AD和DA转换简介

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,A/D,与,D/A,转换,Digital Electronics Technology,1,问题的提出,当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、电压、电流等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连续变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。,A/D,转换器完成模拟量数定量的转换，,D/A,转换器完成数字量模拟量的转换。,传感器,(,温度、电压、电流等模拟量）,A/D,计算机,（数字量）,显示器,D/A,执行部件,（模拟量控制）,打印机,能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称,A/D,转换器或,ADC,。,能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称,D/A,转换器或,DAC,。,A/D,和,D/A,是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口,.,2,A/D,转换电路,工 作 原 理,电 路 类 型,技 术 指 标,1,2,3,3,工作原理,模拟量输入,数字量输出,A/D,转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程由,采样、保持、量化和编码,四个步骤完成。,V,in,采样,保持,量化,编码,D,out,4,工作原理,采样是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。,采样脉冲,输入模拟信号,采样输出信号,1.,采样和保持,采样过程,5,工作原理,模拟信号经采样后，得到一系列,样值脉冲,。采样脉冲宽度,一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加,保持电路,。,在采样脉冲,S(t,),到来的时间,内，,VT,导通，,U,I,(t),向电容,C,充电，假定充电时间常数远小于,，,则有：,U,O,(t),U,S,(t),U,I,(t),。,采样,采样结束，,VT,截止，而电容,C,上电压保持充电电压,U,I,(t),不变，直到下一个采样脉冲到来为止。,保持,取样保持电路及输出波形,6,工作原理,输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是,阶梯波,。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但,n,位数字量只能表示,2,n,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。,2.,量化和编码,将采样后的样值电平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,量化电平,U,q,用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为,编码,。两个量化电平之间的差值称为,量化单位,，位数越多，量化等级越细，,就越小。取样保持后未量化的,U,o,值与量化电平,U,q,值通常是不相等的，其差值称为,量化误差,，即,=,U,o,-,U,q,。,量化的方法一般有两种：,只舍不入法,和,有舍有入法,。,7,工作原理,1),只舍不入法,当,U,o,的尾数,时，舍尾取整。这种方法,总为正值，,max,。,2),有舍有入法,当,U,o,的尾数,/2,时，舍尾取整；当,U,o,的尾数,/2,时，舍尾入整。这种方法,可正可负，但是,|,max,|=,/2,。因此，它的误差要小。,8,电路类型,A/D,转换器有,直接转换法,和,间接转换法,两大类。,直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而,直接,将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接,A/D,转换器有,并行比较型、逐次逼近型、计数型,等。,间接法是将取样后的模拟信号先转换成,中间变量,时间,t,或频率,f,然后再将,t,或,f,转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接,A/D,转换器有,单次积分型、双积分型,等。,9,电路类型,（,1,）,并行比较型,寄存器：,由七个,D,触发器构成。在时钟脉冲,CP,的作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。,编码器：,由六个与非门构成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码,D2,、,D1,、,D0,。编码网络的逻辑关系为：,并行,ADC,原理图,10,电路类型,并行比较型,A/D,转换器的转换关系,11,电路类型,例如：假设模拟输入,U,IN,=3.8V,，,U,R,=8V,。当模拟输入,U,IN,=3.8V,加到各级比较器时，由于,因此，比较器的输出,C,6,C,0,为。在时钟脉冲作用下，比较器的输出存入寄存器，经编码网络输出,A/D,转换结果：,D,2,D,1,D,0,=100,。,优点：,转换速度很快。,缺点：,电路复杂，转换精度较低。,适用于,高速， 精度较低,的场合,12,电路类型,逐次逼近型,A/D,转换器原理图,（,2,）逐次逼近型,13,电路类型,转换开始前先将逐次逼近寄存器,SAR,清“,0”,；,开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器,最高位置成,1,，使输出数字为,1000,。这个数码被,D/A,转换器转换成相应的模拟电压,u,o,，经偏移,/2,后得到,u,O,u,O,/2,，并送到比较器中与,u,I,进行比较。若,u,I,u,o,，说明数字过大，故将最高位的,1,清除置零；若,u,I,u,o,，说明数字还不够大，应将这一位保留。,然后，按同样的方法将次高位置成,1,，并且经过比较以后确定这个,1,是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，,SAR,中的状态就是所要求的数字量输出。,逐次逼近型,A/D,转换器的工作原理：,14,电路类型,例：若,U,REF,4V,，,n,4,。当采样保持电路输出电压,u,I,=2.49V,时，说明逐次逼近型,ADC,电路的,A/D,转换过程。,解：量化单位为,偏移电压为,/2,0.125V,转换的结果为：,d,3,d,2,d,1,d,0,1010,。,15,电路类型,CLR,V,REF,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,Q,0,Q,1,Q,2,Q,3,Q,4,Q,5,Q,6,Q,7,v,I,v,O,+,-,八位,DAC,八位计数器,启动开关,T,八,D,触发器,数据输出,时钟,10k,+5V,CP,A,&,DAC,的输出电压随着计数器所计数字的增加而增加。当,DAC,输出电压,v,O,刚刚超过输入电压,v,I,时，比较器的输出由高电平变为低电平，与门被禁止，计数器停止计数。此时计数器所计数字恰好与输入电压,v,I,相对应，在比较器输出由高电平变为低电平时，计数器的输出被送入位,D,触发器。这时，位,D,触发器的输出就是与输入模拟电压,v,I,相对应的二进制数输出量。,（,3,）计数型,16,基于双因子对角加载的自适应波束形成,(DFDL),（,4,）双积分型,积分,ADC,属于电压,时间变换的间接,A/D,转换器。其对一段时间内的输入电压及参考电压进行两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔；在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲进行计数，计数结果就是正比于输入模拟信号的数字信号输出。,17,技术指标,分辨率,=,1.,分辨率,分辨率指,A/D,转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个,n,位二进制数输出的,A/D,转换器应能区分输入模拟电压的,2,n,个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为,（满量程输入的,1/2,n,）。,例如，,A/D,转换器的输出为,12,位二进制数，最大输入模拟信号为,10V,，则其分辨率为,18,2.,转换时间,转换时间是指,A/D,转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。,A/D,转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型,A/D,转换器的转换速度相差很大。,双积分型,A/D,转换器的转换速度,最慢,，需,几百毫秒,左右；,逐次逼近式,A/D,转换器的转换速度,较快,，需,几十微秒,；,并行比较型,A/D,转换器的转换速度,最快,，仅需,几十纳秒,时间。,技术指标,19,3.,转换误差,它表示,A/D,转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用,最低有效位的倍数,表示。,例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。,例：某信号采集系统要求用一片,A/D,转换集成芯片在,1s,内对,16,个热电偶的输出电压分数进行,A/D,转换。已知热电偶输出电压范围为,0,25mV,（对应于,0,450,温度范围），需分辨的温度为,0.1,，试问应选择几位的,A/D,转换器？其转换时间为多少？,解：,分辨率,=,12,位,ADC,的分辨率,=,故需选用,13,位,A/D,转换器。,转换时间,=,技术指标,20,D/A,转换电路,工 作 原 理,电 路 类 型,技 术 指 标,1,2,3,21,工作原理,D/A,转换器是将输入的,二进制数字量转换成模拟量,，以电压或电流的形式输出。,D/A,转换器实质上是一个,译码器,（解码器），其输出模拟电压,u,O,和输入数字量,D,n,之间成,正比关系,，,U,REF,为参考电压。,u,O,D,n,U,REF,22,工作原理,D/A,转换器一般由,数码缓冲寄存器,、,模拟电子开关,、,参考电压,、,解码网络,和,求和电路,等组成。,数码缓冲寄存器,n,位数控模拟开关,解码网络,n,位数字量输入,模拟量输出,求和电路,参考电压,n,位,D/A,转换器方框图,数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。,23,电路类型,1.,权电阻型,D/A,转换器,模拟开关，受,D,i,控制。,D,i,=1,时，模拟开关左拨；,D,i,=0,时，模拟开关右拨。,权电阻网络,求和放大器,MSB,LSB,24,电路类型,虚断,运算放大器总的输入电流为,运算放大器输出电压为,令,R,F,=R/2,，则,即：输出的模拟电压,u,O,正比于输入的数字量,D,n,，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,25,电路类型,因而,u,O,的变化范围是,当,D,n,=,D,n,-1,D,0,=0,时，,u,O,=0,；,当,D,n,=,D,n,-1,D,0,=111,时， 。,权电阻网络,D/A,转换器的特点,优点：结构简单，电阻元件数较少；,缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。,26,电路类型,2.,倒,T,形电阻网络,D/A,转换器,模拟量输出,求和点,倒,T,型电阻网络,D/A,转换器原理图,电阻解码网络中，电阻只有,R,和,2R,两种，并构成倒,T,型电阻网络。当,d,i,=1,时，相应的开关,S,i,接到求和点；当,d,i,=0,时，相应的开关,S,i,接地。由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻,2R,总是与地相连。这样，倒,T,型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是,2R,，整个网络的等效输入电阻为,R,。,27,电路类型,参考电压,U,REF,供出的总电流为：,分流：,流入求和点的各支路电流为：,28,电路类型,流入求和点的电流为：,虚断,，运算放大器的输出电压为：,29,电路类型,倒,T,型电阻网络,D/A,转换器的特点：,优点：电阻种类少，只有,R,和,2R,，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。,应用：它是目前集成,D/A,转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如,8,位,D/A,转换器,DAC0832,，就是采用倒,T,型电阻网络。,令,R,F,=R,，则,即：输出的模拟电压,u,O,正比于输入的数字量,D,n,，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,30,技术指标,分辨率用于表征,D/A,转换器对输入微小量变化的敏感程度。,分辨率,分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分辨率与输入数字量的位数有关，,n,越大，分辨率越高。,D/A,转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的位数,n,表示,D/A,转换器的分辨率；,可用,D/A,转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。,0,5/7,5,001,010,011,100,101,110,111,v,o,/V,D,000,1.,分辨率,31,基于双因子对角加载的自适应波束形成,(DFDL),2.,转换精度,D/A,转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。,3.,转换速度,从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差,0.5LSB,范围内所需要的时间，称为建立时间,t,set,。目前单片集成,D/A,转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到,0.1,微秒以内。,4.,温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高,1,，输出电压变化的百分数作为温度系数。,32,谢谢大家！,33,