逼近型A/D转换器被保留的电压相当于天平所称的物体 质量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码 所保留下来的砝码质量。,一、逐次逼近型A/D转换器的基本电路,比较器C,3位D/A转换器,数码寄存器,环形右移寄存器,为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压 = 0.5V, 作为量化误差修正,送入比较器的电压为uO = uO - , 使精度提高一倍。,3位D/A转换器输出的相当于砝码值的电压,根据D/A转换器原理可知, 若 VREF = 8V, 则3位DAC能分辨的最小电压为S = = 8V = 1V,在CP时钟脉冲作用下，QAQE逐个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍脉冲,二、 工作原理,设定：,5.9V,时,时,转换开始前，先将FF2 FF1、FF0清零。 设 QAQBQCQDQE = 10000 G变为高电平以后，转换 开始。,Q2 = 1 应保留,5.9V,第一个节拍,3.5V,0,Q1 = 1 应保留,Q2 = Q1 =1 应保留,5.9V,第二个节拍,0,5.5V,Q2 = Q1 =1 应保留,5.9V,第三个节拍,1,6.5V,Q0 =1 不应保留,5.9V,第四个节拍,0,5.5V,Q0 =1 不应保留,Q2 = Q1 =1 应保留,打开,5.9V,第五个节拍,被封锁,0,1,由于ADC的电路类型不同，编码方法不同，其指标类型也有所区别。如输出数据为8421编码的BCD码ADC和自然二进制数编码的ADC，它们的转换精度含义和表示方法也不同。现以输出二进制数编码的ADC为例介绍主要技术指标.,7.3.4 A/D 转换器的主要技术指标,1.分辨率,ADC的分辨率又称分解度。,输出二进制数位越多，转换精度越高，即分辨率越高。 故可用分辨率表示转换精度。,2.转换速度,转换速度是指转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有稳定数字输出为止的一段时间。,相对误差可以表示ADC转换的误差。它是指在对应于某一输出数字量情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值VREF之比,常以 1/2 LSB 所对应的输入值与 VREF之比表示。,3.相对误差,7.4 D/A和A/D转换器应用举例,一、 数控电流源,在自动控制仪表中，常要求根据输入数码相应输出精密电流， 这称为数控电流源。,二、工作原理,u0受N控制,A2组成电压跟随电路，故ud=ub,根据戴维南定理：,A1组成同相比例放大电路,流过RS上电流iL即RL上电流为,即I L由 D/A 转换电路的输入数码 N 决定，而与RL无关，故称为数控电流源。,3 位数字电压表指显示的量程为1.999和199.9mV，其最高位只显示或1，故称为 位ICL7106系列电路内部为双积分型A/D转换器,用来将被测的电压转换成4位BCD码,相应的七段数码管各段ag平行输出,驱动液晶数码管,显示被测电压值.电路具有外围元件少、使用简单、工作可靠的特点。,二、 3 位A/D转换器7106集成数字电压表,用9V单电源工作，40只引脚，双列直插。,缓冲器输出端,积分器,反向输入端,3 位A/D转换器7106集成数字电压表,