AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器。9模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器13、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。教學基本要求2A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字控制

計算機概述349.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標9.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的應用5將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬量。n位數(shù)字量DAC9.1D/A轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)

/

模轉(zhuǎn)換器的功能:A

=KDO=–KNB

為n位二進制代碼的數(shù)字量ONB6

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值。實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的過程：是將輸入二進制數(shù)中為1的每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量。從而實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。1.實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進制數(shù)

(11001)B轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。9.1.1

D/A轉(zhuǎn)換的基本原理72.

D/A轉(zhuǎn)換器的組成:n位DAC的一般方框圖

存放數(shù)字量的n位數(shù)碼

寄存器的輸出驅(qū)動對應數(shù)位上的電子開關(guān)將相應數(shù)位的權(quán)值送入求和電路

有倒T形電阻網(wǎng)絡等多種結(jié)構(gòu)

將各位的權(quán)值相加得到與輸入的數(shù)字量對應的模擬電壓數(shù)字量可以并行輸入也可串行輸入8

，，,

3.實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

虛短路是運放兩輸入端的電位相等（但不能短接在一起）。運放在反相輸入且同相端電位為零時，虛短路等效為虛地（但不能直接接地）。電路由電子開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡、求和電路、基準電壓和鎖存器等組成。

電子開關(guān)S3-S0分別由輸入數(shù)碼D3-D0控制。且當Di=1時，Si接通，否則，Si斷開。權(quán)電阻網(wǎng)絡與運算放大器A組成求和電路。根據(jù)線性運用條件下，運放虛短、虛斷的特點有：結(jié)果表明：電路實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。94.D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡DAC倒T形電阻網(wǎng)絡DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器109.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡模擬電子開關(guān)求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”

或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器基準電壓

電阻網(wǎng)絡模擬電子開關(guān)求和運算放大器11D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R12流入運放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

134位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC有：令：則O=–KNB

在電路中輸入的每一個二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。14AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運放，

2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻）2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

15關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡中R和2R電阻比值的精度要高；(4)為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導通電阻也相應地按2的整數(shù)倍遞增。為進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。

為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(3)每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等；16Di

=1時，開關(guān)Si接運放的反相端;Di=0時，開關(guān)Si接地。9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器(自學）1.4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器17在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。18實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結(jié)電壓相等基準電流產(chǎn)生電路++-199.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式輸入的數(shù)字均為正數(shù)時（即無符號位），據(jù)電路形式或參考電壓的極性不同，輸出電壓或為0V到正滿度值，或為0V到負滿度值，DAC處于單極性輸出方式。表1：8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB20表2：常用雙極性編碼十進制數(shù)2的補碼偏移二進制碼模擬量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128

*表中VLSB=VREF/256

實際上，DAC輸入的數(shù)字量有正也有負，故要求DAC能將它們對應轉(zhuǎn)換為正、負極性的模擬電壓輸出，工作于雙極性方式。常用雙極性編碼有2的補碼、偏移二進制碼和符號-數(shù)值碼等。即移碼。其符號位與補碼相反比較表1與表2發(fā)現(xiàn)：移碼是將二進制碼對應的模擬量的零值偏移至80H，偏移后的數(shù)中，只有大于128的才是正數(shù)。故若將單極性8位DAC的輸出電壓減去80H所對應的模擬量VREF/2即可得到極性正確的移碼輸出電壓。21

雙極性輸出的DAC采用2的補碼輸入變?yōu)槠贫M制碼送入DAC由于前面講的DAC為無符號數(shù)輸入的單極性輸出DAC，現(xiàn)要實現(xiàn)帶符號數(shù)輸入的雙極性輸出DAC。而DAC輸入的帶符號數(shù)一般為2的補碼形式，要實現(xiàn)雙極性輸出，首先要將它轉(zhuǎn)換為偏移二進制碼，然后再輸入到上述DAC電路中即可。雙極性8位DAC的輸出電壓80H所對應的模擬量單極性8位DAC的輸出電壓229.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、分辨率232、轉(zhuǎn)換精度：

轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。249.1.6

集成D/A轉(zhuǎn)換器的應用(自學）1.數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

25

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:262.

脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進制計數(shù)器：0000~1001279.2.6

集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應用9.2A/D

轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.4

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標28ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量。1.

A/D功能:9.2A/D

轉(zhuǎn)換器292.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并行比較型

特點:

轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns~1s,

但電路復雜。②逐次逼近型

特點:

轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間為幾s~100s,轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型

特點:

轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強。30取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。①③②311.取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間上離散的模擬量。取樣過程圖示如右下：

采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs

≥2fimax

S(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開（a）傳輸門（b）各信號波形圖取樣過程傳輸門由采樣信號S(t)控制：32采樣保持取樣與保持電路及工作原理：

采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣—保持控制電路（a）原理圖輸入放大器輸出放大器保持電容332.量化與編碼數(shù)字量在數(shù)值上是離散的，采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，還必須將采樣–保持電路的輸出表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將數(shù)值連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為量化。最小數(shù)量單位稱為量化單位。量化單位是數(shù)字信號最低位為1時所對應的模擬量，即1LSB。

將量化后的結(jié)果用二進制碼或其他代碼表示出來的過程稱為編碼。經(jīng)編碼輸出的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化：編碼：34在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。只舍不入（舍尾取整）量化方式四舍五入的量化方式量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差。量化方式：兩種近似量化方式：35011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓（a）只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位:＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼Δ=1/36（b）四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼Δ=2/(-1)379.2.2

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓電阻分壓器精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成寄存器優(yōu)先編碼器三位并行ADC38VI=8VREF/15111100000139

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。三位并行ADC輸入與輸出關(guān)系對照表402、電路特點：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。419.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。即從最重的砝碼開始試放，與被稱物體進行比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去；第二次加次重砝碼……照此下去，一直加到最小一個砝碼止。最后將所有留下的砝碼重量相加，就得物體的重量。仿照這一思路，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入的模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。1.轉(zhuǎn)換原理42所加砝碼重量

結(jié)果

第一次8克砝碼總重<待測重量Wx

，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx

，

2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx

，1克砝碼保留13克若有砝碼：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx

=13克。則有：43100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個CP：

8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖如下所示：它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄位器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。電路啟動后，啟動脈沖和第一個CP將移位寄存器的最高位D7置1，其余位為0。該數(shù)字經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器送入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的電壓與輸入模擬電壓VI相比較，若VI大，則比較器輸出為1，否則輸出為0，此結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的D7位；（128VREF/256=VREF/2=5V)44第二個CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V第二個CP使移位寄位器為01000000。如最高位已存1，則此時DAC的輸出電壓Vo’=3VREF/4，該值再與VI比較，若VI大，則次高位D6存1，否則存0；……以此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。（128VREF/256+64VREF/256=3VREF/4=7.5V）45第三個CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V（128VREF/256+32VREF/256=5VREF/8=6.25V）4610000000A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111147小結(jié)：1、

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短.489.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（自學）

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導思想:

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。491、電路組成5000000Cr信號將計數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理(1)準備階段：51經(jīng)過2n個CP(2)第一次積分：t=t0時，開關(guān)S1與A端相接，積分器開始對I積分。經(jīng)2n個CP后,開