AD与DA转换器课件

ADC&DACADC&DAC1 D/A1 D/A转换器转换器(DAC)(DAC)完成从数字信号（抽象的有限精度的数字，通常是完成从数字信号（抽象的有限精度的数字，通常是定点二进制数）到模拟信号（具体的物理量，如电定点二进制数）到模拟信号（具体的物理量，如电压、电流压、电流）的转换。）的转换。基本工作原理图：基本工作原理图：n位数位数字量字量输入输入 Din模拟模拟量输量输出出 UA基准电压基准电压 Uref数码数码寄存器寄存器n位位模拟开关模拟开关解码解码网络网络求和求和电路电路1 D/A转换器(DAC)完成从数字信号（抽象的有限精度1ADC&DACADC&DACDAC的转换特性的转换特性000001010011100101110111DinUAUOMUO1UO2 图中，一个图中，一个3-bit 二进制数字对二进制数字对应一个具体的电压，应一个具体的电压，这些电压是平均分这些电压是平均分布的。布的。DAC的转换特性00000101001110010111012ADC&DACADC&DAC按解码网按解码网络分类：络分类：T形电阻网络形电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流电阻网络权电流电阻网络DAC权电阻网络权电阻网络DAC分段式分段式DAC乘法式乘法式DAC按解码网络分类：T形电阻网络DAC3ADC&DACADC&DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC4位位DAC的转换原理的转换原理数字值输入数字值输入模拟电模拟电压输出压输出解码解码网络网络倒T形电阻网络DAC4位DAC的转换原理数字值输入模拟电压输4ADC&DACADC&DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DACDi=1：Si接运放反相端；接运放反相端；Di=0：Si接运放同相端接运放同相端电位为电位为0电位为电位为0电阻两端电压恒定，流经电电阻两端电压恒定，流经电阻的电流也恒定。阻的电流也恒定。倒T形电阻网络DACDi=1：Si接运放反相端；Di=0：5ADC&DACADC&DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC数字值输入数字值输入模拟电模拟电压输出压输出dcba等效等效电阻：电阻：Rd=RRc=RRb=RRa=RI3I2I1I0II倒T形电阻网络DAC数字值输入模拟电压输出dcba等效电阻6ADC&DACADC&DAC设数字值各位用设数字值各位用Di表示，表示，代入代入得得（Di=0 或或 1）输出模拟电压输出模拟电压n位位DACkB设数字值各位用Di表示，代入得（Di=0 或 1）输出模拟7ADC&DACADC&DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A计算计算（0）（1）（1）（0）dcbaI3I2I1I0II例：例：倒T形电阻网络D/A计算（0）（1）（1）（0）dcbaI38ADC&DACADC&DACn位位DAC的模拟输出电压的模拟输出电压 VO=-k B 输入最大数字值输入最大数字值B为全为全1时，有最大模拟电压输出时，有最大模拟电压输出（亦称（亦称满量程输出值满量程输出值）例：例：已知已知4位倒位倒T型型DAC，输入数字量为，输入数字量为1101，VREF=-8V，Rf=R，则输出模拟量，则输出模拟量VO=?解：解：输入输入1个个LSB时，电压输出时，电压输出n位DAC的模拟输出电压 VO=-k B例：9ADC&DACADC&DAC主要技术指标主要技术指标（1 1）转换精度（常用分辨率和转换误差来描述）转换精度（常用分辨率和转换误差来描述）分辨率：分辨率：D/AD/A转换器模拟输出电压可能被分离的转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。等级数。p用输入数字量的位数表示，如用输入数字量的位数表示，如8 8位，位，1010位位。p或用或用 表示，即表示，即 分辨力：分辨力：DAC分辨最小电压（电流）的能力分辨最小电压（电流）的能力，即，即输入变化输入变化1LSB1LSB所对应输出的电压或电流的变化量。所对应输出的电压或电流的变化量。最小输出电压最小输出电压最大输出电压最大输出电压12n-1主要技术指标（1）转换精度（常用分辨率和转换误差来描述）最小10ADC&DACADC&DAC例：某倒例：某倒T T型型DACDAC的满度输出电压的满度输出电压U UOMOM为为10V10V，试问需要，试问需要多少位代码，才能使最小分辨力达到多少位代码，才能使最小分辨力达到2mV2mV。（设。（设R Rf f/R/R为为1 1）解：解：取上限，取上限，n=13例：某倒T型DAC的满度输出电压UOM为10V，试问需要多少11ADC&DACADC&DAC主要技术指标主要技术指标转换误差：含比例系数误差、失调误差、非线性误转换误差：含比例系数误差、失调误差、非线性误差差（2 2）转换速度）转换速度l建立时间：输入数字量变化到输出模拟电压稳定所需的建立时间：输入数字量变化到输出模拟电压稳定所需的时间。时间。l转换速率：大信号工作状态下，模拟电压的变化率表示。转换速率：大信号工作状态下，模拟电压的变化率表示。主要技术指标转换误差：含比例系数误差、失调误差、非线性误差12ADC&DACADC&DACD/A转换器的输出方式转换器的输出方式常用常用D/A转换器绝大部分是转换器绝大部分是数字电流转换器数字电流转换器，输，输出量是电流（即只有解码网络和模拟开关）。应出量是电流（即只有解码网络和模拟开关）。应用时增加输出电路将电流转换成电压。（运放）用时增加输出电路将电流转换成电压。（运放）单极性电压输出单极性电压输出vO=-i Rf倒倒T型电型电阻网络阻网络D/A转转换器换器Vref+RfiD0D1Dn-1vO单极性电压输单极性电压输出出反相输出，反相输出，输入数字量采输入数字量采用自然二进制用自然二进制码时，对应的码时，对应的输出电压从输出电压从0V到负的满度值到负的满度值变化变化D/A转换器的输出方式常用D/A转换器绝大部分是数字电流转换13ADC&DACADC&DAC倒倒T型电型电阻网络阻网络D/A转转换器换器Vref+R2iD0D1Dn-1vOR1RvO=iR(1+R2/R1)单极性电压输出单极性电压输出同相同相输出，输入数字量采用输出，输入数字量采用自然二进制码时，对应自然二进制码时，对应的输出电压从的输出电压从0V到正的到正的满度值变化满度值变化倒T型电阻网络D/A转换器Vref+R2iD0D1Dn-14ADC&DACADC&DAC双极性电压输出双极性电压输出 若输入是正负数字量，就要求对应正负电压输出，常用编码若输入是正负数字量，就要求对应正负电压输出，常用编码有：有：2 2的补码，偏移二进制码及符号的补码，偏移二进制码及符号-数值码（数值码（SMSM码）码）数字值与模拟量的对应关系（数字值与模拟量的对应关系（8 8位）位）双极性电压输出15ADC&DACADC&DAC双极性电压输出双极性电压输出数字与模拟量的关系数字与模拟量的关系十进制十进制数数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模拟量模拟量D7D6D0D7D6D0vO/VLSB1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 012610 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 1100 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 00-11 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1-1-1271 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1-127-1281 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0-128VLSB=Vref/2560值从值从0偏移至偏移至80H，128的的是正数，是正数，128的是负数。的是负数。单极性单极性8位位D/A转换器的输出转换器的输出电压减去电压减去（Vref/2），可），可得正确的偏移得正确的偏移二进制码输出。二进制码输出。双极性电压输出数字与模拟量的关系十进制数2的补码偏移二进制16ADC&DACADC&DAC典型器件典型器件AD7520典型典型10bit DAC采用采用CMOS电子开关电子开关与与TTL电平兼容电平兼容电源电压范围：电源电压范围：515V 采用采用R-2R电阻网络电阻网络 典型器件AD7520典型10bit DAC采用CMOS17ADC&DACADC&DACD/A转换器在波形发生中的应用转换器在波形发生中的应用10可逆计数器可逆计数器AD7520D0D1D9Vref+vO1RfIOUT1IOUT2AD7520D0D1D9Vref+vO2RfIOUT1IOUT2Q0Q1Q9CPUP/DNUP/DN控制控制CLK10D/A转换器在波形发生中的应用10可逆计数器AD7520D18ADC&DACADC&DAC2 A/D2 A/D转换器转换器(ADC)(ADC)多数信号处理电路都需要将输入的模拟信号转换为数字信多数信号处理电路都需要将输入的模拟信号转换为数字信号处理。号处理。功能框图功能框图采样采样保持保持量化量化编码编码模拟模拟信号信号输入输入数字数字信号信号输出输出2 A/D转换器(ADC)多数信号处理电路都需要将输入的19ADC&DACADC&DAC采样和保持采样和保持vI(t)vO(t)S(t)fs2fimax fimax输入信号中的最高频率分量输入信号中的最高频率分量时间离散的模拟量时间离散的模拟量时间幅度连续的模时间幅度连续的模拟量拟量S采样过程采样过程采样和保持vI(t)vO(t)S(t)fs2fimax 20ADC&DACADC&DAC采样及保持原理框图采样及保持原理框图保持的目的是为了后续的量化编码过程提供一个稳定值。保持的目的是为了后续的量化编码过程提供一个稳定值。采样保持电路一般是一体的。原理图采样保持电路一般是一体的。原理图前置电路前置电路vIS开关驱开关驱动电路动电路后续电路后续电路CHvO保持电容保持电容采样采样保持保持采样及保持原理框图保持的目的是为了后续的量化编码过程提供一个21ADC&DACADC&DAC量化与编码量化与编码量化：将采样量化：将采样保持电路的输出电压按某种近似方式归化到与之相应保持电路的输出电压按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。的离散电平上。编码：量化后的数值须通过一个编码过程用代码表示出来。（二进制编码：量化后的数值须通过一个编码过程用代码表示出来。（二进制编码）编码）VrefVID0D1D(n-1)编码编码VOVref：参考电压，被等分：参考电压，被等分成成2n份，每一份是一个份，每一份是一个量量化单位化单位，用，用表示，对应表示，对应于数字值于数字值00010001，也称，也称1 1个个LSBLSB。（此处参考电压。（此处参考电压是单极性，即输入电压范是单极性，即输入电压范围为围为V Vrefref）VI：采样保持输出电压，在：采样保持输出电压，在量化电路中与量化单位比较，量化电路中与量化单位比较，归化为用归化为用m个个表示的量化表示的量化值，编码电路求出值，编码电路求出m m对应的对应的二进制编码。二进制编码。量化量化量化与编码量化：将采样保持电路的输出电压按某种近似方式归化22ADC&DACADC&DAC量化方式量化方式（1）截断式：舍去量化计算）截断式：舍去量化计算后的结果的小数部分后的结果的小数部分（2）舍入式：对量化值小）舍入式：对量化值小数部分数部分 vO，则，则vC=1202n-1逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制31ADC&DACADC&DAC逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器D/A转换器转换器控制逻控制逻辑电路辑电路电压电压比较器比较器 vIVrefCLKDn-1=1Dn-2D1D0模拟模拟量输量输入入启动启动脉冲脉冲vCvM1 00 0若若vI vO，则，则vC=1202n-1逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制32ADC&DACADC&DAC逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器D/A转换器转换器控制逻控制逻辑电路辑电路电压电压比较器比较器 vIVrefCLKDn-1=0Dn-2D1D0模拟模拟量输量输入入启动启动脉冲脉冲vCvM0 00 0若若vI vO，vC=1CP2，将移位寄存器的第，将移位寄存器的第n-2位置位置1（vI Vref）202n-1逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制34ADC&DACADC&DAC逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器D/A转换器转换器控制逻控制逻辑电路辑电路电压电压比较器比较器 vIVrefCLKDn-1=1Dn-2=0D1D0模拟模拟量输量输入入启动启动脉冲脉冲vCvM1 00 0CP2（vI Vref）若若vI vO，vC=0202n-1逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制35ADC&DACADC&DAC逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器D/A转换器转换器控制逻控制逻辑电路辑电路电压电压比较器比较器 vIVrefCLKDn-2=1D1D0模拟模拟量输量输入入启动启动脉冲脉冲vCvM0 10 0l CP2（vI vO，vC=1Dn-1=0202n-1逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制36ADC&DACADC&DAC逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器D/A转换器转换器控制逻控制逻辑电路辑电路电压电压比较器比较器 vIVrefCLKDn-2D1D0模拟模拟量输量输入入启动启动脉冲脉冲vCvM0 10 0若若vI vO，vC=0Dn-1=0202n-1l CP2（vI Vref）逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制37ADC&DACADC&DAC逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器D/A转换器转换器控制逻控制逻辑电路辑电路电压电压比较器比较器 vIVrefCLKDn-2=0D1D0模拟模拟量输量输入入启动启动脉冲脉冲vCvM0 00 0若若vI vO，vC=0Dn-1=0202n-1l CP2（vI Vref）依此类推，经过依此类推，经过n个时钟后，转换完成。个时钟后，转换完成。逐次比较型A/D转换器移位寄存器数据寄存器D/A转换器控制38ADC&DACADC&DACADC 技术指标技术指标（1）转换精度）转换精度分辨率：分辨率：n（）输出数字量的位数表达，）输出数字量的位数表达，8位、位、10位、位、12位位n（）用量化单位（）用量化单位，即能区分输入电压的最小值来，即能区分输入电压的最小值来表达。表达。转换误差：以输出误差的最大值形式给出。常用最低有转换误差：以输出误差的最大值形式给出。常用最低有效位的倍数表示。效位的倍数表示。（2）转换时间）转换时间从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。号所经过的时间。并行并行A/D转换速度最高转换速度最高ADC 技术指标（1）转换精度39ADC&DACADC&DACAD与DA转换器课件40谢谢！谢谢！41谢谢！414242