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1、第第9章章 数模模数转换电路数模模数转换电路本讲稿第一页，共四十七页3、正确、正确理解理解D/A、A/D转换器的主要参数。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转换器的转换器的工作原理及相关计算。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。教学基本要求教学基本要求本讲稿第二页，共四十七页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
2、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、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制数字控制 计算机计算机概述概述本讲稿第三页，共四十七页9.1 D/A转换器转换器一、倒一、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器二、权电流二、权电流D/A转换器转换器三、三、D/A转换器的技术指标转换器的技术指标四、四、D/A转换器的应用转换器的应用本讲稿第四页，共四十七页将数字量转换为与之成正比模拟量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DAC9.1
3、D/A转换器转换器模拟量模拟量数数 /模转换器模转换器:A=K D O=K NB 本讲稿第五页，共四十七页 数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码对于有权码，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，模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，的模拟量，从而实现数字量从而实现数字量-模拟量的转换。模拟量的转换。实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020
4、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。D/A转换的基本原理转换的基本原理本讲稿第六页，共四十七页 D/A转换器的组成转换器的组成: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字寄存器中的数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压本讲稿第七页，共四十七页 实现实现D/A转换的原理电路转换的原理电路，,本讲稿第八页，共四十七页 D/A转换器的分类转换器的分类:按解码网络结按解码网络结构分类构分类 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
5、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 转转换换器器本讲稿第九页，共四十七页一、一、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，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si
6、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 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本讲稿第十页，共四十七页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
7、数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16 R本讲稿第十一页，共四十七页流入运放的总电流：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：本讲稿第十二页，共四十七页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模拟，均能得到与之成正比的模拟电压输出。电压输出。本讲稿第十三页，共四十七页关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论
8、(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；(3)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本讲稿第十四页，共四十七页Di=1时，开关时，
9、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。二、权电流二、权电流D/A转换器转换器1.4位权电流位权电流D/A转换器转换器本讲稿第十五页，共四十七页在恒流源电路中，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。响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。本讲稿第十六页，共四十七页三、三、D/A转换器的主要技术指标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等级转换器模拟输出电压可能被分离的等
10、级数。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转换器的转换器的分辨率越高。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比给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。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、分辨率本讲稿第十七页，共四十七页2、转换精度：、转换精度：o转换精度是指对给定的数字量，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转换器实际值与理论值之间的最大偏差。之间的最大偏差。o产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器转换器中各元件参数值存在误差，如基中各元件参数值
11、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。准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。o几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等等本讲稿第十八页，共四十七页四、应用四、应用-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：00001001本讲稿第十九页，共四十七页9.2 A/D 转换器转换器一、一、A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程二、并行比较型二、并行比较型A/D转换器转换器三、三、逐次比较型逐次比较型A/D转换
12、器转换器四、双积分式四、双积分式A/D转换器转换器五、五、A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标本讲稿第二十页，共四十七页概述概述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:9.2 A/D 转换器转换器本讲稿第二十一页，共四十七页2.A/D转换器分类转换器分类 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,
13、转换精度高，在转换速转换精度高，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。本讲稿第二十二页，共四十七页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一、一、A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样，保持，量化及
14、编码保持，量化及编码4个过程个过程。本讲稿第二十三页，共四十七页1.取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量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，所采得的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复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现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定样定理确定。采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频率的频率为为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最高频的最高频率分量的频率为率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1
15、:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开本讲稿第二十四页，共四十七页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。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本讲稿第二十五页，共四十七页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需按某种近似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
16、上，任何数字量只能是某个最小数量单位的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。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.编码编码本讲稿第二十六页，共四十七页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，所以量化前后一定整除，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
17、除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越转换器的位数越 多，多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。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式。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。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.量化方式量化方式本讲稿第二十七页，共四十七页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
18、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本讲稿第二十八页，共四十七页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
19、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本讲稿第二十九页，共四十七页二、并行比较型二、并行比较型A/D转换器转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/15
20、13VREF/15输出数字量1、电路组成、电路组成本讲稿第三十页，共四十七页VI=8VREF/151111000001本讲稿第三十一页，共四十七页 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
21、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各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，经触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。优先编码器编码，得到数字量输出。本讲稿第三十二页，共四十七页3、电路特点：、电路特点
22、：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输入端。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输入时刻同时输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。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。个电阻。位数越多，电路越复杂。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，可以采取分级并行转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。换的方法。单片集成并行比较型单
23、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。本讲稿第三十三页，共四十七页所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 三、三、逐次比较型逐次比较型A/D转换器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
24、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。本讲稿第三十四页，共四十七页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：本讲稿第三十五页，共四十七页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=10V本讲稿第三十六页，共四十七页1.转换原理转换原理 第三个第三个CP：0 0 1 0 1
25、0 1 0 I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V本讲稿第三十七页，共四十七页10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111本讲稿第三十八页，共四十七页逐次比较型逐次比较型AD转换的特点：转换的特点：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多转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；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时间转换器完成一次转换所需时间与其位数与其位数n和时钟脉冲
26、频率有关，位数愈少，时钟频和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短率越高，转换所需时间越短；本讲稿第三十九页，共四十七页四、双积分式四、双积分式A/D转换器转换器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，将输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，然后利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，进而得到相应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。双积分式的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压时间转换
27、器也称为电压时间数字式积分器数字式积分器。本讲稿第四十页，共四十七页1、电路组成、电路组成本讲稿第四十一页，共四十七页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，断开闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为0。2、工作原理、工作原理准备阶段：准备阶段：本讲稿第四十二页，共四十七页经过2n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2n
28、TC本讲稿第四十三页，共四十七页VREF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，时钟脉冲控制门，时钟脉冲控制门G被关被关闭，计数停止。闭，计数停止。(3)(3)第二次积分：第二次积分：本讲稿第四十四页，共四十七页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。本讲稿第四十五页，共四十七页四、双积分式四、双积分式A/D转换器转换器优点：优点：1.由于转换结果与
29、时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线无关，从而消除了积分非线 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。本讲稿第四十六页，共四十七页1.转换精度转换精度 五、五、A/D转换器的主要技术指标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述的。转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。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。通常以输出二进制转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(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。本讲稿第四十七页，共四十七页