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1、第第9章章 数模模数转换电路改缩数模模数转换电路改缩本讲稿第一页，共二十七页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转换器转换器的工作原理及相关计算。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。教学基本要求教学基本要求本讲稿第二页，共二十七页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
2、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，共二十七页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，共二十七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，共二十七页 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，每位代码都有对于有权码，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，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，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，共二十七页 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，共二十七页 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，共二十七页 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
5、权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开关按模拟电子开关电路分类电路分类 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，共二十七页一、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S
6、i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，共二十七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：本讲稿第十一页，共二十七页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
7、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。本讲稿第十二页，共二十七页关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论(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
8、，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十三页，共二十七页三、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数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。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转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。1.分辨率分辨率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
9、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误差等本讲稿第十四页，共二十七页四、应用四、应用-阶梯波产生电路阶梯波产生电路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本讲稿第十五页，共二十七页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
10、、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转换器转换器四、四、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十六页，共二十七页概述概述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十七页，共二十七页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
11、几为几 s 100 s,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。本讲稿第十八页，共二十七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
12、样，取样，保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。本讲稿第十九页，共二十七页二、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/1513VREF/15输出数字量1、电路组成、电路组成本讲稿第二十页，共二十七页VI=8VREF/151111000001本讲稿第二十一页，共二十七页 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
13、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各比根据各比
14、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，经优先触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。编码器编码，得到数字量输出。本讲稿第二十二页，共二十七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
15、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。本讲稿第二十三页，共二十七页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：本讲稿第二十四页，共二十七页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本讲稿第二十五页，共二十七页10000000 A=6.84VVREF=10V
16、1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111本讲稿第二十六页，共二十七页 转换精度转换精度 四、四、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(或十或十进制进制)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。本讲稿第二十七页，共二十七页