数字电子基础技术应用 11

11D/A与A/D转换11.1D/A转换电路11.2

A/D转换电路数据转换器，无论是ADC还是DAC在整个电路系统中扮演着桥梁的作用，贯通了模拟世界和数字世界，将0和1数字量与丰富多彩的模拟量连接起来，实现了对现实生活的改变。

摘自TI大学计划数据转换原理(AD&DA)与设计总结手册

首先总结一下数字控制系统（相对模拟系统）的优势？？模拟量转化为数字量的过程称为模-数转换，相应的转换器件称为模-数转换器（Analog-DigitalConverter,即ADC）。数字量转化为模拟量的过程称为数-模转换，相应的转换器件称为数-模转换器（Digital-AnalogConverter,即DAC）。基本概念基本概念模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器

11.1

D/A转换电路

11.1.1

D/A转换的基本原理11.1.2

常用转换技术倒T型电阻网络D/A转换器权电流网络D/A转换器11.1.3

D/A转换器的主要参数和误差11.1.4集成D/A转换器

11.1.5

集成D/A转换器的应用11.1.1D/A转换的基本原理

D/A转换器可以用来把二进制数转换成与它成比例的输出电压/电流模拟值。一个n位二进制数Dn接到DAC的输入端时,如下图所示。2n-12n-220dn-1dn-2d0uO•••n位二进制数

图9.2.1电压型DAC框图uO–+RFADAC2n-12n-220dn-1dn-2d0IO•••n位二进制数

图9.2.2电流型DAC典型应用图电流电压转换电路uO=

IORFD/A转换器的输出电压值uO为：单位量化电压

DAC的一般组成：1．电路权电阻网络DAC

2．原理D优点：结构简单，所用电阻元件少；缺点：①阻值相差很大，精度难以保证；②模拟开关有内阻，影响精度。

1、权电阻网络DAC取VREF正负确定输出正负

图9.2.44位二进制倒T电阻网DAC

RF

S3d02RIuOVREFIOV-V+I0–+A

2R2RR2RR2RRI1I2I3d1d2d3S2S1S02、例T形电阻网络DAC

图9.2.54位倒T型电阻网络的等效电路AA2R2RR

BB2RCC2RDIOD2RVREFI=VREF/RI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16

n位倒T型D/A转换器输出电压为：求和总电流为：优点：电阻值范围小，且只有两种阻值，便于集成。缺点：电阻用量较多，模拟开关内阻将影响精度。

3、权电流网络D/A转换器RFuOd0IO–+A图9.2.6权电流型DACVEEd1d2d3S0S1S2S3优点：①采用恒流源克服了开关内阻对转换精度的影响；②采用ECL开关电路，提高了转换的速度。

11.1.4

集成D/A转换器集成DAC器件繁多，有并行、串行

目前MCU中一般都集成有DAC和ADC

DAC0808是一种常用的8位权电流网络D/A转换器。转换时间为150ns。DAC0808管脚图NCGNDVEEIOd0d1d2d3COMPVREF(-)VREF(+)VCCd7d6d5d4DAC

08081.集成DAC0808DAC0808典型应用图d0d1d2d3d4d5d6d7VCCVREFRRVEE

uO-+AVREF(+)GNDRFd0d1d2d3d4d5d6d7VREF(-)VEE

IO

COMPDAC0808D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=10V）-357-EGO1实验平台上使用的8位DAC0832结构

倒T型R-2R电阻网络（输出设备要有寄存器）EGO1实验平台上使用的8位DAC0832结构简图

EGO1实验平台上使用的8位DAC0832结构

与微处理器连接的典型电路（与存储器类似）EGO1实验平台上使用的DAC0832EGO1上有8位的模数转换芯片（DAC0832），DAC输出的模拟信号连接到接口J2上。

集成D/A转换器应用广泛用

根据所学知识，介绍阶梯波形发生电路。阶梯波形发生电路CLKQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7d0d1d2d3d4d5d6d7DAC8位二进制计数器uO集成D/A转换器的应用在8位二计制计数器作用下，DAC的输出波形如下图所示。

图9.2.12阶梯波波形图255UΔuOt···OD/A转换器的主要参数D/A转换器的转换精度主要是由分辨率和转换误差来决定的。1.转换精度(1)分辨率单位量化电压与最大输出电压之比：通常用二进制数码位数n来表示。如8位、10位、12位。例如，如果DAC输出模拟电压满量程为10V，则10位的DAC能够分辨的最小电压为10×1/(210-1)=0.009775V。8位的DAC能够分辨的最小电压为10×1/(28-1)=0.039125V。可见，DAC位数越高，DAC输出电压的分辨能力就越强。集成D/A转换器的主要参数1.转换精度比如，应用中若要分辨5mV的模拟输出电压，满量程为5V。应该选择多少位的DAC呢？(2n-1)≥5V/5mV=1000，应选n=10位(2)转换误差——指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差。主要由三种误差构成：①偏移误差：数据量为0，而输出不为0，该值为偏移误差

产生原因：由运放的零点漂移造成。DAC的偏移误差理想值实际值偏移误差DnuO(2)转换误差——指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差。主要由三种误差构成：②增益误差：由RF、R和VREF的精度和稳定性造成的输出电压偏离理想直线的最大值。消除方法：外围电阻选择精密电阻，VREF选择高精度、高稳定性电源。③非线性误差（非线性度）

DAC实际输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值。产生原因：模拟电子开关导通电阻的离散性； R和2R电阻值的离散性；运算放大器的非线性等引起

(2)转换误差——指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差。主要由三种误差构成：非线性误差实际值建立时间(转换时间):从输入数字代码全0突变到全1瞬间起，到D/A转换器输出的模拟量达到稳定值的规定误差带内止，所需要的时间间隔。u0t+1/2V△-1/2V△V0max

D/A转换器的建立时间建立时间2.转换速度——通常用建立时间定量描述PmodDA1简介（包含串行DAC）TheDA1canproduceananalogoutputrangingfrom0-3.3volts.IthasfoursimultaneousD/Aconversionhannels,Eachwithan8-bitconverterthatcanprocessseparatedigitalsignals.ForinformationontheAD7303,seetheAnalogDevicesdatasheetat.PmodDA1上的D/A转换器AD7303

是8位权电流网络型DAC16位移位寄存器中的内容：DB15选择参考电源；=1时选择外部REF；PDA和PDB用于设置工作模式。PDAPDB=00时，DACA和DACB均处于正常转换模式；PDAPDB=01时，DACA设置为正常转换模式，DACB为低功耗状态；PDAPDB=10时，DACA设置为掉电模式，DACB为正常转换模式；PDAPDB=11时，DACA和DACB均设置为掉电模式。AD7303的典型应用电路+5V供电时，选AD780或REF192精密稳压源分析B2开发板上AD7303的电路图，控制产生锯齿波。AD7303的典型应用电路PmodDA1的原理图ForinformationontheAD7303,seetheAnalogDevicesdatasheetat.B2板子上PMOD接头数据手册中所建议的0.1µF去耦电容（a）（b）AD7303数据写入时序图

SCLK可达30MHz（CP上沿锁存数据）采用SPI通信时序学生采用有限状态机设计了AD7303控制电路，状态图特别规范！！输入当前状态下一状态输出ENstCurstCurSYNCDONEindex0×stInit11151stInitstTx(15)00151stTx(15)stTx(14)00141stTx(14)stTx(13)0013………………………………1stTx(2)stTx(1)0011stTx(1)stDone000×stDonestInit1115stCurstInit0/1115EN/SYNCDONEindexstTx(15)stTx(14)1/00151/00140/1115stTx(1)1/00130/1115……1/001stDone1/0000/11151/1115EN：使能通讯信号；SYNC：片选（低有效）DONE：是否发送完16位数据？为1表示发送完index：当前发送数据是第几位stCur：状态变量AD7303生成DDS波形展示DDS输出100Hz,1000Hz,9000Hz正弦波，SCLK——25MHz时钟信号示波器：GWINSTEKMSO-2202EA带宽200MHz，采样率1GS/sAD7303时序验证黄线：片选；蓝线：时钟SCLK【片选拉低后共16个时钟信号】AD7303时序验证黄线：SCLK时钟；蓝线：数字量输出SD0[15:0]时钟下沿改变数据，上沿锁存。开放实验1熟悉实验平台上的DAC0832电路连线下载DAC0832器件手册熟悉工作原理和工作时序设计基于FPGA的DAC控制器Experiment_7_0_DAC_SawtoothWave开放实验2完成基于PmodDA1模块的实验网上有典型应用也可参考学生设计有兴趣的同学准备翻转课堂采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程．编码――把量化结果用代码(通常是二进制)表示的过程。量化――将采样信号x(nTs)转化为最小单位的整数倍的过程。最小单位也叫量化单位，用Δ表示，显然Δ为D=1对应的模拟量，即1LSB.7.2.1A/D转换的基本原理编码采样量化11.2.1A/D转换的基本原理

原理：①S(t)=1,T通,VI对C充电,VO=VI

采样②S(t)=0,T断,VO=VC不变

保持采样保持器有LF198,LF298,LF398等目前的ADC中都包含采用保持电路11.2.2采样-保持电路量化和编码

量化方法不同，误差也会不同！假设满量程是7.5V，3位ADC二进制编码。采用舍尾取整、四舍五入误差显然不同。当然DAC制造商一定采用误差最小方式。

舍尾取整

：

四舍五入：量化和编码

ADC位数n对量化误差的影响，显然位数越大分辨的电压越小。ADC输入输出关系

2n-1

dn-1

2n-2dn-2

ADC

21d1

20

d0

A/D转换器功能框图

UI一个直流电压Ui接到ADC的输入端，这时A/D转换器的输出n位二进制数：Dn=[UI/U

]

ADC的最大的输入电压一般为：（2n-1）U

U

——ADC的单位量化电压

ADC的最小分辨率[UI/U

]——将商Ui/U

取整或者四舍五入取整模数转换器分类（按照有无中间参数可分为：）直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。直接ADCADC

间接ADC并联比较型

*

反馈比较型

计数型逐次逼进型

*双积分型（即V-T变换型）*

V-F变换型流水线型（Pipeline型）、插值结构和折叠插值型、∑-∆型等不做介绍（表1.1摘自TI资料）直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。直接ADCADC

间接ADC并联比较型

*

反馈比较型

计数型逐次逼进型（SAR）

*双积分型（即V-T变换型）*

V-F变换型比较器构成的1bitADC（摘自TI资料）并联比较型

*

反馈比较型

计数型逐次逼进型

*并行比较型（快闪型）A/D转换器1.电路ADC组成与工作原理：①电压比较器；②寄存器；③优先编码器。并行比较型A/D转换器优点：转换速度非常高，转换时间只取决于比较器的响应时间和编码器的延时，典型值为100ns，甚至更小。缺点：随着分辨率的提高，比较器、触发器和有关器件按几何级数增加。使得并行比较型ADC的制作成本较高、功耗大。适用场合：高速、低分辨率的场合。组成：数码寄存器、D/A转换器、电压比较器以及相应的控制电路工作过程类似于天平称物体重量逐渐比较。从高到低位逐次置1，DAC后与输入比较。优点：电路简单，速度较快；是目前集成ADC用的最多的电路缺点：对瞬时值采样比较，有干扰时误差大，因此，抗干扰能力不理想控制电路逐次渐近寄存器

Uiuc

+-cuDDACCP数字输出控制信号逐次渐进型A/D转换器的方框图逐次渐进型A/D转换器双积分型A/D转换器

原理：一种电压-时间变换型ADC。首先把被测电压先转换成与之成正比的时间间隔

t，然后利用计数器在

t时间间隔内对一已知的恒定频率fC的脉冲进行计数，计数值N则与

t成正比，从而把被测电压转换成为与之成正比的数字量。双积分型A/D转换器由积分器、过零比较器、时钟控制门、n位二进制计数器和定时器组成。双积分型A/D转换器第一次积分：对被测电压积分，n位计数器计数到溢出为止；第二次积分：对基准电压积分，n位计数器计数到积分器输出为0为止。uOt图7.2.11双积分AD转换的工作波形uI”>uI>uI’

t”

t’

tuI

uI’

uI”采样积分比较积分T1t1t2uO1O双积分型ADC的优点：抗干扰力强，平均值为0的各种噪声有很强抑制力稳定性好，只要两次积分期间的R、C的参数相同，则转换结果与R、C参数无关，同时转换结果也与时钟周期无关。双积分型ADC的缺点：转换速度低主要用于精度要求高的测试仪器仪表当中。许多的双积分ADC集成芯片，把译码和驱动电路也集成在片内。例如，ICL7106和ICL7107ADC，它们只需外接少量元件即可构成数字电压表、数字温度计。1.转换精度：由分辨率和转换误差来决定。

⑴分辨率：用输出数字量位数表示或

单位量化电压与最大输入电压的比值（参考电压）。2.转换时间：从模拟信号输入起，到达到规定的精度之内的数字输出止，转换过程所经过的时间。转换时间由快到慢：

并行比较型(ns)<逐次渐近型(µs)<双积分型(ms)

⑵转换误差：主要包括量化误差、偏移误差、增益误差等。量化误差是ADC固有的，其它与DAC类似，A/D转换器的主要参数

集成ADC分类集成A/D转换器种类很多。按照转换成数字量的位数分类，常见的有8位（如ADC0809）、12位（如AD574）、16位、24位等。按照转换方式分类，常见的有快闪型、逐次逼近型、双积分型、∑-Δ型、流水线型等。按照输出方式划分，包括并行输出和串行输出。按照转换速度划分，有高速、中速和低速三个层次。如果以精度为标准，也可分为高、中和低精度三类。数据有效D0~D7100μs转换结束转换开始ADC选型？（下图为TI资料，DAC类似）ADC0804是8位CMOS集成A/D转换器，它的转换时间为100

s,输入电压为0~5V。转换结束信号CLKIN1102345678920111918171615141312图7.2.8AD0804管脚图AGNDDGNDCLKRVCCuIN+uIN_模拟信号输入{读写信号VREF/2基准电压D7D6D5D4D3D2D1D0数字输出片选集成并行A/D转换器-ADC0804数据有效D0~D7100μs转换结束转换开始ADC0804的转换时序图ADC0804的转换时序图ADC0809PmodAD1包含2个AD7476A12-bitADCrangingfrom0-3.3voltstoa12-bitdigitalvalueintherange0to4095.SPI通信millionsamplespersecondDamagecanresultifpowerissuppliedfrombothsourcesoriftheoutsidedevicesuppliesmorethan3V.PmodAD1原理图串行ADC-内部分辨率12位，有跟踪保持放大器

PmodAD1模块上逐次逼近型的A/D转换器AD7476A与各种处理器的连接AD7476A正常转换模式下的时序SCLK范围在10kHz~20MHz，B2主频50MHzCS下沿启动采样、转换、数据传输FPGA控制AD7476Verilog见P328PmodAD1接Basys2开发板的JB接头上50MHz时钟经8分频作为AD7476的SCLK转换得到的16位二进制数（12位转换结果和4个前导0）以十六进制的方式显示在Basys2开发板的4个数码管上。FPGA控制AD7476Verilog见P328always@(negedgesclk) //启动A/D转换并读取结果 begin //SCLK6.25MHz周期160ns cs<=0; //启动转换 data[0]<=sdata; //读取、保存转换结果？高阻？ data[15:1]<=data[14:0];//应用阻塞赋值语句=？ j<=j+1‘b1; //用示波器观察sclk与sdata if(j==17) //转换结束

begin cs<=1; j<=0; data1[15:0]<=data[15:0]; end end EGO1片内ADC——XADCXilinx7系列的FPGA芯片内部集成了两个12bit位宽、采样率为1MSPS的ADC，有多达17个外部模拟信号输入通道，可检测芯片供电电压和温度。Xilinx®7SeriesFPGAsandZynq-7000SoCXADC

Dual12-Bit1MSPSAnalog-to-DigitalConverter赛灵思的7系列FPGA和Zynq器件创造性地在片上集成了模数转换器，内置温度传感器和功耗传感器，这是相比赛灵思前一代产品来新增加的特性，可在系统设计中免去外置的ADC器件，有力地提高了系统的集成度。XADC模块支持不同的操作模式，如外步触发同步采样模式；可接受单端或差分信号；最多能接受17路外部的模拟输入信号。XADC片上传感器用来测量片上的供电电压和芯片温度，缺省模式下XADC模块专用于监视芯片上的供电。XADC的转换数据存储在一个叫状态寄存器的专用寄存器内，可由FPGA内部叫动态配置端口（DynamicReconfigurationPort(DRP)）的16位的同步读写端口访问。也可以由JTAGTAP访问。XADC可以单极性和双极性输入XADC访问用户可以通过PL-JTAG、PS-XADC和AXI-GPMaster接口访问XADC。前种在PL逻辑中无需调用XADC原语即可直接访问，后者需要调用XADCIP核。开放实验3Xilinx7系列FPGA内部集成的ADC原理熟悉工作原理和工作时序设计基于FPGA的控制器，监视芯片上的供电电压和芯片温度。实验波形记录以及结果分析写报告（遇到问题及解决方法）MCU片内ADC你看到什么？熟悉DAC和ADC基本概念、转换原理。熟悉DAC和ADC几种电路结构的优、缺点。了解集成DAC和ADC应用和电路。熟悉ADC、DAC的两个重要参数：转换精度和转换速度，这是在设计中正确选型和使用的重要依据。END本章小结作业11.1

11.3

11.511.10

祝大家顺利通过数电期中考试！12BitADCGainandOffsetDefinitionGainandoffseterrorsmeasuredontheF280xADCare:GainError(ma)<+/-1.5%mi(=1) 0.985<ma<1.015OffsetError(b):<+/-1.5%max(=4095) -60<b<60LSBsGainandOffsetErrorImpactGainandoffseterrorsmeasuredontheF280xADCare:GainError(ma)<+/-1.5%max 0.985<ma<1.015OffsetError(b):<+/-1.5%max -60<b<60LinearInputRange:

Theavailableinputvoltagerangeisimpactedbythegainandoffseterrorsandtheeffectiveresolutionisalsoreduced.Thetablebelowsummarizestheworstcasescenarios:GainandOffsetErrorImpactBi-PolarOffsetError:

Inmanyapplications,theinputsensorisabi-polarinputandthisneedstobeconvertedtoauni-polarsignalbeforebeingfedtotheADC.Atypicalsimplifiedcircuitusedforthispurposeisshownbelow(idealADCcase):GainandOffsetErrorImpactBi-PolarOffsetError:

Inmanyapplications,theinputsensorisabi-polarinputandthisneedstobeconvertedtoauni-polarsignalbeforebeingfedtotheADC.Atypicalsimplifiedcircuitusedforthispurposeisshownbelow(idealADCcase):Bi-PolarOffsetError:

errorswilltendtomagnifybelow(idealADCcase):假设：双极性输入x’=0，转换为单极性输入x=1.4300V.Ifyoua