数电课件ch11ad和da转换

1、广东工业大学 自动化学院 第第11章章 数数-模（模（D/A）和）和 模模-数（数（A/D）转换）转换 数字电子技术基础数字电子技术基础教学课件教学课件 D/AD/A转换器转换器 11.2 A/DA/D转换器转换器 311.3 概述概述 311.1 目录 广东工业大学 自动化学院 11.1 概述概述 广东工业大学 自动化学院 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、流将温度、压力、

2、流 量、应力等物理量量、应力等物理量 转换为模拟电量。转换为模拟电量。 计算机进行数字计算机进行数字 处理（如计算、处理（如计算、 滤波）、保存等滤波）、保存等 用模拟量作用模拟量作 为控制信号为控制信号 数字控制数字控制 计算机计算机 ！精度！精度 ！速度！速度 11.1 概述概述 广东工业大学 自动化学院 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 D/AD/A转换器转换器-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 DAC 模拟量模拟量 A = K D O = K NB D/A转换的基本原理转换的基本原理 11.2 D/A转换器

3、转换器 广东工业大学 自动化学院 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，相应的模拟量， 然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字 量成正比的模拟量，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。 D/A转换器的组成转换器的组成 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 用存放在数用存放在数 字寄存器中的字寄存器中的 数字量的各位数

4、字量的各位 数码数码 由输入数由输入数 字量控制字量控制 产生权电流产生权电流 将权电流相将权电流相 加产生与输入加产生与输入 成正比的模拟成正比的模拟 电压电压 D/A转换器的分类转换器的分类 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 按解码网络按解码网络 结构分类结构分类 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 D/A 转转 换换 器器 一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器 11.2 D/

5、A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 1.1.基本结构基本结构 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 2 2. .工作原理工作原理 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 2 2. .工作原理工作原理优缺点：优缺点： 优点：简单优点：简单 缺点：电阻值缺点：电阻值 相差大，难于相差大，难于 保证精度，且保证精度，且 大电阻不宜于大电阻不宜于 集成在集成在IC内部内部 二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 1.1.基本结构基本结构 希望用较少类型的电阻，仍 然能得到一系列权电流 11.2

6、 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 2. D/A2. D/A转换器的倒转换器的倒T 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 =？ O f fREF i i I R R R V D i 2 2 4 0 3 () I/4 I/8 I/16 RRR R I/2I/4I/8I/16 I/2 I3 I2 I1 I0 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。的整数倍递减。 I3= VREF / 2RI2= VREF /

7、 4RI1= VREF / 8RI0= VREF /16 R 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 流入运放的总电流：流入运放的总电流： 输出模拟电压：输出模拟电压： 二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放， 2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻也可采

8、用外接电阻。 O REF n f i i n VR R D i 2 2 0 1 () 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； 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。 O REF n f i i n VR R D i 2 2 0 1 () 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

9、等 Di =1时，开关时，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。 三、权电流三、权电流D/A转换器转换器 1. 41. 4位权电流位权电流D/AD/A转换器转换器 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 在恒流源电路在恒流源电路 中，各支路权电中，各支路权电 流的大小均不受流的大小均不受 开关导通电阻和开关导通电阻和 压降的影响，这压降的影响，这 样降低了对开关样降低了对开关 电路的要求，提电路的要求，提 高了转换精度。高了转换精度。 O ff f fi I RR I D I D I D I D I RDDDD I

10、RD i i () () 24816 2 2222 2 2 3210 4 3 3 2 2 1 1 0 0 4 0 3 O ff f fi I RR I D I D I D I D I RDDDD I RD i i () () 24816 2 2222 2 2 3210 4 3 3 2 2 1 1 0 0 4 0 3 O ff f fi I RR I D I D I D I D I RDDDD I RD i i () () 24816 2 2222 2 2 3210 4 3 3 2 2 1 1 0 0 4 0 3 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 实际的权电流实际的权电流D

11、/A转换器电路转换器电路 各各BJT的的 发射发射 结电压相等结电压相等 基准电流产生电路基准电流产生电路 电压恒定电压恒定 O REF 4 2 I R R V R DDDD f f 1 3 3 2 2 1 1 0 0 2222() 当输入数字量有极性时，希望输出的模拟当输入数字量有极性时，希望输出的模拟 电压也对应为。电压也对应为。 补码输入对应的 十进制 要求的 输出 D2 D1 D0 011+3+3V 010+2+2V 001+1+1V 00000V 111-1-1V 110-2-2V 101-3-3V 100-4-4V 三、具有双极性输出的三、具有双极性输出的DAC 11.2 D/A转

12、换器转换器 广东工业大学 自动化学院 1. 1. 原理原理 绝对值输入 对应的 输出 偏移后 的输出 D2 D1 D0 111+7V+3V 110+6V+2V 101+5V+1V 100+4V0V 011+3V-1V 010+2V-2V 001+1V-3V 0000V-4V 补码输入 对应的 十进制 要求的 输出 D2 D1 D0 011+3+3V 010+2+2V 001+1+1V 00000V 111-1-1V 110-2-2V 101-3-3V 100-4-4V *将符号位反相后接至高位输入 *将输出偏移使输入为100时，输出为0 1 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学

13、院 2. 2. 电路实现电路实现 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 (1) (1) 单极性输出单极性输出 输出模拟电压：输出模拟电压： 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （2 2）双极性输出）双极性输出 *将符号位反相后接至高 位输入 *将输出偏移使输入为 100时，输出为0 R RB B和和V VB B的确定的确定 输出模拟电压：输出模拟电压： 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转换器模拟输出电压可能被分离的等 级数。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转转 换

14、器的分辨率越高。换器的分辨率越高。 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。给出。分辨率分辨率=ULSB/Um 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 21 2 1.1.分辨率分辨率 三、三、D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 2.2.转换精度转换精度 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转换器实际值与转换器实际值与 理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。 产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器转换器

15、中各元件参数值存在误差，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。素的影响。 几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线 性误差等性误差等 11.2 D/A转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用 (1) 数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT 2 VREF O - +

16、R I OUT2 I IOUT1 倒倒T形电阻网络形电阻网络 Iout1 out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9 根据虚断有根据虚断有: 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用 (2) ) 三角三角波产生电路波产生电路 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 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用 (2) 三角三角波产生电路波产生电路 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 1. 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

17、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: 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （2） A/D转换器的分类转换器的分类 直接型直接型 并联比较型并联比较型 反馈比较型反馈比较型 间接型间接型 V-T变换型（双积分型）变换型（双积分型） V- F变换型变换型 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1s, 但电路复杂。但电路复杂。 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, 转换精度高，在转转换精度高，在转 换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 A/D

18、 转转 换换 器器 计数型计数型 逐次渐近型逐次渐近型 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,但但 抗干扰能力最强。抗干扰能力最强。 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 2. A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 取样取样 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 编码编码 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 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程。个过程。

19、 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （1 1）取样与保持）取样与保持 采样是将随时间连续变化的模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。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，所采的频率愈高，所采 得信号经低通滤波器后愈能真实得信号经低通滤波器后愈能真实 地复现输入信号。合理的采样频地复现输入信号。合理的采样频 率由采样定理确定。率由采样定理确定。 采样定理：采样定理：设采样信号设采样信号S(t)的频的频 率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最 高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax， 则则 fs

20、2fimax S(t)=1:开关闭合开关闭合 S(t)=0:开关断开开关断开 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （2 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上，任何数字量需按某种近似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。只能是某个最小数量单位的整数倍。 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。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经编码后得到的代码就是A/

21、D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 量化量化 编码编码 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （2 2）量化与编码）量化与编码 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，用前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。表示。 两种近似量化方式：两种近似量化方式：只舍不入只舍不入量化方式和量化方式和四舍五入四舍五入的量化的量化 方式。方式。 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 量化方式量化方式 量化误差属原理误差，它是无

22、法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数转换器的位数 越越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 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；而等于或大于量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；而等于或大于 一个量化单位部分按一个量化单位处理。一个量化单位部分按一个量化单位处理。 2LSB max I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 0 1 I R DDD RI

23、 RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1

24、 1 2 9 10 222 111 110 101 100 011 010 001 0000=0 v 7=7/8 v 6=6/8 v 5=5/8 v 4=4/8 v 3=3/8 v 2=2/8 v 1=1/8 v 输入信号输入信号编码编码 量化后量化后 电压电压 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0 0 1V1V 电压转换为电压转换为3 3 位二进制代码位二进制代码 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 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，而等于或大于量化过

25、程将不足半个量化单位部分舍弃，而等于或大于 半个量化单位部分按一个量化单位处理。半个量化单位部分按一个量化单位处理。 2LSB max 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 1/15V =1LSB = 2/15 V 例：将例：将0 0 1V1V 电压转换为电压转换为3 3 位二进制代码位二进制代码 0 1 111 110 101 100 011 010 001 000 0=0 v 7=14/15 v 6=12/15 v 5=10/15 v 4=8/15 v 3=6/15 v 2=4/15v 1=2/15 v 输入信号输入信号编码编码量化后量化后 电压电压 I R DDD

26、RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0

27、 1 1 2 9 10 222 I R DDD RI RR OUT O IfOUT f 1 1 () / 0 1 1 2 9 10 222 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 3. 取样取样-保持电路保持电路 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。的模拟信号保持一段时间。 保持保持 采样采样 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 3. 取样取样-保持电路

28、保持电路 电路组成电路组成 4. 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 电压比较器电压比较器 输入模拟输入模拟 电压电压 精密电阻精密电阻 网络网络 精密参考精密参考 电压电压 VREF/15 3VREF/15 7VREF/15 9VREF/15 11VREF/1 5 5VREF/15 13VREF/1 5 输出数输出数 字量字量 例：例： VI=8VREF/15 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与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各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D

29、D触发器存储，触发器存储， 经优先编码器编码，得到数字量输出。经优先编码器编码，得到数字量输出。 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 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13VR

30、EF/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 电路特点：电路特点： 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输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I 输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。有存储器，输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。有存储器， 不需要不需要S/H电路电路 缺点是电路复杂，如

31、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。 n位需要位需要2n-1比较器，触发器，位数越多，电路越比较器，触发器，位数越多，电路越 复杂。复杂。 单片集成并行比较型单片集成并行比较型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。 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 5. 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 基本原理：基本原理： 取一个取一个“D” 加到加到DAC

32、上，得上，得 到模拟输出电压，到模拟输出电压， 将该值与输入电将该值与输入电 压比较，如两者压比较，如两者 不等，则调整不等，则调整D 的大小，到相等的大小，到相等 为止，则为止，则D为所为所 求值。求值。 ！简单！简单 ！慢！慢 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （1 1）计数型）计数型 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （2 2）逐次渐近型）逐次渐近型 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 。 所加砝码所加砝码 重量重量 结果结果 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

33、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 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 例：例：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。 11.3 A/D转换器转换器 广东工业大学 自动化学院 （2 2）逐次渐近型）逐次渐近型 ！电路不太复杂！电路不太复杂 ！较快！较快 例：例： 1 0 0 0 1 0 0 0 01 10 0 9 2 2 V D i iREF i I 5V 1 A=