第十章 模数和数模转换.ppt

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1、第十章 模数和数模转换,第一节 D/A转换器,第二节 A/D 转换器,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。,能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器

2、，简称A/D转换器或ADC； 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。,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。,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。,基本原理,转换特性,图示是输入为3位二进制数时的D/A转换特性。 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。即：输出模拟电压 uo=KuD ;Ku电压转换比例系数. 输出模拟电流io=KiD。;Ki电流转换

3、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-2d1d0，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。,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 。,二、二进制权电阻网络DAC,参考电压,电子开关：d1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,电路,设RF=R/2, 转换原理,输出,三、T

4、型电阻网络DAC,电路,电子开关：d1接“VR”;d=0 接“地”, 转换原理, VR通过S0到D点 的电压值,等效电路：,S0接VR S1 S2 S3接地,同理：,所以，当d3d2d1d00001时,同理，当d3d2d1d00010时,当d3d2d1d00100时,当d3d2d1d01000时, d3d2d1d0为任意值时 D点的电压值：,输出：,取Rf3R ：,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 00000100 0110 0111,产生尖脉冲,特

5、点,电路,注：1、电子开关置于电阻网络和运放之间。 di1电流入P点（虚地）， di0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, 转换原理,节点A、B、C、D以右，等效电阻为2R。 总等效电阻为R。,总电流, 转换原理（续）,每过一个节点，电流被分流1/2。, 转换原理（续）,流入P点总电流,输出电压,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Rf3R ：,取RfR ：,例1：,设在T型电阻网络中，输入二进制的位数n6，参考电压VR=10V，当输入X110101时， 求1。RF2R时，VO

6、？ 2。RF3R时，VO？,解：,1。,2。,例2：,设在T型电阻网络中，参考电压VR=6V，RF3R作输入， 求1。d3d01111时，VO？ 2。d3d00001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。,五、DAC常见输出形式,1.单极性输出方式,输出从0正满度变化(VR0),单极性反相电压输出,单极性同相电压输出,说明:单极性输出DAC,输入数字量一般采用自然二进制数.,如:n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表:,2.双极性输出方式,说明:,输出电压范围从负满度值正满度

7、值变化.(如-5V+5V),对应输入是带有符号位的数字代码,用1位数字作符号位.,在双极性转换中,常用的编码有: 符号数值码（符号位数值码） 偏移二进制码 2的补码 BCD码,偏移二进制码输入时，输入与输出的关系,有表可知：,同样的二进制码输入， 偏移双极性输出平移半程， 即输入80H对应输出为0。,d7为符号位，7位有效数 值位，输出正负各半。,偏移码输入与输出的关系：,偏移二进制码输入的DAC电路, A1完成单极性输出，, A2完成构成加法电路，完成双极性输出。,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

8、。,TTL工艺：AD1408、DAC100等。,CMOS工艺：AD7532、AD7541、DAC0808、DAC0832、5G7520等。,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）,六、 集成D/A转换器及其应用,DAC0832说明, 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,结构,特点,D0D7：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相当倒T形DA转换中的

9、I。 RFB：运放用反馈电阻引出端。RFR，使得,引脚说明,VR：基准电压， VR10V10V,VCC ：电源电压 5V15V,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。,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。,波形图,输入数据被锁存,转换数据被锁存,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

10、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,工作方式（续）,单缓冲工作方式,双缓冲工作方式,调零和调满度,调零：输入D0D7为全零，调RE使Vo0,调满度：输入D0D7为全1，调RF使Vo最大,重复步骤，直到都满足为止。,步骤：,调零,调满度,七、D/A转换器的主要技术指标,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：,绝对误差,绝对误差理论满度值实际满度值 1/2LSB,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。,相邻数码对应的输出模拟量之差的理想值为：

11、2n 。,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0.1S。 含运放的集成DAC的建立时间，一般小于1.5S。,其它指标,电源电压、输出方式（电流、电压）、输出范围等等。,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。,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,

12、采样电路,要求,在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。,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。,采样保持电路,VL=1时：V导通，VoVcVi,V采样开关，R1Rf,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。, 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。

13、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。,二、逐次逼近型ADC,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。,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,Vo,Vi, 电路,移位寄存器:G=1置数,EDBCA=11110; 有CP左移,DL=1。,寄存器F0F4:D触发器,D为比较结果,ViVo时 D=1; 使用了异步清0和置

14、1端。,此外还有：DAC电路、比较器、控制电路（G1、G2、F5）等。,原理,设Vi=13.5V 量化单位=1V,原理(续1),原理(续2),左移1位 QEA=11101， QB=0 /Sd30Q31 CP4 （Vo=1） Q41,数字量B4B3B2B1=1100经DAC得Vo=12V,VoVi Vo=1,原理(续3),原理(续4),原理(续5),AD转换结果： Q4Q3Q2Q1=1101,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。,三、双积分型ADC, 原理电路,积分器：,对Vi：定时积分。积分

15、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。,三、双积分型ADC, 原理电路,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。, 工作过程,定时积分 (对Vi),定值积分 (对VREF ),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。,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

16、， 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。,四、集成A/D转换器, ADC0809,8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（IN0IN7），ALE进行地址锁存； START启AD转换；转换开始EOC0； 转换结束EOC1，向外发出结束信号； 使OE1，读取转换结果。,ADC0809结构框图, 5G14433AD转换器,3 位CMOS双积分型A/D转换器。, 3 位：能显示4位数字，最高位显示1、0； 其余位可显09。 最大数字：1999；最小数字：0000,特点

17、,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。,特点,五、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。,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s 双 积 分：几十ms,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）， 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。,作业：8位DAC中，输入数字量分别为7FH、81H、F3H、01H， 分别视其为单极性自然二进制码和双极性偏移二进制 码输入，求对应的输出Vo，设VR10V。,本章完,