《AD转换和DA转换》ppt课件

1、第第9章章 A/D转换与转换与D/A转换转换 本章课时：本章课时：5学时学时目目 录录9.1 概述概述 9.2 D/A转换转换 9.3 A/D转换器转换器 9.4 D/A转换器和转换器和A/D转换器的综合运用转换器的综合运用 9.5 用用Mulitisim 2001分析分析D/A转换器转换器 作作 业业9-19-29-39-49-69-119.1 概述概述模拟信号：在时间和数值上都是延续的，即对模拟信号：在时间和数值上都是延续的，即对应于恣意时间均有确定的电流或电压值，并且应于恣意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是延续的，如正弦波信号就是典型的模其幅值是延续的，如正弦波信号就是典型的模拟

2、信号，温度、压力和声音等。拟信号，温度、压力和声音等。数字信号：在时间和数值上是离散的，或者说数字信号：在时间和数值上是离散的，或者说是不延续的。数字系统中信号的存储方式都采是不延续的。数字系统中信号的存储方式都采用数字方式。用数字方式。9.1 概述概述通常需求将模拟信号转换为数字信号，以送到通常需求将模拟信号转换为数字信号，以送到数字系统加工处置；数字系统加工处置；经过处置得到的数字信号也经常再被转换成模经过处置得到的数字信号也经常再被转换成模拟信号，送回物理系统，对系统物理量进展调拟信号，送回物理系统，对系统物理量进展调理和控制。理和控制。数字数字-模拟接口电路中的根本概念模拟接口电路中的

3、根本概念模模/数转换数转换ADC ：模拟信号到数字信号的转换：模拟信号到数字信号的转换 模模/数转换器数转换器 ADC：完成模：完成模/数转换功能的电路数转换功能的电路 数数/模转换模转换 DAC：数字信号到模拟信号的转换：数字信号到模拟信号的转换 数数/模转换器模转换器 DAC：完成数：完成数/模转换功能的电路模转换功能的电路 9.2 D/A转换转换D/A转换可以将输入的一个转换可以将输入的一个n位的二进制数转换位的二进制数转换成与之成比例的模拟量电压或电流。成与之成比例的模拟量电压或电流。 D/A转换器通常：由译码网络、模拟开关、集成转换器通常：由译码网络、模拟开关、集成运放和基准电压等部

4、分组成运放和基准电压等部分组成 。根据译码网络的不同，根据译码网络的不同，D/A转换器分为权电阻网转换器分为权电阻网络型、络型、T形电阻网络型、倒形电阻网络型、倒T形电阻网络型和权形电阻网络型和权电流型等。电流型等。 下面以倒下面以倒T形电阻网络型为例引见形电阻网络型为例引见D/A转换器的转换器的任务原理。任务原理。 9.2.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 1. 电路的组成电路的组成 它由它由R-2R构成的倒构成的倒T形电阻网络、模拟开关形电阻网络、模拟开关Sii=0 3、集成运放、集成运放A和基准电压和基准电压VREF组成组成 4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转

5、换器2. 模拟开关模拟开关 模拟开关又称为模拟电子开关。模拟开关又称为模拟电子开关。在在D/A转换器中运用的模拟开关受输入数字信号转换器中运用的模拟开关受输入数字信号的控制。的控制。模拟开关分为模拟开关分为CMOS型和双极型两类。型和双极型两类。 CMOS型模拟开关转换速度较低，转换时间较型模拟开关转换速度较低，转换时间较长，但其功耗低长，但其功耗低 。5G7520D/A转换器采用的转换器采用的CMOS型模拟开关型模拟开关 当当di输入端为高电平常，输入端为高电平常，VP3、VN4组成的反相组成的反相器输出高电平，器输出高电平，VP4、VN5组成的反相器输出低组成的反相器输出低电平，从而使得电

6、平，从而使得VN1截止，截止，VN2导通，电流流入导通，电流流入IOUT2。当当di为低电平常，电流流入为低电平常，电流流入IOUT1 。10100113. 集成运算放大器集成运算放大器集成运放的逻辑符号、简化的集成运放低频等集成运放的逻辑符号、简化的集成运放低频等效电路及其电压传输特性效电路及其电压传输特性 理想集成运放的主要参数为：理想集成运放的主要参数为：1开环增益为无开环增益为无穷大，穷大，Aod=；2输入电阻无穷大，输入电阻无穷大，Rid=；3输出电阻为零，输出电阻为零，Ro=0。引入负反响时，集成运放任务在线性任务区。引入负反响时，集成运放任务在线性任务区。此时输出电压与输入电压成

7、线性关系。此时输出电压与输入电压成线性关系。线性区：净输入电压近似为零，称为线性区：净输入电压近似为零，称为“虚短；虚短；净输入电流也近似为零，称为净输入电流也近似为零，称为“虚断。虚断。 XX4. 倒倒T形形D/A转换器的任务原理转换器的任务原理 输入输入d3d2d1d0=1000时的等效电路时的等效电路 从虚线从虚线AA、BB、CC、DD处向左看进去的等效电处向左看进去的等效电阻均为阻均为R II/2流向虚地点的总电流流向虚地点的总电流 虚地点虚地点32101111()24816IiddddI3210REF32104(2222 )2IViddddR输出电压输出电压:n位倒位倒T形电阻网络形

8、电阻网络D/A转换器输出电压转换器输出电压:OIvi R3210REF32104(2222 )2OVvdddd 1210REF1210REF(2222 )22nnOnnnnVvddddVD 第第9 9章章 A/D A/D转换与转换与D/AD/A转换转换179.2.2 集成集成D/A转换器转换器5G75205G7520D/A转换器：转换器：n=10位倒位倒T形电阻网络反响形电阻网络反响电阻电阻R10k ，Rf内已集成在芯片内部内已集成在芯片内部 5G7520的运用的运用 反响电阻反响电阻Rf与电阻与电阻R的关系为：的关系为：Rf=mR 输出电压输出电压 9810REFO981010REF10(2

9、222 )22mVvddddmVD 当采用内部集成的反响电阻时，当采用内部集成的反响电阻时，Rf=Rf内，即内，即m=1，那么有：，那么有：9810REFO981010REF10(2222 )22VvddddVD 例例9-1：以下图中反响电阻：以下图中反响电阻Rf=100k。试计算当输入从全试计算当输入从全0变为全变为全1时电压放大倍数的时电压放大倍数的变化范围是多少？变化范围是多少？ 输出电压输出电压 所以所以 那么可得那么可得 REFOIf102mVvi RD IO10102vvD O10I102vvADv 当输入从全当输入从全0变为全变为全1时时放大倍数的变化范围为放大倍数的变化范围为0

10、 -9.99 9.2.3 D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨率：分辨率：D/A转换器所能分辨的最小输出电压转换器所能分辨的最小输出电压VLSB与满刻度输出电压与满刻度输出电压Vm当输入的数字代当输入的数字代码各位均为码各位均为1时输出的电压值之比。时输出的电压值之比。VLSB也就是当输入的数字代码最低位为也就是当输入的数字代码最低位为1，其，其他各位为他各位为0时对应的输出电压值，也被称为输出时对应的输出电压值，也被称为输出电压增量。电压增量。LSBm121nVV分辨率当当Vm一定时，输入数字代码的位数一定时，输入数字代码的位数n越多，分越多，分辨率数值越小，分辨才干越高。辨

11、率数值越小，分辨才干越高。 10位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为8位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 10110.1%2110238110.4%21255分辨率也经常直接用输入数字代码的位数分辨率也经常直接用输入数字代码的位数n来表来表示。示。假设知一个假设知一个D/A转换器的分辨率及满刻度输出电转换器的分辨率及满刻度输出电压压Vm，那么可计算出输入最低位所对应的最小，那么可计算出输入最低位所对应的最小输入电压输入电压VLSB，即输出电压增量。，即输出电压增量。例如：当例如：当Vm=10V，n=10时时LSBm10110V0.1%10mV21VV转换精度转换精度 ：指输出电压

12、或电流的实践值与实际：指输出电压或电流的实践值与实际值之间的误差。值之间的误差。普通来说，转换精度应低于普通来说，转换精度应低于VLSB/2。转换精度的影响要素主要有模拟开关导通的压转换精度的影响要素主要有模拟开关导通的压降、电阻网络阻值差、参考电压偏向和集成运降、电阻网络阻值差、参考电压偏向和集成运放漂移等。放漂移等。 线性度线性度 :通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示D/A转换转换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏向与满刻度输出之比的百分数定义为非线性偏向与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。误差。 转换时间：当输入数字代码

13、变化时，输出模拟转换时间：当输入数字代码变化时，输出模拟电压或电流到达稳定输出所需的时间，即为建电压或电流到达稳定输出所需的时间，即为建立时间或稳定时间，该参数普通由手册给出。立时间或稳定时间，该参数普通由手册给出。当转换器的输入由全为当转换器的输入由全为0变化为全为变化为全为1或反向变或反向变化时，其输出到达稳定值所需的时间为最大转化时，其输出到达稳定值所需的时间为最大转换时间。换时间。 9.2.4常用常用D/A转换器及其参数转换器及其参数 产品型号产品型号工作电压工作电压/V位数位数/bit建立时间建立时间/ s输出输出接口接口方式方式基准基准功耗功耗/mWDAC5573IPW2.7 5.

14、588电压电压I2C外部提外部提供供500TLC5620CD5810电压电压串行串行外部提外部提供供8TLC7524CN5 1580.1电流电流并行并行外部外部5TLV5623ID2.75.583电压电压SPI外部外部2.1DAC900U3/5100.030电流电流并口并口内部内部/外外部部170DAC7731EC15165电压电压串行串行内部内部100DAC1220E52010000电压电压SPI外部外部2.59.3 A/D转换器转换器A/D转换可以将输入的模拟量电压或电流转转换可以将输入的模拟量电压或电流转换为与之成比例的二进制代码。换为与之成比例的二进制代码。 A/D转换普通要经过采样、

15、坚持、量化及编码转换普通要经过采样、坚持、量化及编码4个过程。在实践电路中，有些过程可以进展合个过程。在实践电路中，有些过程可以进展合并，如采样和坚持、量化和编码在转换中普通并，如采样和坚持、量化和编码在转换中普通同时实现。同时实现。 9.3.1 A/D转换的普通步骤转换的普通步骤 采样：把一段时间内延续变化的信号变换为对采样：把一段时间内延续变化的信号变换为对时间离散的信号时间离散的信号 。为了使采样输出信号能不失真地代表输入的模为了使采样输出信号能不失真地代表输入的模拟信号，对于一个频率有限的模拟信号来说，拟信号，对于一个频率有限的模拟信号来说，可以由采样定理确定其采样频率，即可以由采样定

16、理确定其采样频率，即 max2siff坚持：把每次的采样值存储到下一个采样脉冲坚持：把每次的采样值存储到下一个采样脉冲到来之前。到来之前。采样采样-坚持电路的输出信号虽然曾经成为阶梯状。坚持电路的输出信号虽然曾经成为阶梯状。量化：把采样后的电压幅值转化为最小量化单量化：把采样后的电压幅值转化为最小量化单位的整数倍的过程位的整数倍的过程 。量化的方法有两种，一种是只舍不入，另一种量化的方法有两种，一种是只舍不入，另一种是有舍有入。是有舍有入。编码：用数字代码表示量化结果的过程。编码：用数字代码表示量化结果的过程。1只舍不入法只舍不入法 ：取最小量化单位：取最小量化单位=Vm/2n，其中其中Vm为

17、输入模拟电压的最大值，为输入模拟电压的最大值，n为转化输为转化输出数字代码的位数，将出数字代码的位数，将0之间的模拟电压归之间的模拟电压归并为并为0，把，把2之间的模拟电压归并为之间的模拟电压归并为1，依次类推。这种方法产生的最大量化误，依次类推。这种方法产生的最大量化误差为差为。 例例9-2 把把01V的模拟信号电压转换成的模拟信号电压转换成3位二进位二进制代码。制代码。 =1/23=1/8V可见其最大量化误差为 1/8V 有舍有入法有舍有入法 ：取最小量化单位：取最小量化单位= 2Vm/2n+1 -1。将。将0(1/2)之间的模拟电压归并为之间的模拟电压归并为0，把把(1/2) (3/2

18、)之间的模拟电压归并为之间的模拟电压归并为1，依次类推。这种方法产生的最大量化误，依次类推。这种方法产生的最大量化误差为差为1/2。 例例9-2：采用有舍有入法把：采用有舍有入法把01V的模拟信号的模拟信号电压转换成电压转换成3位二进制代码。位二进制代码。 取取 =2/15V最大量化误差减小到最大量化误差减小到(1/15)V。 9.3.2 A/D转换器的分类转换器的分类按模拟量的输入方式可分为单极性输入和双极按模拟量的输入方式可分为单极性输入和双极性输入两类；性输入两类；按数字量输出方式可分为串行输出和并行输出按数字量输出方式可分为串行输出和并行输出两类；两类；按任务原理可以分成直接按任务原理

19、可以分成直接A/D转换器和间接转换器和间接A/D转换器两大类。转换器两大类。 直接直接A/D转换器不需求经过中间变量就能把输入转换器不需求经过中间变量就能把输入的模拟信号直接转换为输出的数字代码，常用的模拟信号直接转换为输出的数字代码，常用的电路有并联比较型和反响比较型；的电路有并联比较型和反响比较型；间接间接A/D转换器首先将输入的模拟信号转换成一转换器首先将输入的模拟信号转换成一个中间变量时间或频率，然后再将中间变个中间变量时间或频率，然后再将中间变量转换成数字量。量转换成数字量。A/D转换器按任务原理的分类图转换器按任务原理的分类图A/DA/D转换器转换器直接型直接型间接型间接型并联比较

20、型并联比较型反响比较型反响比较型计数型计数型逐次渐近型逐次渐近型电压时间变换电压时间变换V-TV-T型型- - 积分型积分型电压频率变换电压频率变换V-FV-F型型9.3.3 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器又称为逐次逼近型转换器又称为逐次逼近型A/D转转换器，其转换过程类似天平称物体分量的过程。换器，其转换过程类似天平称物体分量的过程。以一系列二进制码的分量之和表示了被称物体以一系列二进制码的分量之和表示了被称物体的分量。的分量。 组成：存放器、组成：存放器、D/A转换器、电压比较器、顺序转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。脉冲发生器及相

21、应的控制电路。 转换开场前将存放器清零转换开场前将存放器清零 转换时，逐位改动存放器的数字代码转换时，逐位改动存放器的数字代码将此代码经将此代码经D/A转换器转换成模拟电压转换器转换成模拟电压vO vO与输入电压与输入电压vI进展比较进展比较,以判别此数字位能否保以判别此数字位能否保管管逐位比较下去，直到最低位为止。逐位比较下去，直到最低位为止。 3位逐次渐近型位逐次渐近型A/D转换器的电路框图转换器的电路框图 3个同步个同步RS触发器触发器FA、FB、FC作为存放器作为存放器F1F5构成的环形计数器作为顺序脉冲发生器构成的环形计数器作为顺序脉冲发生器控制电路由门电路组成。控制电路由门电路组成

22、。 设参考电压设参考电压VR=-5V，那么对应不同输入，那么对应不同输入DAC的输的输出为：出为：354V2.5V2ov 356V3.75V2ov 355V3.125V2ov REF3522onVvDD 设待转换的模拟电压设待转换的模拟电压vI=3.2V。任务前先将存放器。任务前先将存放器清零，同时将环形计数器置成清零，同时将环形计数器置成F1F2F3F4F5=00001。 2352 V2.5V2ov 5V3.2VF1F2F3F4F5预设为预设为00001，那么第一个，那么第一个CP到来时到来时100001002.5V005V3.2V010001103.75V0 15V3.2V00100101

23、3.125V1 05V3.2V0001010105V3.2V00001101101经过经过5个个CP周期后，输入的模拟电压周期后，输入的模拟电压3.2V被转换被转换成数字信号成数字信号101。逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器优点是精度高，转换速度转换器优点是精度高，转换速度较快，由于它的转换时间固定，简化了与较快，由于它的转换时间固定，简化了与CPU间的同步，所以经常用作与间的同步，所以经常用作与CPU间的接口电路。间的接口电路。9.3.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器转换器-间接间接A/D转换转换经过两次积分，先将模拟电压经过两次积分，先将模拟电压vI转换

24、成与之大转换成与之大小相对应的时间小相对应的时间T，再在时间间隔，再在时间间隔T内用计数频内用计数频率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压正比于输入模拟电压第一次积分为采样阶段。第一次积分为采样阶段。开关开关S接至模拟电压接至模拟电压vI，积分器其在积分器其在T1内进展反向内进展反向积分。积分终了时积分。积分终了时vO的的绝对值与绝对值与vI的大小成正比的大小成正比 第二次积分为比较阶段。第二次积分为比较阶段。 积分器对基准电压积分器对基准电压-VR进展进展反向积分。积分器的输出反向积分。积分器的输出电压开场上升，经时间电压开场上升，

25、经时间T2后回到后回到0，由于，由于T2阶段定斜阶段定斜率反向积分，所以率反向积分，所以T2与与vI成正比。成正比。 双积分型双积分型A/D转换器的电路图。转换器的电路图。 定时积分阶段的任务情况定时积分阶段的任务情况 1积分器对积分器对vI在固定时间在固定时间T1内进展积分内进展积分 1IO1I101( )tVvtv dtTRCRC ICO11I2( )nVTvtTVRCRC 时钟时钟CLK的的周期周期第二次积分开场时的形状第二次积分开场时的形状0第二阶段反向积分时，积分器输出电压为第二阶段反向积分时，积分器输出电压为21O1O11R1( )()()dttvtvTVtRC21RR21()dt

26、tVVtTRCRC IR12VVTTRCRCN2与输入电压在与输入电压在T1时间间隔内的平均值时间间隔内的平均值VI成正成正比。只需比。只需VI VR，转换器就可以将模拟电压转，转换器就可以将模拟电压转换为数字量。当换为数字量。当VR =2n V时，时，N2 =VI，计数器，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。所计的数在数值上就等于被测电压。1C2IIRR2nTTTVVVV22ICR2nTNVTV双积分型双积分型A/D转换器与逐次渐近型转换器与逐次渐近型A/D转换器相转换器相比，最大的优点是它具有较强的抗干扰才干。比，最大的优点是它具有较强的抗干扰才干。由于双积分型由于双积分型A/D转换器采

27、用了丈量输入电压在转换器采用了丈量输入电压在采样时间内的平均值的原理，因此对于周期等采样时间内的平均值的原理，因此对于周期等于于T1或或T1/nn=1，2，3，的对称干扰，从的对称干扰，从实际上讲具有无穷大的抑制才干。实际上讲具有无穷大的抑制才干。 9.3.5 集成集成A/D转换器转换器AD574A为逐次渐近型的集成为逐次渐近型的集成A/D转换器，其内转换器，其内部构造如图部构造如图9-22所示所示 芯片允许信号芯片允许信号 片片 选信号选信号 读出和转换读出和转换控制信号控制信号 数据输出数据输出方式控制方式控制 转换位数转换位数控制信号控制信号 模拟地模拟地 数字地数字地 基准电压输入基准

28、电压输入 基准电压输出基准电压输出 双极性偏移双极性偏移零点调整零点调整 10V范围范围输入端输入端 20V范围范围输入端输入端 输换终了输换终了信号信号 CECS /R C12/8CECSR/C12/8A0功能说明功能说明0XXXX不允许转换不允许转换X1XXX未接通芯片未接通芯片100X0启动启动1次次12位转换位转换（作（作12位转换器）位转换器）100X1启动启动1次次8位转换位转换（作（作8位转换器）位转换器）1011X1次输出次输出12位位10100输出高位字节输出高位字节10101输出低位字节输出低位字节9.3.6 A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数分辨率：分辨率：A

29、/D转换器所能分辨的模拟输入信号的转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。最小变化量。 设设A/D转换器的位数为转换器的位数为n，满量程电压为，满量程电压为Vm，那么那么也可用百分比来表示分辨率，此时的分辨率称也可用百分比来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率为相对分辨率 分辨率分辨率= =m2nV相对分辨率相对分辨率= =1100%2n 转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需求的时间。普通用为数字信号并输出所需求的时间。普通用s或或ms来表示。来表示。 转换速率是指可以反复进展数据转换的速度，转换速率是指可以反复进展数据转换的

30、速度，即每秒转换的次数。即每秒转换的次数。 转换精度：转换精度：A/D转换器的转换精度分为绝对精度转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。和相对精度。 绝对精度：对应于输出数码的实践模拟输入电压绝对精度：对应于输出数码的实践模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。绝对误差包括增益误与理想模拟输入电压之差。绝对误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差和量化误差。差、偏移误差、非线性误差和量化误差。 相对精度：绝对精度与满刻度电压之比的百分数，相对精度：绝对精度与满刻度电压之比的百分数，即即 相对精度相对精度= m100%V绝对精度9.3.7 常用常用A/D转换器及其参数转换器及其参数不同的不同的A/D转换器具有不同的输入、输出以及控转换器具有不同的输入、输出以及控制信号的衔接方式。制信号的衔接方式。从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入的。从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入的。 输入信号的极性有单极性和双极性输入。