数模和模数转换器

数模和模数转换器第1页，共37页，2023年，2月20日，星期六第二篇第2页，共37页，2023年，2月20日，星期六12.1.1

DAC的基本概念12.1.2

DAC的工作原理12.1.3

集成数/模转换器DAC0832第二篇第3页，共37页，2023年，2月20日，星期六为了能用数字技术来处理模拟信号，必须把模拟信号转换成数字信号，才能送入数字系统进行处理。同时，往往还需把处理后的数字信号转换成模拟信号，作为最后的输出。我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换，或简称为ADC；把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为DAC转换。同时，把实现模/数转换的电路称为A/D转换器；把实现数/模转换的电路称为D/A转换器。概述第2页第4页，共37页，2023年，2月20日，星期六在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。A/D转换器的类型也有多种，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。在直接A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。第2页第5页，共37页，2023年，2月20日，星期六12.1数/模转换器（DAC）12.1.1DAC的基本概念数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。1.DAC的转换特性DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。DAC是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。因此DAC可以看作是一个译码器。一般常用的线性DAC，其输出模拟电压U和输入数字量D之间成正比关系，即U=KD，式中K为常数。第2页第6页，共37页，2023年，2月20日，星期六D/A转换器的一般结构如下图所示，图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。电子开关电阻网络数据锁存器基准电压求和放大数字量输入模拟量输出DAC组成框图第2页第7页，共37页，2023年，2月20日，星期六对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号：DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：电流转换系数电压转换系数第2页第8页，共37页，2023年，2月20日，星期六DAC的转换特性曲线理想特性数字输入模拟输出当Ru（或Ri）为1、n＝３时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示。2.DAC的主要参数（1）分辨率：指最小输出电压（对应输入的数字量最低位为1，其他位均为0）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为1）之比。

第2页第9页，共37页，2023年，2月20日，星期六由上式可看出，当um一定时，输入数字量的位数n越多，分辩能力也就越高。（2）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：

绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。（3）建立时间：指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量±uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。第2页第10页，共37页，2023年，2月20日，星期六Xn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2S2S1S0

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I020R21R2n-3R2n-2R2n-1RIFRF∞-++·····u01.权电阻网络DAC12.1.2DAC的工作原理权电阻网络DAC的电路结构图n位二进制数字输入模拟电子开关权电阻2R从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍UR集成运放和权电阻网络构成一个加法电路第2页第11页，共37页，2023年，2月20日，星期六Xn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2S2S1S0

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I020R21R2n-3R2n-2R2n-1RIFRF∞-++·····u0第2页第12页，共37页，2023年，2月20日，星期六IF权电阻网络DAC的工作原理电阻2R和运算放大器构成一个加法电路，电路图中S0～Sn-1为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量Xi控制。Xi=1时，电子开关向上闭合，与基准电压UR接通；当Xi=0时，电子开关向下闭合，与“地”相接。当Xi=1时，Si接通，通过电阻上的电流Ii流向运算放大器的反相输入端，即流入求和电路。由于集成运放的反相输入端为“虚地”，因此相当于权电阻2R与“地”相接；当Xi=0时，Si将权电阻2R直接与“地”相连；所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的权电阻2R总是与“地”相通。第2页第13页，共37页，2023年，2月20日，星期六权电阻网络流入集成运放的总电流为各开关支路电流之和：各开关支路的电流依次为Ii=UR/(2i·R)…上式反映了权电阻网络的电流转换特性，根据运算放大器求和运算公式，可得出电路输出电压u0为：若令：当X0=“1”时，基准电流

I0=UR/(2n-1·R)分析讨论电流转换系数第2页第14页，共37页，2023年，2月20日，星期六例：在权电阻求和网络DAC电路中，设基准电源UR=－10V,反馈电阻RF＝R/2，输入二进制数X的位数n＝6，试求：解：（1）当最低位输入码由0变为1时，输出电压u0的变化量为何值？（2）当X=110101时，输出电压u0为何值？（3）当X=111111时，输出电压值（最大满刻度电压）u0＝？

①当最低位输入码由0变为1时，输出电压u0的变化量就是输入X=000001所对应的输出电压，其数值为：②当X=110101时：③当X=111111时：第2页第15页，共37页，2023年，2月20日，星期六2.倒T形电阻网络DAC图12.3R—2R倒T形电阻网络DACu0++_2R2R2R2R2R2Rxn—1xn—2x2x1x0Sn—1Sn—2S2S1S0In—1In—2I2I1I0RFR结点BR结点CR结点DR结点E结点AIFUR基准电压该网络虽然也是由电阻网络、电子开关、基准电压及运放组成，但其电阻网络与权电阻网络完全不同。第2页第16页，共37页，2023年，2月20日，星期六倒T形电阻网络DAC的工作原理倒T形电阻网络中有n个节点，由电阻构成梯形结构，从每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻均为2R。从基准电压源UR中流出的电流由节点A→节点B→……→节点E→地的过程中，每经过一个节点，就产生1/2的分流流入模拟电子开关，所以流入各模拟电子开关的电流比例关系和二进制数各位的权所对应的相同，流入运算放大器的电流和输入数码的值呈线性关系，实现数/模的转换。另外，无论输入数字信号是“0”还是“1”，模拟电子开关的右边均为“0”电位，所以电路在工作的过程中，流过电阻网络的电流大小始终不变。第2页第17页，共37页，2023年，2月20日，星期六R—2R倒T形电阻网络DAC的输出电压为：当RF=R时，输出电压为：第2页第18页，共37页，2023年，2月20日，星期六1.逻辑框图12.1.3集成数/模转换器——DAC083DAC0832是目前国内用得较普遍的数模转换器。它采用CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。当转换为电压输出时，可外接运算放大器。DAC0832由一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一个八位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。第2页第19页，共37页，2023年，2月20日，星期六2.管脚排列图及功能片选信号输入端CSWR1XFERWR2UCCILEDGNDIO1AGNDIO2D1D0D3D2URRFD6D7D4D5输入锁存允许信号端输入数据选通信号数据传送选通信号写信号2基准电源输入端反馈电阻D为数字量输入端电流输出端1和2电源5～15V输入端模拟“地”数字“地”当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。DAC0832中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了RF，只要将9脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。第2页第20页，共37页，2023年，2月20日，星期六讨论题

绝对精度是指输入端给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间。什么是DAC的绝对精度、非线性及转换速度？DAC0832数模转换器是采用什么制造工艺？DAC电路转换特性的含义是什么？请写出其表达式。

DAC电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：已知某DAC电路的最小分辨电压为40mV，最大满刻度输出电压为10.2V,试求该电路输入二进制数字量的位数n=？.因为：=所以：将已知数据代入公式可求得n=

8。uLSBum12n-1DAC0832数模转换器采用的是CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。第2页第21页，共37页，2023年，2月20日，星期六12.2.1ADC的基本概念12.2.2ADC的电路的形式和工作原理12.2.3集成ADC0809简介第2页第22页，共37页，2023年，2月20日，星期六12.2.1ADC的基本概念A/D转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。第2页第23页，共37页，2023年，2月20日，星期六1.采样保持电路采样就是将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔T(称为采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，转换成一系列脉冲信号，称为采样信号。采样过程如下图所示。CP＝1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。CP＝0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP＝1信号到来，再对新的电压信号进行采样。uiu0SCPuiu0ADC采样保持电路第2页第24页，共37页，2023年，2月20日，星期六2.量化编码电路输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是一个一个的阶梯波。由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯形采样信号仍可看作是一个可以连续取值的模拟量。另一方面，由于数字量的位数有限，只能表示有限个数值(n位数字量只能表示2n个数值)。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。必须将采样后的样值电压归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电压。用二进制数码来表示各个量化电压的过程称为编码。两个量化电压之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。取样保持后未量化的uo值与量化电压uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=uo-uq。量化的方法一般有两种：舍尾取整法和四舍五入法。第2页第25页，共37页，2023年，2月20日，星期六对采样值量化的方法有舍尾取整法、四舍五入法，通常采用四舍五入法。当最小量化间隔（亦称为“量化当量”）为S时，若采样电压的尾数不足S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于S/2，则舍尾入整，在原整数加1。例如：已知S＝1V，若采样电压等于2.1V时，量化电压等于2V；若采样电压等于2.5V时，量化电压等于3V。舍尾取整法四舍五入法不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化值之间的误差。若要减小ε，就应在测量范围内减小量化间隔S，即增加数字量X的位数和模拟电压的最大值um。四舍五入量化方式的量化当量S应按下式选取：第2页第26页，共37页，2023年，2月20日，星期六3.集成ADC的主要参数分辨率

通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多,误差越小,转换精度越高。转换时间指ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。它反映了ADC转换的快慢速度。绝对精度指ADC转换拍所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。第2页第27页，共37页，2023年，2月20日，星期六12.2.2ADC电路的形式和工作原理1.逐次比较型ADCCP转换开始前寄存器清零。转换后，在CP作用下，逻辑控制器首先使寄存器中最高有效位置“1”。输出数字量经DAC转换后产生相应的模拟电压uF，送到比较器中与输入信号ui进行比较，ui大时比较器输出“1”，否则为“0”。电压比较器输出数字量模拟信号输入基准电压逐次逼近寄存器D/A

转换器逻辑控制器数码寄存器uF反馈电压第2页第28页，共37页，2023年，2月20日，星期六逐次比较型ADC是集成ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码输出。当ui≥uF时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高位的1，次高位置“1”；当ui≤uF时，比较器输出“1”，控制器控制寄存器最高位置“0”，次高位置“1”。寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置“1”，若送入1保留最高位，次高位置“0”，第三位置“1”，寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，……经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态（即产生的数码）就是所要求的ADC输出的数字量。第2页第29页，共37页，2023年，2月20日，星期六2.双积分型ADC双积分型A/D转换器原理图－URUiS1RS2CUo积分器0比较器CP数字量输出n位计数器_++A1_++A2逻辑控制器双积分型ADC的基本原理是对输入模拟电压Ui和参考电压各进行一次积分，先将模拟电压Ui转换成与其大小相对应的时间间隔T，再在此时间间隔内用计数率不变的计数器进行计数，计数器所计下的数字量正比于输入的模拟电压Ui。双积分型ADC的转换速度较慢，但是它的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合，常使用双积分型ADC。第2页第30页，共37页，2023年，2月20日，星期六双积分型ADC的工作原理积分前，计数器清零，开关S2先闭合，后打开，使C上的电压为零。在采样阶段，S1接被测电压，S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于0，比较器输出高电平1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全1变为全0的瞬间。当计数器为n位时，计数时间为T1=2nTC，TC是时钟脉冲的周期。这时积分器的输出电压为：当计数器由全1变为全0时，进入比较阶段，控制器使S1接参考电压－UR，这时积分器对－UR反向积分，电压U0逐渐上升，计数器又从0开始计数。当积分器积分至U0=0时，比较器输出低电平0，控制器封锁CP脉冲，使计数器停止计数，若计数器的输出数码为D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为：而T2=DTC，所以：以用来表示模拟量的采样值。即计数器输出的数码与被测电压成正比，可第2页第31页，共37页，2023年，2月20日，星期六12.2.3集成ADC0809简介ADC0809集成电路结构组成图第2页第32页，共37页，2023年，2月20日，星期六ADC0809通过IN0~IN7可输入八路单端模拟电压。ALE将三位地址线ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行A/D转换。ADC0809内部由树状开关和256R电阻网络构成八位D/A转换器，其输入为逐次近似寄存器SAR的八位二进制数据，输出为UST，变换器的参考电压为UR(+)和UR(-)。在比较前，SAR为全0，变换开始，先使SAR的最高位为1，其余仍为0，此数字控制树状开关输出UST，UST和模拟输入UIN送比较器进行比较。若UST＞UIN，则比较器输出逻辑0，SAR的最高位由1变为0；若UST≤UIN，则比较器输出逻辑1，SAR的最高位保持1。此后，SAR的次高位置1，其余较低位仍为0，而以前比较过的高位保持原来值。再将UST和UIN进行比较。此后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。转换结束后，SAR的数字送三态输出锁存器，以供读出。第2页第33页，共37页，2023年，2月20日，星期六ADC0809集成电路管脚排列图ADC0809左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：IN0～IN78个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。ADDA、ADDB、ADDC是模拟信道的地址选择。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换。CP是时钟脉冲输入端；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0～D7

是数字量输出端口；UR