Analog Digital Converter and Digital Analog Converter7.1 D/A转换器转换器7.2 A/D转换器转换器7. 模数与数模转换器模数与数模转换器3、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。1、掌握倒掌握倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器(DAC)、集成、集成D/A转转换器的工作原理及相关计算。换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器转换器(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。教学基本要求A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）、保存等、保存等用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号数字控制数字控制 计算机计算机概述概述7.1 D/A转换器转换器7.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理7.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器7.1.3 D/A转换的基本原理转换的基本原理7.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式7.1.5 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标7.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用将数字量转换为与之成正比模拟量 。n n位位数字量数字量1. 1. 概述概述DAC7.1 D/A转换器转换器模拟量模拟量1 1、数、数 / / 模转换器模转换器: :A = K D O = K NB 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。 实现D/A转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120将二进制数将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。转换为十进制数。7.1.1 D/A转换的基本原理 D/A转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数用存放在数字寄存器中的字寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码数码由输入数字由输入数字量控制量控制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压 实现D/A转换的原理电路 ，, D/A转换器的分类:按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转换器7.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器Di=0, Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1, Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数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处于处于何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地” 或虚地或虚地。 1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器基准电压基准电压 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I =？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R流入运放的总电流：流入运放的总电流： i I0 + I1 + I2 + I3输出模拟电压：输出模拟电压： 4 4 位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络DAC的输出模拟电压：的输出模拟电压： n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DAC有：有： 令：令：则则 O = K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的，均能得到与之成正比的模拟电压输出。模拟电压输出。 AD7533D/A转换器转换器使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放， 2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻也可采用外接电阻）2.2.集成集成D/A转换器转换器10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2) 倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高； 为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。 为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。 为提高为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：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每个模拟开关的开关电压降要相等Di =1时，开关时，开关S Si i接运放的反相端接运放的反相端; ; Di= 0时，开关时，开关S Si i接地接地。 7.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器1 4位权电流位权电流D/A转换器转换器在恒流源电路中，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。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路电压恒定电压恒定各各BJT的的 发射发射结电压相等结电压相等基准电流产生电路基准电流产生电路+ + +- -7.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB常用双极性编码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 7.1.5 D/A转换器的主要技术指标 分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。等级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多个模拟输出电压。位数越多D/A转转换器的分辨率越高。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。比给出。n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为1、分辨率、分辨率2、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：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等7.1.6 集成D/A转换器的应用(1) 数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒倒T形电阻网络形电阻网络OVIA=Iout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9根据虚断有根据虚断有:(2) 脉冲波产生电路脉冲波产生电路74163具同步清零功能具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：和与非门构成十进制计数器：000010017.2 A/D 转换器7.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程7.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器7.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器7.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器7.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标7.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用概述ADCDnD0输出数字量输出数字量输入模拟电压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。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1. A/D功能功能:7.2 A/D 转换器2. A/D转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s, 转换精度高，在转换精度高，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。 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散7.2.1 A/D转换的一般工作过程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。1. 取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模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拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定频率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的的频率为频率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的的最高频率分量的频率为最高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开 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。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理2. 2. 量化与编码量化与编码 数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还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。只能是某个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。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经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 量化量化3.编码编码 在量化过程中由于所采样电压不一定能被在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量化整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。 量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数转换器的位数越越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式量化方式011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；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。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：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位1/8V=1LSB= 1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，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。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：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平=1LSB= 2/15 V1/15V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码7.2.2 并行比较型A/D转换器电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量1、电路组成、电路组成VI=8VREF/151111000001 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与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各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存储，触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。经优先编码器编码，得到数字量输出。 3、电路特点：、电路特点： 在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的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。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，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。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。行转换的方法。 单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工艺工艺8位位)、AD9002 (ECL工艺，工艺，8位位)、AD9020 (TTL工艺，工艺，10位位)等。等。 所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 7.2.3 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逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留13 克克1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。1. 转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：1. 1. 转换原理转换原理 第二个第二个CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V1. 1. 转换原理转换原理 第三个第三个CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小结：1、 逐次比较型逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；多转换精度越高；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需转换器完成一次转换所需时间与其位数时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短少，时钟频率越高，转换所需时间越短； 7.2.4 双积分式A/D转换器1、双积分式双积分式A/D转换器的基本指导思想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，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，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。双积分式得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称转换器也称为电压时间数字式积分器为电压时间数字式积分器 。1 1、电路组成、电路组成0 00 00 00 00 0Cr信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，闭合，待积分电容放电完毕后，断开断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为0。2 2、工作原理、工作原理准备阶段：准备阶段：经过经过2n个个CP(2) 第一次积分：第一次积分：t = t0时，开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分。积分。经经2n个个CP后后,开关切换到开关切换到B， ，=VP。第一积分时间为第一积分时间为2nTCVREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压时积分器输出电压 O0，比较器输出，比较器输出 C=0，时钟脉冲控制，时钟脉冲控制门门G被关闭，计数停止。被关闭，计数停止。(3) (3) 第二次积分：第二次积分：T1=2nTC T2= Tc T2=t1 t2 在计数器所计的数在计数器所计的数 =Qn-1Q1Q0， 就是就是A/D转换器得到的结果。转换器得到的结果。7.2.4 双积分式A/D转换器优点：优点：1. 由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非无关，从而消除了积分非线线 性带来的误差。性带来的误差。2. 由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。因此具有很强的抗工频干扰的能力。 T1=2nTC3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。1.转换精度 7.2.5 A/D转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。述的。 分辨率分辨率: 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制制(或十进制或十进制)数的位数表示。数的位数表示。 转换误差：转换误差： 表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。量之间的差别。 2.转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间转换器的转换时间与转换电路的类型有关与转换电路的类型有关并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高 ,逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器次之 ,间接间接A/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)的速度最慢。的速度最慢。 并行比较并行比较A/D转换器转换器(8位）位） 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 间接间接A/D转换器转换器1050 s50ns10ms1000ms 使用A/D转换器时应注意以下几点： (1) 转换过程各信号的时序配合转换过程各信号的时序配合100 s7.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用(2) 零点和满刻度调节零点和满刻度调节 (3) 参考电压的调节参考电压的调节 (4) 接地接地 模拟电路电源模拟电路电源 模拟电路模拟电路 A/D转换器转换器 数字电路电源数字电路电源 数字电路数字电路 A A/D、D/A及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地(AGND)和数字地和数字地(DGND)的引脚。的引脚。模数、数模转换电路模数、数模转换电路中要特别注意到地线中要特别注意到地线的正确连接，否则干的正确连接，否则干扰很严重，以致影响扰很严重，以致影响转换结果的准确性。转换结果的准确性。 在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。 2. ADC0809的典型应用