数字电子技术基础 AD与DA转换

第九章数模和模数转换9.1数模转换器(D/A转换器)9.2模数转换器(A/D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；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。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。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大…功率放大执行机构…执行机构加热炉…加热炉温度传感器…温度传感器信号放大…信号放大多路开关第九章数模和模数转换9.1数模转换器(D/A转换器)9.2模数转换器(A/D转换器)基本原理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。uo或io输出D/Ad0d1dn－1输入…可用一个参考电压VREF作模拟参考量。D/A转换器的主要指标（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。001.01023111021权电阻型D/A转换器R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+RREFV3IR2REFV2IR4REFV1IR8REFV0I不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+)020d121d222d323d(R32REFV3dRREFV2dR2REFV1dR4REFV0dR8REFV3d3I2d2I1d1I0d0Ii)020d121d222d323d(42REFVi2RFiFRou设RF=R/2倒T型电阻网络D/A转换器RRR2R2R2R2R2RRFI1I'1I'2I'3I'0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+BCDA①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。从参考电压端输入的电流为：RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF161618814412210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I'1I'2I'3I'0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I'1I'2I'3I'0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+BCDA集成D/A转换器及其应用+VREF(+5V)VEE(-5V)11621531441351261171089DAC0808NCGNDVEEIoD7D6D5D4COPVREF(-)VREF(+)VCCD0D1D2D35131467158921011412316DAC0808VCC(+5V)2.4kΩ2.4kΩ0.1μFIoRLD0D1D2D3D4D5D6D7(a)引脚排列图(b)D/A转换电路第九章数模和模数转换9.1数模转换器(D/A转换器)9.2模数转换器(A/D转换器)dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路CPSSCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)…模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。基本原理量化单位量化误差——因mmin不能是无穷小而带来的误差。量化误差是不可消除的。－－++uiuoCHSA1A2uCuo,uiuoui0(a)电路图(b)波形图t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t采样脉冲（fS）开关驱动电路t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。采样定理：max2siff采样保持电路A/D转换器的主要指标（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。0≤ui＜VREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。－+C6－+C7－+C5－+C4－+C3－+C2－+C11DC11DC11DC11DC11DC11DC11DC1&&&&&&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比较器寄存器编码器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1并联比较型A/D转换器－+C6－+C7－+C5－+C4－+C3－+C2－+C11DC11DC11DC11DC11DC11DC11DC1&&&&&&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比较器寄存器编码器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF13VREF/14≤ui＜5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。输入模拟电压寄存器状态输出二进制数uiQ7Q6Q5Q4Q2Q2Q1d2d1d0REFV)~0(1410000000000REFV)~(1431410000001001REFV)~(1451430000011010REFV)~(1471450000111011REFV)~(1491470001111100REFV)~(14111490011111101REFV)~(141314110111111110REFV)1~(14131111111111逐次逼近型A/D转换器输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。基本原理Q1Q2Q3Q4Q5ui1DC11DC11DC11DC11DC1&&&≥1≥1FF1FF2FF3FF4FF5&&&uoCP－+Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFAQFFBQFFCG1G2G3G4G5QG6G7G8=1(uiuo)=0(ui≥uo)uc=1SC11R1SC11R1SC11R3位D/A转换器3位逐次逼近型A/D转换器ADC与DAC应用领域·简单数字应用系统·数字计算机应用系统·通信·音频/视频系统·测量仪器ADC与DAC产品选用原则·选择电路类型选择·转换速率选择·分辨率与精度选择·功能选择·性能价格比本章小结1.A/D转换器和D/A转换器是数字系统和各种工程技术相联系的桥梁，在二者之间起着“翻译”的作用。2.实现D/A转换和A/D转换，都需要一个模拟参考量R，使得A=DR和D≈RA3.常用的D/A转换器主要有权电阻型和R-2R网络型两种电路。由于R-2R网络型的电阻种类少，易于集成和提高精度，因此多为集成D/A转换器所采用。4.常用的A/D转换器主要有双积分型、逐次比较型和并行比较型三种。三种电路在精度、转换速率及其他参数等方面各具特色，因而应用都比较广泛。5.由于D/A转换器和A/D转换器在电子系统、特别是数字系统中的应用越来越广泛，加之技术与工艺的进步，其新产品也不断涌现。因此，要根据实际需要来选择各项指标以及价格、厂商等，切不可片面地追求某一项指标。