DA转换器和AD转换器

第七章第七章 D/A转换器和转换器和A/D转换器转换器D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 D/A转换器转换器A/D转换器转换器 一、模拟量、数字量以及二者的相互转换一、模拟量、数字量以及二者的相互转换第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 连续变化的物理量称为连续变化的物理量称为模拟量模拟量，模拟量是可以连续取，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为值的。有规律但不连续的变化量称为数字量数字量，也叫，也叫离散量离散量。数字量是不能连续取值的。数字量是不能连续取值的。连续变化的连续变化的模拟量模拟量 电压、电流或频电压、电流或频率等电量率等电量 被控对象被控对象传传感感器器A/D转转换换数字信号数字信号 处理后的数处理后的数字信息字信息 数字系统数字系统电的模拟量电的模拟量 D/A转转换换执执行行机机构构数字控制数字控制系统框图系统框图二、二、D/A转换的基本原理转换的基本原理第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 要将模拟量要将模拟量A转换为数字量转换为数字量D，需要一个模拟参考量，需要一个模拟参考量R，使得使得A=DR 若若 maxA=R 则则 0D1 即数字量即数字量D是一个不大于是一个不大于1的的n进制数。自然，这里的进制数。自然，这里的D是二进制数：是二进制数：D=a121+a222+an2n,ai(0,1)实际中通常用一个参考电压实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。作模拟参考量。)222(2002211DDDRDRAnnnnn第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理)222(202211nnnnaaaR DR A 注意，注意，A虽是模拟量，虽是模拟量，但并不能取任意值，而只但并不能取任意值，而只能根据输入量能根据输入量D得到某些特得到某些特定值。定值。ADOLSBD/A转换特性转换特性 三、三、D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨力：分辨力：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。转换器分辨最小模拟量的能力。分辨率：分辨率：通常指通常指A/D转换器的二进制位数。转换器的二进制位数。满量程满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。转换器可输出模拟量的最大值。非线性误差非线性误差：在满量程范围内偏离理想转换特性的最：在满量程范围内偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。大值称为非线性误差。第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 也就是最低有效位也就是最低有效位LSB所对所对应的模拟量应的模拟量，记作，记作RLSB。显然位数越多，显然位数越多，D/A转换器所能输出转换器所能输出的最小模拟量值也越小，因而分辨力与的最小模拟量值也越小，因而分辨力与分辨率是统一的。有时对二者不加区分。分辨率是统一的。有时对二者不加区分。转换精度转换精度：通常以满量程相对误差来说明通常以满量程相对误差来说明D/A转换器转换器的转换精度。的转换精度。建立时间建立时间：从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定所需要的时间。所需要的时间。(u)max为最大绝为最大绝对误差。对误差。温度系数温度系数：在规定范围内，温度变化在规定范围内，温度变化1时，增益、时，增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。LSBmax2)(Uun 建立时间决定了建立时间决定了D/A转换器输出信号转换器输出信号所能达到的最小重复周期。所能达到的最小重复周期。三、三、D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 四、四、A/D转换的基本原理转换的基本原理 A/D转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号的编码过程。的编码过程。若模拟参考量为若模拟参考量为R，则输出数字量，则输出数字量D和输入模拟量和输入模拟量A之之间的关系为间的关系为 D A/R第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 DA/D转换器转换器AR（UREF）A/D转换转换A/D转换类转换类似用天平似用天平测量质量测量质量质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪mXmmin 数字数字D永远不能精确地表永远不能精确地表示被测物体质量示被测物体质量mx，而只能以，而只能以一个最小砝码一个最小砝码mmin的精度去逼的精度去逼近。近。mmin称为量化单位。无论称为量化单位。无论mmin多小，总不能是无穷小，多小，总不能是无穷小，由由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。量化误差是不能消除的。量化误差是不能消除的。但但A/D转换得出的数字量可以转换得出的数字量可以提供较模拟量更多的有效数字，提供较模拟量更多的有效数字，使得数据处理的总体精度大大使得数据处理的总体精度大大提高。提高。第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 DAOLSB五、五、A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨力分辨力：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。转换器分辨最小模拟量的能力。分辨率分辨率：A/D转换器的二进制位数。转换器的二进制位数。量化误差量化误差：量化误差通常是指量化误差通常是指1个个LSB的输出变化所的输出变化所对应模拟量的范围。对应模拟量的范围。转换精度转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化转换器的转换精度不仅仅取决于量化误差，而是由多种因素决定的。误差，而是由多种因素决定的。A/D转换器的转换精度一转换器的转换精度一般表示为般表示为nLSB。转换时间转换时间：完成一次转换所用的时间。完成一次转换所用的时间。第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 五、五、A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 转换速率转换速率：每秒转换的次数。：每秒转换的次数。转换速率与转换时间不一定是倒数关系。转换速率与转换时间不一定是倒数关系。第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 两次转换过程允许有部分时间的重叠，两次转换过程允许有部分时间的重叠，因而转速率大于转换时间的倒数，这称作因而转速率大于转换时间的倒数，这称作管线（管线（pipelining）工作方式。）工作方式。例如：例如：一、权电阻型一、权电阻型D/A转换器转换器第二节第二节 D/A转换器转换器1REF112nnnRUDiUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D012nR2REF222nnnRUDi22nR)1 ,0(,2210REFREF10iiniiinii DDRURUDiiRf)1 ,0(,210REFffOiinii DDRUR iRuiR22RR第二节第二节 D/A转换器转换器 右图所示的电路中，设右图所示的电路中，设n=4,UREF=10V,R=100k,Rf=8k,输入二进制数码输入二进制数码S3S2S1S0为为1011。试问运算。试问运算放大器输出电压是多少？放大器输出电压是多少？解：解：V8.8V)122(10010821330REFfOiiiDRURu 权电阻型权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大转换器中的解码网络所用的阻值范围很大,特别是当分辨率较高时特别是当分辨率较高时,电阻值的范围会大得难以实现。电阻值的范围会大得难以实现。UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0Rf12nR22nRiR22RR二、二、R-2R 网络型网络型D/A转换器转换器第二节第二节 D/A转换器转换器虚地虚地2R2RR对地电对地电阻为阻为2R2RR对地电对地电阻为阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0IREF2/IREF2/IREF)1 ,0(,2210REFiiniin DDIiiRIUREFREF)1 ,0(,2210fREFfoiiniin DDRRUiRu 与权电阻网络相比，与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有电阻网络中只有R、2R两种阻两种阻值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。第三节第三节 A/D转换器转换器 一、一、A/D转换器的关键部件转换器的关键部件比较器比较器 A/D转换的过程就是用模拟量转换的过程就是用模拟量A与参考量与参考量R比较的过程，因此，电比较的过程，因此，电压比较器就成了压比较器就成了A/D转换器中重要转换器中重要部件。部件。比较器的输出为比较器的输出为 REFXREFX01UuUuD+DuXUREFREFXUu 0REFXUu 1tf(t)O模拟信号模拟信号第三节第三节 A/D转换器转换器 二、取样二、取样保持电路保持电路 所谓取样就是将一个时间上连所谓取样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。的模拟量。根据取样定理，每经过一定时根据取样定理，每经过一定时间间隔间间隔TS取出信号的一个值，只要取出信号的一个值，只要TS （fm为信号频带中的最高频为信号频带中的最高频率），这些取样值就可以无损失地率），这些取样值就可以无损失地表达原模拟信号。表达原模拟信号。m21ftf*(t)O76543211TS2TS取样信号取样信号3TS4TS5TS6TS7TS8TS第三节第三节 A/D转换器转换器 二、取样二、取样保持电路保持电路 由于对模拟量进行量化的由于对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，所以为过程需要一定的时间，所以为保证转换精度，在转换（即量保证转换精度，在转换（即量化）时间内应使取样点的函数化）时间内应使取样点的函数值保持不变。值保持不变。这种暂时保持由瞬时取样这种暂时保持由瞬时取样得到的模拟信号的电路，就是得到的模拟信号的电路，就是取样取样保持电路。右图是一种保持电路。右图是一种常用的取样常用的取样保持电路。保持电路。uIS(t)+uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO=-uC+-+-10tWS(t)TS-tW 在取样脉冲在取样脉冲S（t）持续时间持续时间tw内内，T导通。输入信号导通。输入信号uI经开经开关关T对电容对电容C进行充电。只要充进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间的持续时间tw，则输出信则输出信号号uO就能跟踪输入信号就能跟踪输入信号uI的变的变化。化。当取样脉冲结束，即在当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管时间内，场效应管T关断，因而关断，因而电容器上电压电容器上电压uC无泄放回路，无泄放回路，保持不变，则保持不变，则uO=-uC也保持不也保持不变。变。LSB第三节第三节 A/D转换器转换器 三、并行比较型三、并行比较型A/D转换器转换器 假定被转换的模拟输假定被转换的模拟输入电压入电压uI在在0UREF范围内范围内变化。取变化。取3位二进制数代位二进制数代表模拟输入表模拟输入uI的数字输出。的数字输出。采用有舍有入的量采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压化方式，利用电阻分压把标准电压把标准电压UREF分成分成8段段（量化阶梯），位数越（量化阶梯），位数越多，精度越高。多，精度越高。UR1=UREF141R2R2RRRRRRUR2=UREF143UR3=UREF145UR4=UREF147UR6=UREF1411UR5=UREF149UR7=UREF1413UREFLSB/2二进制数输出二进制数输出 其中其中6段间隔为段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔，另外两段间隔（最初和最末）为（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入。因此，输入模拟电压从模拟电压从0到到UREF整个整个范围内，它的最大量化误范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不差都是一样的，即永远不会超过会超过(1/14)UREF。010011100101110111 001是在是在(1/7)UREF时的值。时的值。在在(1/14)UREF，(3/14)UREF之之间的值和间的值和(1/7)UREF最多相差最多相差(1/14)UREF，因此，最大量，因此，最大量化误差不会超过化误差不会超过(1/14)UREF。000001R8R1参考电压参考电压模拟输入电压模拟输入电压uI UREF141 UREF143 UREF145 UREF147 UREF1411 UREF149 UREF1413R2R2RRRRRR分压器组分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP 由由7个个D触发器组成触发器组成的同步寄存的同步寄存器组。器组。D2D1D0编码器编码器例：当例：当 ，求输出的数字量。求输出的数字量。REFIREF145143UuU0000011REFI143Uu REFI141Uu REFI145Uu 001010001010000100D1DIu2DIuIuIuIuIuIuIu0 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI I 5/14UREF 由于各个比较器的工作过程几由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换速率在所有转换器的转换速率在所有A/D转换转换方案中是最高的。方案中是最高的。但需要使用大量的比较器。但需要使用大量的比较器。D/ACD/ACD/AC第三节第三节 A/D转换器转换器 四、串行比较型四、串行比较型A/D转换器转换器 串行比较型串行比较型A/D转换转换器让模拟信号依时间顺序通过一连器让模拟信号依时间顺序通过一连串比较器，后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余。串比较器，后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余。由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种方由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种方案的转换速率不可能做得很高。但相同分辨率的案的转换速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D转换器，转换器，串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。UREFuIC3D3uX3UR3uY3D2uX2UR2uY2C2D1uX1UR1uY1C1D0 取并行比较型速度快与串行取并行比较型速度快与串行比较型结构简单之优点，构成了比较型结构简单之优点，构成了折中方案折中方案并并-串比较型串比较型A/D转转换器换器。DAC第三节第三节 A/D转换器转换器 五、并五、并-串比较型串比较型A/D转换器转换器UREFuI高位比较器列高位比较器列 首先在高位比较器首先在高位比较器列上实现高列上实现高a位位A/D转换，转换，转换结果一方面作为高转换结果一方面作为高位输出。位输出。aa位高位比较位高位比较器器a 另一方面加到另一方面加到a位位D/A转转换器上将已转换的高位数字换器上将已转换的高位数字还原为模拟电压，再与输入还原为模拟电压，再与输入模拟电压作减运算，并将其模拟电压作减运算，并将其差值放大至差值放大至2a倍。倍。UR12a放大放大UIIb位低位比较位低位比较器器b输输出出寄寄存存器器 放大器的输出放大器的输出UII由由低位比较器列转换出低低位比较器列转换出低b位数字，并与高位数字位数字，并与高位数字一同输出。一同输出。a+bFF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5V第三节第三节 A/D转换器转换器 六、逐次比较型六、逐次比较型A/DA/D转换器转换器10004V3.5V4.9V0 逐次比较型逐次比较型ADC工作原理也可工作原理也可用天平测量质量来用天平测量质量来比照。比照。模数为模数为5的环型计的环型计数器。数器。例：例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位码位码D/AC电路电路000FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0第三节第三节 A/D转换器转换器 六、逐次比较型六、逐次比较型A/DA/D转换器转换器 第二第二个时钟脉个时钟脉冲到来时。冲到来时。0100010001101 第三第三个时钟脉个时钟脉冲到来时。冲到来时。001001010 第五第五个时钟脉个时钟脉冲到来时。冲到来时。000011015V4.5V G4、G5、G6门门开，开，Q3、Q2、Q1数数据传出。据传出。UREF -uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S2第三节第三节 A/D转换器转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量转换器就是先把电压转换成中间量时时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。01-+1有效有效0001000101100011010111110001UREF -uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S210001有效有效第三节第三节 A/D转换器转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量转换器就是先把电压转换成中间量时时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。0-+100 正电压正电压UREF向电容向电容C充电，电容两端电压不能充电，电容两端电压不能突变，使得突变，使得uo1电压逐步下电压逐步下降，但还是正值，降，但还是正值，uo2为负为负值。值。非门输出维持不变，非门输出维持不变，还是高电平，使得还是高电平，使得CP信号信号继续有效，继续有效，计数器继续计计数器继续计数。数。010110001 当输出当输出D为为100时，时，uo1小于零，使得小于零，使得uo2信号翻转信号翻转为高电平。为高电平。此时非门输出为此时非门输出为0，关，关断断CP信号，寄存器输出可信号，寄存器输出可以作为数字量输出。以作为数字量输出。0无效无效(式式7.3.2)第三节第三节 A/D转换器转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器在开始一定时间内，积分器转换器在开始一定时间内，积分器A1以输以输入电压入电压uI为被积函数进行积分，然后以与输入电压为被积函数进行积分，然后以与输入电压uI极性相极性相反的参考电压为被积函数进行积分，再对积分输出电压进行反的参考电压为被积函数进行积分，再对积分输出电压进行过零比较。过零比较。UO2UO1斜率斜率1ICRuUO1t0t1T1（常数）斜率斜率1REFCRUt2T2D的正向电压的正向电压-0.75V-0.75V（t0tt1，uI0）dt1I11OuCRU10 I11Odt1ttuCRU11I 0 I1|dt11TCRuuCRT式中：式中：T1=t1-t0,t0=0,uI0。（t t=t t2 2）21 REF11O1Odt1ttUCRUU2 0 REF11Odt1TUCRu021REF1OTCRUU21REF1OTCRUU(式式7.3.4)第三节第三节 A/D转换器转换器=11ITCRu|21TCRUREF1I2TUuTREF|CIC22 TUuTTnREF|nUu2IREF|七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器U02U01斜率斜率1iCRuU01t0t1T1（常数）斜率斜率1REFCRut2T2D的正向电压的正向电压-0.75V-0.75V将式（将式（7.3.2）代入式（）代入式（7.3.4）得）得第三节第三节 A/D转换器转换器 八、集成八、集成A/D转换器及其应用转换器及其应用ALEADDCADDBADDA地址地址译码译码与与锁存锁存8路路模模拟拟开开关关器器IN0 IN1 IN2IN3 IN4 IN5 IN6 IN78路路模模拟拟输输入入 8路模拟输入信路模拟输入信号选择哪一路进行号选择哪一路进行转换，要靠多路选转换，要靠多路选择器来完成。择器来完成。例：例：ADDC=1 ADDB=1 ADDA=0 的情况的情况 1101IN6逐次比较寄存器逐次比较寄存器 8位逐次比较寄位逐次比较寄存器共可记录存器共可记录28=256 种不用状态。种不用状态。树状开关树状开关 开关树输出开关树输出UREF也也有有256个参考电压，将个参考电压，将UREF送入比较器与输入送入比较器与输入模拟电压模拟电压uI进行比较进行比较。ADC0809是是8位位CMOS逐次比较型逐次比较型A/D转换器，具转换器，具有有8个输入通道，可直接选通个输入通道，可直接选通8路模拟量进行转换。路模拟量进行转换。输出设有三态输出设有三态TTL锁存缓冲器，便于和各种微处理锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。机接口。ADC0809的主要组成部分有的主要组成部分有8路模拟开关、地址译路模拟开关、地址译码、码、256个电阻组成的电阻网络和开关树、个电阻组成的电阻网络和开关树、8位逐次比较位逐次比较寄存器、寄存器、8位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制电路。电路。另外，另外，A/D转换器的新产品也时有出现，如用于高精度音转换器的新产品也时有出现，如用于高精度音频信号处理的频信号处理的-型型A/D转换器等转换器等。1.常用的常用的D/A转换器有权电阻型和转换器有权电阻型和R-2R网络型两种电路。网络型两种电路。由于由于R-2R 网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，多为集成度，多为集成D/A转换器所采用转换器所采用。2.常用的常用的A/D转换器有双积分、逐次比较和并行比较型三种。转换器有双积分、逐次比较和并行比较型三种。双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低；但转换速率低；逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度适中；逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度适中；并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰。并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰。小小 结结自我检测：自我检测：7.2，7.6，7.10，7.11，7.12思考题：思考题：7.2，7.6，7.7，7.9，7.12，7.13 习题：习题：7.2，7.4，7.6，7.9，7.10作作 业业