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1、A/D与与D/A转换器在现代医学成像系统中的应用转换器在现代医学成像系统中的应用第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例第一节第一节 D/A转换器转换器一、一、D/A转换器的工作原理转换器的工作原理二、二、D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标三、集成三、集成D/A转换器转换器四、四、D/A转换器的输出方式转换器的输出方式第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A
2、转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例 D/A转换器是将一组输入的二进制数转换成相应转换器是将一组输入的二进制数转换成相应数量的模拟电压或电流的电路。数量的模拟电压或电流的电路。常见的常见的D/A转换器有权电阻网络、倒转换器有权电阻网络、倒T形电阻网形电阻网络、权电流型、权电容网络和开关树型等络、权电流型、权电容网络和开关树型等D/A转换转换器。器。D/A转换器数字量的输入方式有并行输入和串行转换器数字量的输入方式有并行输入和串行输入两种类型。输入两种类型。第十章第十章第十章第十章 A/D
3、A/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例一、一、D/A转换器的工作原理转换器的工作原理 D/A转换器的输入量是数字量转换器的输入量是数字量 和基准电压和基准电压 ,输出模拟量为输出模拟量为 式中式中 是与是与n有关的系数，有关的系数，是是n位二进制数位二进制数 di为第为第i位代码，它为位代码，它为1或或0。每一位。每一位1所代表的数值大所代表的数值大小不同，即小不同，即“权权”不同。不同。n位二进制数位二进制数 从最高位从最高位（MSB）到
4、最低位（）到最低位（LSB）的权依次为）的权依次为2n-1、2n-2、21、20。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例 代码代码di为为1时，开关接到时，开关接到UR上，该支路电流上，该支路电流Ii流向流向加法运算放大器；加法运算放大器；1.权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器反相加法反相加法运算放大运算放大器器电阻网络电阻网络电子开关电子开关参考电压参考电压代码代码di为为0时，开关接地，该支路电流时，
5、开关接地，该支路电流Ii为为0。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例由反相比例运算放大器的由反相比例运算放大器的“虚断虚断”和和“虚地虚地”，有，有而而且且因此因此 对于对于n位输入的权位输入的权电阻网络电阻网络D/A转换器，转换器，输出电压与输入数字代输出电压与输入数字代码之间的关系表达式为码之间的关系表达式为 第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器
6、转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例7电路优缺点：优：优：结构简单，电阻元件数少。结构简单，电阻元件数少。缺缺：电阻的阻值相差较大，数字信号位数越多，电阻：电阻的阻值相差较大，数字信号位数越多，电阻值相差越大，达到电阻同精度困难。值相差越大，达到电阻同精度困难。例：D5=11011 VR=1V v0=？v0=-VREF(d424+d323+d222+d1 21+d0 20)/25 =-1(24+23+21+20)/25=-27/32 （负数）若VREF=-1V v0=27/32（正数）V0的范围：0
7、(2n-1)VR/2n 对应Dn=0 Dn=11111 代码代码di为为1时，开关接反相输入端（虚地），该支时，开关接反相输入端（虚地），该支路电流路电流Ii流向运算放大器；流向运算放大器；2.倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器代码代码di为为0时，开关接地，该支路电流时，开关接地，该支路电流Ii流向接地端。流向接地端。反相加法反相加法运算放大器运算放大器倒倒T形形电阻网络电阻网络参考电压参考电压电子开关电子开关第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第
8、三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例若若则有则有 对于对于n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，转换器，输出电压与输入数字代输出电压与输入数字代码之间的关系表达式为码之间的关系表达式为 由图可得由图可得无论开关接反相端还是接地，无论开关接反相端还是接地，各支路电流各支路电流不变不变且且第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例10倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的特点是：
9、转换器的特点是：（1）模拟开关在地与虚地之间转换，不论开关状态如何）模拟开关在地与虚地之间转换，不论开关状态如何变化，各支路的电流始终不变，因此，不需要电流建立变化，各支路的电流始终不变，因此，不需要电流建立时间。时间。（2）各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在）各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态过程传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态过程中传输电压的尖峰脉冲。中传输电压的尖峰脉冲。二、二、D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1.分辨率分辨率2.转换误差转换误差3.转换时间转换时间指从输入数字信号到输出稳定的模拟
10、电压或电流所指从输入数字信号到输出稳定的模拟电压或电流所指从输入数字信号到输出稳定的模拟电压或电流所指从输入数字信号到输出稳定的模拟电压或电流所需的时间。需的时间。需的时间。需的时间。通常通常DAC的转换时间不大于的转换时间不大于1 S。指指DAC能分辨的最小输出模拟变化量能分辨的最小输出模拟变化量 常用输入数字量的有效位数表示，如常用输入数字量的有效位数表示，如8位、位、16位等。位等。指指D/A实际转换特性与理想转换特性之间的最大误实际转换特性与理想转换特性之间的最大误差。一般差。一般DAC的转换误差不会超过的转换误差不会超过 即输即输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于输入为出模拟电压与
11、理论值之间的绝对误差小于输入为00001时的输出电压的一半。时的输出电压的一半。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例集成集成D/A转换器有多种类型转换器有多种类型三、集成三、集成D/A转转换器换器 按性能分，有通用型、高速型、高精度型等；按性能分，有通用型、高速型、高精度型等；按内部结构分，有包含数字寄存器的和不包含数字按内部结构分，有包含数字寄存器的和不包含数字寄存器的；寄存器的；按位数分，有按位数分，有
12、8位、位、12位和位和16位等；位等；按输出模拟信号分，有电流输出型和电压输出型。按输出模拟信号分，有电流输出型和电压输出型。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例 DAC0832是一个八位的是一个八位的D/A转换器，即输入转换器，即输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。得相应的模拟电压值。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D
13、与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例DAC 0832电路框图电路框图第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例DAC 0832 管脚排列图管脚排列图片选输入端，片选输入端，低电平有效低电平有效写命令写命令1端，端，低电平有效低电平有效模拟地端模拟地端D0 D3数字量输入数字量
14、输入第一节第一节 D/A转换器转换器第二节第二节 A/D转换器转换器第三节第三节 A/D与与D/A转换器的应用举例转换器的应用举例第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例反馈电阻反馈电阻外接端外接端数字地端数字地端参考电压参考电压输入端输入端第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节
15、第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例模拟电流模拟电流输出端输出端D4 D7数字量输入数字量输入 传送控制端，传送控制端，低电平有效低电平有效第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例 写命令写命令2端，端，低电平有效低电平有效电压输入端电压输入端允许数字量输入允许数字量输入端，高电平有效端，高电平有效第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转
16、换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例当当ILE、CS、WR1均为有效时，可将数据写入均为有效时，可将数据写入“输入寄存器输入寄存器”；当；当WR2有效时，在有效时，在XFER传送控制信号作用下，可将锁传送控制信号作用下，可将锁存在存在“输入寄存器输入寄存器”里的数据送到里的数据送到“DAC寄存器寄存器”，同时进，同时进入入“D/A转换器转换器”开始转换。开始转换。四、四、D/A转转换器的输出方式换器的输出方式 常用的常用的D/A转换器输出的模拟量是电流。要输转换器输出的模拟量是电流。要输出模拟电压，在
17、出模拟电压，在D/A转换器的输出端还需要增加电转换器的输出端还需要增加电路，将电流转换为电压。路，将电流转换为电压。根据输出电压范围的不同，根据输出电压范围的不同，D/A转换器可以工转换器可以工作于单极性或双极性输出方式。作于单极性或双极性输出方式。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例1.单极性单极性输出方式输出方式DAC0832 集成运放集成运放A 集成运放集成运放A的作用是将的作用是将DAC0832的输
18、出电流转的输出电流转换为输出电压：换为输出电压：第一节第一节 D/A转换器转换器第二节第二节 A/D转换器转换器第三节第三节 A/D与与D/A转换器的应用举例转换器的应用举例第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例输出的电压根据参输出的电压根据参考电压的极性为考电压的极性为0V0V到正满度值或到正满度值或0v0v到到负满度值，即负满度值，即DADA转转换器的输出电压为换器的输出电压为单极性。单极性。2.双极性双
19、极性输出方式输出方式 将数字量转换为具有正负极性的模拟电压将数字量转换为具有正负极性的模拟电压 集成运放集成运放A1的作的作用是将用是将DAC0832的输的输出电流转换为输出电压；出电流转换为输出电压；集成运放集成运放A2是反是反相加法运算放大器，相加法运算放大器，可把输出电压变换为可把输出电压变换为双极性。双极性。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例转换结果转换结果对对A2，由虚断得，由虚断得第十章第十章
20、第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例第二节第二节 A/D转换器转换器一、一、A/D转换器的工作原理转换器的工作原理二、二、A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标三、集成三、集成A/D转换器转换器第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应
21、用举例 A/D转换器是将输入模拟电压转换成相应的一组转换器是将输入模拟电压转换成相应的一组二进制数的电路。二进制数的电路。按转换方式可分为直接按转换方式可分为直接A/D转换器和间接转换器和间接A/D转转换器。换器。A/D转换器数字量的输出方式有并行输出和串行转换器数字量的输出方式有并行输出和串行输出两种类型。输出两种类型。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例一、一、A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 逐
22、次渐近型逐次渐近型A/D转转换器是一种反馈比较型换器是一种反馈比较型的直接的直接A/D转换器。转换器。组成：时钟脉冲源、组成：时钟脉冲源、逐次渐近寄存器、逐次渐近寄存器、D/A转换器、控制逻辑和电转换器、控制逻辑和电压比较器等。压比较器等。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例 UL为为高高电电平平时时开始开始转换转换，CP信号将寄存器最高位置信号将寄存器最高位置1；DAC 经经DAC转换为模拟电压转换为模拟
23、电压uO；uO送入送入A与与uI比较：若比较：若uO uI，将寄存器最高位置，将寄存器最高位置0，次高位置，次高位置1，若，若uO uI，将这一位的，将这一位的1保留，次高保留，次高位置位置1；逐次逐次DA转换、比转换、比较到最低位为止。较到最低位为止。寄存器的逻寄存器的逻辑状态就是对应辑状态就是对应于输入模拟电压于输入模拟电压的输出数字量。的输出数字量。uL高电平高电平开始转换开始转换寄存器寄存器电压比较电压比较第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/
24、D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例271.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：281.1.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=10V291.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=10V3010000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011
25、00101011101010111131小结：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；322.VF 变换型A/D转换器返回返回33二、V-F变换型A/D转换器组成及原理：组成及原理：VCO：VI与与fout成比例成比例寄存器：寄存器：暂寄计数信息（避免转换过程的数字跳动），并行数暂寄计数信息（避免转
26、换过程的数字跳动），并行数字输出字输出D计数器：计数器：在在TG时间内（定时），按时间内（定时），按fout频率控制计数器的频率控制计数器的f(cp)以达到控制（固定频率）计数大小目的，以达到控制（固定频率）计数大小目的，fout大时计数大，计大时计数大，计数结果与数结果与VI成比例，反映输出。成比例，反映输出。时钟信号控制闸门时钟信号控制闸门G：VG是固定宽度是固定宽度TG的脉冲信号。的脉冲信号。34特点：特点：优：优：VCO是调频信号出，抗干扰能力强，是调频信号出，抗干扰能力强，V-F变变换型换型ADC适用于遥控系统中应用。适用于遥控系统中应用。缺：缺：转换速度较低，转换精度受转换速度较低
27、，转换精度受VCO的线性度和的线性度和稳定度的影响，稳定度的影响，VCO难构成高精度难构成高精度A/D转换器。转换转换器。转换精度还受计数器容量影响，容量大时转换误差小，但精度还受计数器容量影响，容量大时转换误差小，但这时速度慢。这时速度慢。二、二、A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标1.分辨率分辨率 2.转换误差转换误差3.转换时间转换时间 通常以输出二进制的位数表示分辨率，位数越多，通常以输出二进制的位数表示分辨率，位数越多，分辨率越高。分辨率越高。指实际输出数字量与理论输出数字量之间的差别。指实际输出数字量与理论输出数字量之间的差别。指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定
28、指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需要的时间。的数字信号所需要的时间。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例三、集成三、集成A/D转转换器换器ADC0801的应用接线图的应用接线图片选输入端，输片选输入端，输出允许端接地出允许端接地输入控制端，输输入控制端，输出控制端接地出控制端接地时钟脉冲输入端时钟脉冲输入端模拟信号输入端模拟信号输入端数字信号输出端数字信号输出端发光二极管发光二极管显示
29、输出状态显示输出状态第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例连续转换工连续转换工作状态作状态逐次渐进型逐次渐进型第三节第三节 A/D与与D/A转换器的应用举例转换器的应用举例一、一、D/A转换器的应用转换器的应用二、二、A/D转换器的应用转换器的应用第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换
30、器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例一、一、D/A转换器的应用转换器的应用D/A转换过程的电子仿真转换过程的电子仿真 基准电压基准电压D/A转换器转换器字符发生器字符发生器示波器示波器第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例 设基准电压设基准电压 ，输入数字信号是由，输入数字信号是由“字符字符发生器发生器”输出的八位二进制数，并按二进制递增的顺输出的八位二进制数，并按二进制递增的顺序从
31、序从“00000000”向向“11111111”逐步变化，达到最逐步变化，达到最大值后直接回零，并开始下一循环的递增变化。大值后直接回零，并开始下一循环的递增变化。电路输出的模拟电压电路输出的模拟电压信号可通过示波器显示，信号可通过示波器显示，是峰值为是峰值为5V的锯齿波。的锯齿波。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例A/D转换过程的电子仿真转换过程的电子仿真 二、二、A/D转换器的应用转换器的应用输入模拟
32、电压输入模拟电压A/D转换器转换器逻辑分析仪逻辑分析仪示波器示波器信号发生器信号发生器基准电压基准电压第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例上基准电压上基准电压 信号发生器输出脉冲信号接信号发生器输出脉冲信号接SOC，控制模拟信，控制模拟信号采样频率。号采样频率。输入模拟电压输入模拟电压 八位输出端接逻辑分析仪，可同时显示各位数八位输出端接逻辑分析仪，可同时显示各位数字信号随时间的逻辑状态变化。输出波形中对应的字信号随时间的逻辑状态变化。输出波形中对应的D7D0高低电平即为瞬时高低电平即为瞬时VIN的的A/D转换结果。转换结果。第十章第十章第十章第十章 A/DA/DA/DA/D与与与与D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器第一节第一节D/A转换器转换器第二节第二节A/D转换器转换器第三节第三节A/D与与D/A转换转换器的应用举例器的应用举例