12 第10章 数模转换和模数转换.pptx

第1页：第九章 数模和模数转换

第九章数模和模数转换第一节D/A转换器第二节A/D转换器本章学习要求

第2页：第九章导学与概述

概述计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界，对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量、将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的A/D和D/A。虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。

第3页：A/D转换器与D/A转换器

能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC(Analog-to-DigitalConverter)；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC(Digital-to-AnalogConverter)。本章将简单介绍D/A转换器和A/D转换器的几种主要形式。温控系统中D/A和A/D运用示意图

第4页：D/A转换器(DAC)

§1 D/A转换器(DAC)一、D/A转换器的基本原理和转换特性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。1基本原理

第5页：即：输出模拟电压uo=Ku×D

即：输出模拟电压uo=Ku×D;Ku电压转换比例系数.输出模拟电流io=Ki×D;Ki电流转换比例系数，（D:输入二进制数所代表的十进制数。）如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：转换特性:指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。理想的D/A转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。输入为3位二进制数时的D/A转换特性。2转换特性

第6页：按权展开

• 给定数字量的D/A转换过程：
• 按权展开，求相应位的模拟量；
• 相加求和，求总的模拟量；
• 电阻网络：实现按权展开；
• 电子开关:给定数字量；
• 求和电路:完成模拟量相加。DAC的一般构成：存在多种网络形式。由晶体管或MOS管组成。由运放组成。

第7页：二进制

常见DAC转换方法二进制权电阻网络DACT型电阻网络DAC倒T型电阻网络DAC二进制权电流DAC

第8页：二进制

二、二进制权电阻网络DAC参考电压电子开关：d＝1→接“-”;d=0 →接“+”不论d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。求和电路⒈电路

第9页：转换原理

• 设RF=R/2
• 转换原理
• 输出RF=R/2给定数字量

第10页：T型电阻网络DAC

三、T型电阻网络DAC⒈电路电子开关：d＝1→接“VR”;d=0 →接“地”

第11页：转换原理

⒉转换原理①VR通过S0到D点的电压值等效电路：S0接VRS1S2S3接地同理：

第12页：权电阻、T型与倒T型DA

所以，当d3d2d1d0＝0001时同理，当d3d2d1d0＝0010时当d3d2d1d0＝0100时当d3d2d1d0＝1000时②d3d2d1d0为任意值时D点的电压值：输出：取Rf＝3R:

第13页：开关在电阻网络和VR之间

• 开关在电阻网络和VR之间。
• 当Si由地→VR时，需建立起相应的VD，影响工作速度。
• 各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲。如：1000 → 0111的转换：可能为1000 → 0000→0100→ 0110 → 0111产生尖脉冲⒊特点tUo10000000010001100111

第14页：电子开关置于电阻网络和运放之间

⒈电路注：1、电子开关置于电阻网络和运放之间。di＝1电流入P点（虚地），di＝0电流入地（实地）。2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），电流不变，故无需电流建立时间。四、倒T型电阻网络DAC

第15页：转换原理

• 转换原理
• 节点A、B、C、D以左，等效电阻为2R。总等效电阻为R。
• 总电流

第16页：转换原理

⒉转换原理（续）③每过一个节点，电流被分流1/2。

第17页：转换原理

• 转换原理（续）
• 流入P点总电流
• 输出电压

第18页：权电阻、T型与倒T型DA

常见DAC输出公式归纳权电阻网络T型电阻网络倒T型电阻网络取Rf＝3R取Rf＝R取RF=R/2

第19页：例1求解过程

例1：设在T型电阻网络中，输入二进制的位数n＝6，参考电压VR=10V，当输入X＝110101时，求：1、RF＝2R时，VO＝？2、RF＝3R时，VO＝？解：1.2.

第20页：例2求解过程

例2：设在T型电阻网络中，参考电压VR=6V，RF＝3R，求:1. d3～d0＝0001时，VO＝？2. d3～d0＝1111时，VO＝？解：1.2.叫DAC的满刻度输出电压值，位数越多，Vomax越接近VR。叫DAC的最小输出电压值，位数越多，Vomin越接近0。

第21页：D/A转换器

一般集成D/A转换器将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上，外接基准电压VR、求和运算放大器。位数：8位、10位、12位、14位。TTL工艺：AD1408、DAC100等。CMOS工艺：AD7532、AD7541、DAC0808、DAC0832、5G7520输入：并行（传统芯片，如上述所有型号）串行（近几年开发的芯片，如MAX518等）五、集成D/A转换器及其应用

第22页：例：DAC0832芯片

• 例：DAC0832芯片
• 8位DA转换器
• COMS工艺
• 倒T型电阻网络
• 内部有2个数据寄存器
• 直通、单缓冲、双缓冲三种工作方式1.结构2.特点

第23页：引脚说明VR

D0～D7：输入8位数字量，D7最高位（MSB），D0最低位（LSB）Io1、Io2：模拟电流输出端，Io1+Io2=常数＝VR/R输入全1时，Io1最大，Io2最小；反之则反。Io1相当于倒T形DA转换中的I∑。RFB：运放用反馈电阻引出端。RF＝R，使得3.引脚说明VR：基准电压，VR＝－10V～＋10VVCC：电源电压＋5V～＋15VMost Significant BitLeast Significant Bit

第24页：引脚说明（续1）DGND

3.引脚说明（续1）DGND：数字信号接地端。AGND：模拟信号接地端。：片选信号，低有效。：输入锁存使能，高有效。：写信号1，低有效。：数据锁存。寄存器输出不随输入变化。：数据直通。寄存器输出随输入变化。

第25页：引脚说明（续2）

3.引脚说明（续2）：写信号2，低有效。：DAC转换控制端，低有效。：数据锁存。寄存器输出不随输入变化。：数据直通。转换数据随输入变化。

第26页：波形图

4.波形图（设ILE＝1）该时刻输入数据被锁存该时刻转换数据被锁存

第27页：工作方式

• 工作方式
• 直通工作方式：数据不作任何锁存；
• 单缓冲工作方式：数据被一个寄存器锁存；
• 双缓冲工作方式：两个寄存器都对数据进行锁存。直通工作方式

第28页：工作方式单缓冲工作方式双缓冲工作方式

5.工作方式（续）单缓冲工作方式双缓冲工作方式

第29页：调零和调满度

• 调零和调满度
• 调零：输入D0～D7为全零，调RE使Vo＝0
• 调满度：输入D0～D7为全1，调RF使Vo＝最大
• 步骤，直到都满足为止。步骤：调零调满度

第30页：D/A转换器的主要技术指标

六、D/A转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率取决于DAC的位数，故常用输入二进制数码的位数n来表示分辨率：

第31页：线性度在满度范围内

2.绝对误差绝对误差＝理论满度值－实际满度值<±1/2LSB3.线性度在满度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满度输出值之比，称为非线性误差。常用非线性误差的大小表征线性度。

第32页：建立时间

4.建立时间ts（转换速度）转换器输入变化为满度值时（全0→全1，或全1→全0），输出模拟量达到稳定所需要的时间。不含运放的DAC的建立时间，一般小于0.1μS。含运放的集成DAC的建立时间，一般小于1.5μS。5.其它指标电源电压、输出方式（电流、电压）、输出范围等等。选择DAC需考虑的次要指标：输出方式、输出范围（VR取值）。主要指标：分辨率、转换速度。其它指标集成DAC一般都能满足。

第33页：DAC转换小结

DAC转换小结：1.转换过程:按权展开、相加求和。2.一般构成：电阻网络、电子开关、求和电路。3.常用转换原理：权电阻、T型、倒T型、权电流。4.集成DAC(DAC0832):8位，倒T型，双缓冲，电流输出。5.主要技术指标：分辨率、转换速度、绝对误差、线性度。

第34页：A/D转换器

§2 A/D转换器(ADC)A/D转换器(ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。按工作原理分类并行比较型逐次逼近型双积分型V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型V/F转换型间接转换并行比较型

第35页：量化编码与编码

一、转换原理模拟信号（A）转换成数字信号（D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。时间离散→采样定理辐值离散→量化编码

第36页：采样电路

• 采样电路
• 要求①在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。②采样后保持原信号特征。
• 采样定理采样频率大于2倍输入信号频率的最大值。①②③⑦①②④⑤⑥⑧

第37页：采样保持电路

• 采样保持电路
• VL=1时：V导通，Vo＝Vc＝－ViV－采样开关，R1＝Rf
• VL=0时：V截止，Vc（Vo）在短时内保持不变。集成芯片LF198：采样保持放大器，原理如上，前端有隔离放大器。Vc

第38页：量化编码为了产生量化编码

• 量化编码为了产生量化编码，在设计（或选择）AD器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。如量化单位用表示，量化过程为：把要转换的模拟量除，得：
• 整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。
• 余数部分，即量化误差。误差处理：四舍五入——误差小。只舍不入——误差大。量化单位越小→转换位数越多→量化误差越小。

第39页：逐次逼近型ADC

二、逐次逼近型ADC⒈转换方法根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量（如4位AD，权值数字量分别为1000，0100，0010，0001），进行DA转换，分别得到不同的Vo，使Vo与Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至Vo最逼近Vi为止，从而得到最终的转换结果。

转换过程类似于天平秤重的过程设有8g、4g、2g、1g四种砝码，被秤重物为13g。砝码重量比较判别保留或除去该砝码次数1 8g 8g<13g保留2 8g+4g 12g<13g保留3 8g+4g+2g 14g>13g去除4 8g+4g+1g 13g=13g保留

第40页：数码寄存器

⒉原理框图DA转换器输出寄存器移位数码寄存器控制电路CP脉冲比较器VoVi产生数字砝码A/D过程中：控制数字砝码的取舍。A/D结束后：存放转换结果。

第41页：逐次逼近型ADC的特点

• 逐次逼近型ADC的特点
• 速度较高
• 精度较高
• 转换时间固定（如4位ADC需4个CP脉冲）。
• 一般输出带有缓冲器，便于与微机接口，应用较广泛。总时间T=T启动+n×TCP一般取T启动=2TCP

第42页：双积分型ADC

三、双积分型ADC⒈原理电路积分器：对Vi:定时积分。积分时间T1，为计数器由全0计到全1所需的时间。时间T1由CP决定，电压Uo由Ui决定。对VR:定值积分。积分时间T2，为Uo由反向积分到0所需的时间。T2由Uo决定。Qn＝0：S1→uiQn＝1：S1→-VR逻辑控制门触发器n位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门Gn位二进制数字输出ui－VRS1S2RCCPCO=1(uo≤0)=0(uo>0)uodn-1d0－－++TCPCO=QnAC

第43页：原理电路比较器

逻辑控制门触发器n位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门Gn位二进制数字输出ui－VRS1S2RCCPCO=1(uo≤0)=0(uo>0)uodn-1d0－－++TCPCO=QnAC⒈原理电路(续)比较器：过0比较，Uo> 0时Co=0,封锁G,使CP不起作用。Uo< 0时Co=1,打开G,计数器能对CP计数。控制门G：控制计数与否。Qn＝0：S1→uiQn＝1：S1→-VR

第44页：工作过程

⒉工作过程①定时积分(对Vi)Qn＝0：S1→uiQn＝1：S1→-VR逻辑控制门触发器n位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门Gn位二进制数字输出ui－VRS1S2RCCPCO=1(uo≤0)=0(uo>0)uodn-1d0－－++TCPCO=QnAC

第45页：触发器

②定值积分(对-VR)逻辑控制门触发器n位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门Gn位二进制数字输出ui－VRS1S2RCCPCO=1(uo≤0)=0(uo>0)uodn-1d0－－++TCPCO=QnAC

第46页：逐次逼近型与双积分型AD

所计的脉冲数N与Vi在T1内的平均值VI成正比，N即代表了VI的数字形式，完成了AD转换。QntttttVS1ViVREFVoVCVGT1T22nNVi’T2’N’

第47页：双积分型ADC的特点

• 双积分型ADC的特点：
• 抗干扰能力强。(与Vi平均值成正比)
• 精度高。(两次积分用同一个积分器，积分器本身的误差能抵消。)
• 速度较慢。
• 一般用于工业现场仪表。

第48页：集成A/D转换器

• 集成A/D转换器⒈ADC08098位逐次逼近型A/D转换器,内部有8通道多路开关、地址译码、电压比较器、8位DA转换器、控制及时序电路等。工作过程：
• 由地址（CBA）选择输入（IN0～IN7），ALE进行地址锁存；
• START启AD转换；转换开始EOC＝0；
• 转换结束EOC＝1，向外发出结束信号；
• 使OE＝1，读取转换结果。

第49页：逐次逼近

控制与时序逐次逼近寄存器模拟开关256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器8路模拟开关地址锁存与译码－＋比较器8位DA模拟输入IN0IN73位地址CBA地址锁存允许ALEVCCGNDVR＋VR－OE输出允许8位输出EOC启动START时钟CLOCK5V～15V500KHz～1MHz转换结束ADC0809结构框图

第50页：线路简单

• 5G14433AD转换器——3½位CMOS双积分型A/D转换器。⑴3½位：能显示4位数字，最高位显示1、0；其余位可显0～9。最大数字：1999；最小数字：0000
• 线路简单；
• 精度高、抗干扰能力强；
• 输入1路模拟量，输出3位半BCD码；
• 速度慢；
• 用于工业现场。⑵特点

第51页：转换速度分辨率

• 主要技术指标
• 转换精度
• 转换速度分辨率：理论精度用AD转换位数表示。n位输出，有2n个等级，每个等级相差1/2nFSR。FSR满量程输出。一般分辨率指对参考电压的1/2n，即VREF/2n。转换误差：实际转换数字量与理论转换数字量的差值。一般用最低有效位的倍数表示，<1/2LSB。主要由转换类型决定。直接比较：几十ns逐次逼近：几十μs双积分：几十ms

第52页：逐次逼近

• 本章要求
• 熟练掌握DA转换常用的几种方式（权电阻、T型、倒T型、权电流），掌握它们的转换原理、输出形式。
• 熟练掌握AD转换常用的几种方式（直接比较、逐次逼近、双积分），掌握逐次逼近、双积分转换工作原理。
• 熟练掌握ADC和DAC的主要技术指标。
• 掌握常用集成ADC和DAC的特点，了解其选型的主要依据。RET

第53页：本章要求与作业

10.3,10.9(假设启动脉冲相当2个CP周期)本章完本章作业

第54页：D/A电路形式

D/A电路形式：权电阻T形倒T形I∑I∑I∑结论：D/A的输出电压都是I∑与RF的乘积。RFRFRF