第11章_AD和DA转换

1、1第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述一个实时控制系统采样、量化和编码采样保持器11-2 D/A转换器数/模转换器原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器2第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述采样、量化和编码采样保持器11-2 D/A转换器数/模转换器原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器3A/D与D/A转换的基本概念 4包含A/D和D/A的实时控制系统5第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述一个实时控制系

2、统采样保持器11-2 D/A转换器数/模转换器原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器6采样过程7量化的例子8编码方式v自然二进制码9第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述一个实时控制系统采样、量化和编码11-2 D/A转换器数/模转换器原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器10采样过程11采样保持电路和输入输出波形最基本的采样保持器电路由模拟开关S、保持电容CH和缓冲放大器A组成完整的一般包括输入缓冲器、输出缓冲器、采样保持开关和控制逻辑、保持电容

3、等12第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述一个实时控制系统采样、量化和编码采样保持器11-2 D/A转换器数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器13基础知识：集成运算放大器集成运算放大器同相端同相端: 输入端信号与输出端同相，用输入端信号与输出端同相，用+号表示；号表示；反相端反相端: 输入端信号与输出端反相，用输入端信号与输出端反相，用-号表示。号表示。+- -VoI- -I+V+V- - V- - V +开环放大倍数开环放大倍数 K =Vo14v开环放大倍数非常大（105107） 输出Vo受电源电压限制，绝对

4、值一般在15V以下 两输入端的差值非常小，即: V+ = V- (称虚短路) V- - V +K =Vo 输入阻抗非常大输入阻抗非常大 输入端的电流非常小，即：输入端的电流非常小，即： I+ = I- = 0 （称虚断路）（称虚断路）输出阻抗非常小输出阻抗非常小 输出端驱动能力大输出端驱动能力大，带负载能力强带负载能力强。集成运算放大器的特点15RoIf+- -VoViIiI-I+V+V- ：若将运放的同相端接地，：若将运放的同相端接地， 反相端输入信号反相端输入信号 Vi，如上图所示：，如上图所示：由于运放要求输入由于运放要求输入Vi非常小，则输入点电位近似于地电位，非常小，则输入点电位近似

5、于地电位，可以看成输入端与地近似于短路，但又不是真的与地短路，可以看成输入端与地近似于短路，但又不是真的与地短路，因为输入端还有极小的电流存在。因为输入端还有极小的电流存在。虚地虚地:输入端电压近似为输入端电压近似为0，输入电流也近似为，输入电流也近似为0，输入端电位近似于地电位的特殊情况，输入端电位近似于地电位的特殊情况虚地概念虚地概念集成运算放大器16权电阻网络DACRVR4RVR8参考电压VR为权电阻支路提供权电流，各支路中电流的大小与权电阻成反比关系。流入相加点的总电流为： I0=d1I1+d2I2+d3I3+d4I4=d1 +d2 +d3 +d4 =2 (d12-1+d22-2+d3

6、2-3+d42-4)RVR2RVRRVR17权电阻网络DAC由于流入运放的电流为0，则If=Io。又因为点虚地，所以运放的电压Vo=-If*Rf。设Rf=R/2，输入数字量d1d2d3d4=1000，VR=+5V，则输出电压Vo=-If*Rf =- *(1*1/2+0*1/4+0*1/8+0*1/16)*R/2=-1/2*VR=-2.5VRVR218 所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。 图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制。控制。 当当Di=1时，时，Si接运算放大器反

7、相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii 流入求和电路。流入求和电路。 当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622电路组成：电路组成： 4位模拟开关位模拟开关 R-2R电阻网络电阻网络 运放求和电路运放求和电路 基准电压基准电压VREF 流经电阻流经电阻2R的电流与开关位置无关，只取决于电阻的电流与开关位置无关，只取决于电阻2R 在电阻网络中的位置。在电阻网络中的位置。 从每个节点向左看，等效从每个节点向左看，等效电阻均为电

8、阻均为R。流过每个。流过每个2R电阻的电流按电阻的电流按2的正倍数递减的正倍数递减倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A变换器（变换器（4位）位）19输出电压与输入数值的关系基准电流 I=VREF/R，输出电压：将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为： VO=KNB 其中：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRVfORiv)2(2304iiiREFfDVRR)2(210iniinREFfODVRRvnREFfVRRK2)2(10iniiBDN20DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFD权电流型D/A变换器原理

9、图电路组成： 由一组恒流源替代R-2R电阻网络。各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的影响，降低了对开关的要求，提高了变换精度。iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123输出电压与输入数值的关系权电流型D/A变换器21DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR恒流源电路： 多发射级晶体管，各发射极

10、电流密度相同，使各VBE相同。各恒流源权电流精确。 基准电流： 负反馈 虚地1RVIREFREF采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器22VREF基准电压基准电压电电 阻阻网网 络络+-RoVo数数字字量量输输入入模拟模拟开关开关运算放大器运算放大器模拟量模拟量输输 出出D/A转换器的基本电路形式I23第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述一个实时控制系统采样、量化和编码采样保持器11-2 D/A转换器数/模转换器原理几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器24输入数字量v码制自然二进制码双极性二进制码BCD码v数据格式并行

11、码串行码v逻辑电平TTLCMOS或PMOS25输出模拟量v多数是电流输出型，需要运放和反馈电阻构成的I/V转换电路将输出转换成电压26D/A转换器的主要技术参数v 分辨率 v 转换精度v 线性误差v 建立时间v 转换速率27l常用相对值（百分值）表示 分辨率 = / 满量程 = / ( 2n = 1/ 2nl 可直接用D/A 转换器的位数表示 如：8 位D/A转换器的分辨率为 8位。 10 位D/A转换器的分辨率为 10位。分辨率l指 D/A 转换器所能产生的最小模拟增量， 是数字量最低有效位LSB所对应的模拟值。28 指模拟输出实际值与理想输出值之间的误差。 用于衡量D/A转换器将数字量转换

12、成模拟量时，所得模拟量的精确程度。数字量数字量 理想值理想值 实际值实际值 00h 0 - -0.001V 01h -0.039V -0.041V 10h -5V -5.002V FFh -9.96V -9.968V 转换精度包括包括非线性误差非线性误差、比例系数误差比例系数误差、漂移误差漂移误差等项误差。等项误差。29输出电压000 010 100 110 001 011 101 111|u|7/86/85/84/83/82/81/8数字输入比例系数误差示意图比例系数误差示意图 漂移误差示意图漂移误差示意图 30 注意：注意： 精度与分辨率是两个不同的参数。精度与分辨率是两个不同的参数。精度

13、精度取决于取决于D/AD/A转换器各个部件的制作误差转换器各个部件的制作误差, ,分辨率分辨率取决于取决于D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。31指从数字输入端发生变化 ( 如从全“0”变为全“1” )到模拟输出达到稳定( 即终值1/2LSB ) 所需的时间。00H FFHl 一般为几十一般为几十 ns 到几个到几个s 例例 DAC0832为为1s+-Ro = RVoS7D72RI7RS6D62RI6RS1D12RI1RS0D02RI02RVREF = 10VIiI=VREF/R0V -9.96V建立时间32D/A转换器接口电路 按按分辨率分辨率分：分： 8 8位、位、1010位、位、12

14、12位、位、1414位、位、1616位、位、1818位、位、2020位位按按建立时间建立时间分：低速、中速、高速和超高速型分：低速、中速、高速和超高速型 （100s 100s 、 1100s1100s、 50ns 100s50ns 100s、 50 nsVi，比较器输出低电平，比较器输出低电平， 控制电路使逐次逼近寄存器最高位控制电路使逐次逼近寄存器最高位D7置置“0”(反之，置反之，置“1”)； 逐次逼近式A/D转换72当第二个当第二个 到来，逐次逼近寄存器到来，逐次逼近寄存器D6位置位置“1”， D/A转换器的数字量输入为转换器的数字量输入为11000000B， 输出电压为输出电压为3.2

15、5V，VoVi，比较器输出高电平，比较器输出高电平， 将将D6位的位的“1”保留保留(否则，将否则，将D6位置位置0)； 第三个第三个 T3 时钟脉冲来，又将时钟脉冲来，又将D5位置位置“1” 重复上述过程直到重复上述过程直到D0位置位置“1”，再与输入比较。，再与输入比较。 经过经过8次以后，次以后， 逐次逼近寄存器中得到的数字量就是转换结果。逐次逼近寄存器中得到的数字量就是转换结果。T2逐次逼近式A/D转换73逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换精度高、转换速度快、易受干扰。转换精度高、转换速度快、易受干扰。双积分式双积分式A/DA/D转换分辨率高，抗干扰性好，但转换速度较转换分辨率高，抗

16、干扰性好，但转换速度较 慢，适用于中速系统。慢，适用于中速系统。计数式计数式A/DA/D转换速度慢，价格低，适用于慢速系统；转换速度慢，价格低，适用于慢速系统； 微机系统中大多数采用逐次逼近型微机系统中大多数采用逐次逼近型A/DA/D转换方法转换方法。比较三种A/D转换方式74第十一章 模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1 概述一个实时控制系统采样、量化和编码采样保持器11-2 D/A转换器数/模转换器原理数/模转换器的主要性能指标几种数/模转换器11-3 A/D转换模/数转换器原理一典型的模/数转换器75逐次逼近型、逐次逼近型、8 8位并行、中速位并行、中速( (转换时间为转换时间为1

17、00us)100us)具有转换起停控制端具有转换起停控制端 转换时间为转换时间为100s 100s 单个单个5V5V电源供电电源供电 模拟输入电压范围模拟输入电压范围0 05V5V，不需零点和满刻度校准，不需零点和满刻度校准工作温度范围为工作温度范围为-40-408585摄氏度摄氏度 低功耗，约低功耗，约15mW 15mW 输出带可控三态缓冲，可与总线直接相连输出带可控三态缓冲，可与总线直接相连带锁存控制的带锁存控制的8 8选选1 1多路开关多路开关2828个引脚、双列直插式个引脚、双列直插式ADC08098bitA/D转换器76ADC0809引脚图 77ADC0809逻辑结构图78ADDCA

18、DDCADDBADDBADDAADDA输入通道输入通道0 00 00 0IN0IN00 00 01 1IN1IN10 01 10 0IN2IN20 01 11 1IN3IN31 10 00 0IN4IN41 10 01 1IN5IN51 11 10 0IN6IN61 11 11 1IN7IN7ADDA、ADDB、ADDC真值表 7980 ADC0809与主机连接时需要处理数据输出、转换启动、转换结束、地址选择等问题。ADC与微处理器接口的基本任务81数据输出信号的处理82转换启动信号的处理83转换结束信号的处理 A/D转换结束后，可以通过适当方式通知系统读取转换转换结束后，可以通过适当方式通知

19、系统读取转换好的数字量。好的数字量。v无条件方式无条件方式 无需要转换结束无需要转换结束EOC信号，信号， 但要确切知道芯片的转换时间。但要确切知道芯片的转换时间。v查询方式查询方式 不断查询不断查询EOC信号以确定转换是否信号以确定转换是否结束。结束。v中断方式中断方式 将将EOC信号作为系统的中断请求。信号作为系统的中断请求。84地址选择信号的处理（1）如下程序片断选择转换如下程序片断选择转换IN5:MOV AL，00HMOV DX，45HOUT DX，AL85地址选择信号的处理（2）如下程序片断选择转换如下程序片断选择转换IN5MOV AL，05HMOV DX，40HOUT DX，AL86地址选择信号的处理（3）如下程序片断选择转换如