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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,*,*,*,6.3 D/A 转 换 器,6.4 A/D 转 换 器,专用集成电路设计,11/13/2024,1,6.3 D/A 转 换 器6.4 A/D 转 换 器,一、数模和模数转换的概念和作用,数模转换,即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,D,igital-,A,nalog,C,onverter,，,简称,D/A 转换器或 DAC。,模数转换,即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,A,nalog-,D,igital,C,onverter,，,简称 A/D 转换器或 ADC。,11/13/2024,2,一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换即将数字量转换为,为何要进行数模和模数转换？,11/13/2024,3,为何要进行数模和模数转换？10/6/20233,二、数模和模数转换器应用举例,数字,信号,物理量,模拟信号,压力传感器,温度传感器,流量传感器,四,路,模,拟,开,关,数,字,控,制,计,算,机,DAC,模拟控制器,模拟控制器,液位传感器,DAC,DAC,模拟控制器,模拟控制器,生 产 控 制 对 象,DAC,ADC,二、数模和模数转换器应用举例,11/13/2024,4,二、数模和模数转换器应用举例数字物理量模拟信号压力传感器温度,D/A转换器即数/模转换器(Digital to Analog Converter),其任务是将数字量转换为模拟量。,D/A转换器广泛用于信号处理中，如数字存储示波器的示波管显示器、增益控制、精密衰减器，精密数控电源，直接数字频率合成器等等。,6.3 D/A 转 换 器,11/13/2024,5,D/A转换器即数/模转换器(Digital to Anal,D/A转换器的类型(分类）：4 类,11/13/2024,6,D/A转换器的类型(分类）：4 类10/6/20236,6.3.1 D/A转换器原理,D/A转换器的原理框图如下图6-15 所示。其中，b,1,b,N,为N位数字量输入，,U,r,ef,为参考电压。输出模拟量为：,U,o,=,K,D,U,r,ef,，,K,为比例因子，,D,为：,故，,11/13/2024,7,6.3.1 D/A转换器原理10/6/20237,图 6-16 D/,A,转换器输入输出理想特性,当输入数字量最低位变化时，对应的模拟量跳一个台阶，输出为阶梯波信号。,11/13/2024,8,图 6-16 D/A转换器输入输出理想特性,2.D/A转换器的主要技术指标,1)代表精度的指标位数(bit数)分辨率,阶梯波台阶电压,：,2)代表速度的指标转换时间时钟频率,即从数字信号输入D/,A,转换器到输出电压达到稳态值所需要时间，该时间决定了D/,A,转换器的转换速度。实际上，D/,A,转换要按时钟节拍工作。通常用最高时钟频率来表达D/,A,转换器的工作速度。,3)静态误差,所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有失调误差、增益误差、非线性误差等。,11/13/2024,9,2.D/A转换器的主要技术指标 阶梯波台阶电压：2,1.例置,R,-2,R,梯形D/,A,转换器,1)电路,倒置,R,-2,R,梯形D/,A,转换器电路如图 6-18 所示。该电路的优点是电阻类型少，只有,R,和2,R,两种，易实现。,6.3.2 D/A转换器电路,图 6-18 倒置,R,-2,R,梯形D/,A,转换器,11/13/2024,10,1.例置R-2R梯形D/A转换器,I,I,3,I,2,I,1,I,0,V,REF,2,R,2,R,I,0,2,R,I,1,2,R,I,2,2,R,I,3,R,R,R,A,B,C,从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2,R,。,11/13/2024,11,II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI,由图可见，输出电压,U,o,为：,U,o,=-,R,F,I,o,而,I,o,视开关S,1,S,N,的状态而定。,S表示数字量控制开关，当数字量为“0”时，开关接地，电流不流入运放;,只有当数字量为“1”时，开关接到运算放大器的虚地点，其电流才流入运放而产生输出,。,各电流关系为：,I,1,=2,I,2,=2,2,I,3,=2,N,-1,I,N,2)工作原理,11/13/2024,12,由图可见，输出电压Uo为：Uo=,模拟量输出为,若,N,=3,且数字字(即数字输入代码)为“110”，,R,F,=,R,那么,流入运放总电流为：,11/13/2024,13,模拟量输出为 若N=3,且数字字(即数字输入代码)为“11,如下图，数字字,b,1,b,N,通过两级非门构成的分相电路变成,b,i,和,b,i,，然后分别去控制两个传输门构成的开关。,当,b,1,=“1”，,b,1,=“0”时，传输门导通，将S,i,接到虚地点Q。反之，当,b,1,=“0”,b,1,=“1”时，传输门导通，截止，将,S,i,接到地。,图 6 19 D/A转换器的开关电路,3)开关电路,2选1电路,11/13/2024,14,如下图，数字字b1bN通过两级非门构成的,1)电路,如下图所示，该电路由电容网络与一组开关组成，并由两相不重叠时钟控制。,2.权电容D/,A,转换器,2)工作原理,(1),当,1,=“1”时,，终端电容被短路，其它电容下端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为0。称此阶段为“复位期”。,11/13/2024,15,1)电路2.权电容D/A转换器 2)工作,(2),当,1,=“0”时,，电路进入工作期，有两种情况：,2,=“0”,，所有受,2,控制的开关打开，电容下端悬空，,U,o,=0。,2,=“1,”，则:,若,b,i,=“1”，,b,i,=“0”,则受,2,b,i,控制的开关闭合，相应的电容下端被接到参考电压,U,r,ef,。,若,b,i,=“0”，,b,i,=“1”,则受,2,b,i,控制的开关闭合，相应的电容下端被接地。,11/13/2024,16,(2)当1=“0”时，电路进入工作期，有两种情况：1,(3),等效电路,。电容分压的等效电路如下图。,图中,C,eq,代表对应,b,i,=“1”被接到参考电压,U,r,ef,的电容之和,，2,C,代表电路中所有电容之和，,那么(2,C,-,C,eq,)代表对应,b,i,=“0”即接地电容之和。,根据串联电容上电荷相等的原理，有：,U,A,(2,C,-,C,eq,)=(,U,r,ef,-,U,A,),C,eq,则,：,图 6-22 电容分压等效电路,11/13/2024,17,(3)等效电路。电容分压的等效电路如下图。则：,3)开关电路,受,2,控制的开关电路如图 6-23 所示。,图 6-23 权电容D/,A,转换器中的开关,b,i,2,=1，时传输门I导通,b,i,2,=0，时传输门II导通,11/13/2024,18,3)开关电路图 6-23 权电容D/A转换器中的开关,3.开关树D/,A,转换器,1)电路,用2,N,个电阻串和开关树组成。,该电路电阻数为2,N,个，其中,N,为位数。这种电路中所有的电阻均相同，开关也相同，实现起来比较容易,但电阻多，开关也多，所占硅片面积比较大，而且转换器对寄生电容敏感，导致信号延迟。,11/13/2024,19,3.开关树D/A转换器 该电路电阻数为2N个，,2)原理,(1)分压定标。,该电路共有2,N,个电阻，且所有电阻相等，电阻串对参考电压,U,r,ef,分压。对第i个电阻分割点的电压,U,i,为,到底是哪个电阻分割点的电压输出，则由开关树决定。,11/13/2024,20,2)原理到底是哪个电阻分割点的电压,图 6-26 开关电路,3)开关电路,11/13/2024,21,图 6-26 开关电路 3)开关,常用的集成,DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524,等，这里仅对,DAC0832,作简要介绍。,1.,D/A转换器DAC0832,DAC0832是CMOS工艺，8位D/A转换器芯片，20脚双列直插封装。逻辑电平输入与TTL兼容。有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。可与单片机或微处理器直接接口，也可单独使用。,集成D/A转换器及其应用,11/13/2024,22,常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、D,11/13/2024,23,10/6/202323,11/13/2024,24,10/6/202324,11/13/2024,25,10/6/202325,DAC0832 D/A转换器输出与输入的关系,（设,V,REF,=10V）,11/13/2024,26,DAC0832 D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=,2.8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7520 简介,数据锁存器,20 k,20 k,20 k,20 k,20 k,10 k,10 k,10 k,10 k,V,DD,V,REF,15,12,13,CS,WR,4,5,6,11,D,7,(,MSB,),D,6,D,5,D,0,(,LSB,),S,0,S,1,S,2,S,7,OUT,1,1,2,3,16,i,R,FB,OUT,2,GND,基准电压输入端,V,REF,可正可负,片选控制端,电源电压范围+5 V +15 V,8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。,接地端,内部反馈电阻,R,F,的引出端,两个输出端，一般将,OUT,2,接地，,OUT,1,接运放反向端。,写信号控制端,11/13/2024,27,2.8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA75,解：,当,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,=,11111111,时，输出为满度值。,u,O,=,-,U,FSR,-,9.961 V。,例,右图为,CDA7524 的单极性,输出应用电路。图,中电位器,R,1,用于调,整运放增益，电容,C,用以消除运放的,自激。已知,U,LSB,=,V,REF,/256，试求满,度输出电压及满度,输出时所需的输入,信号。,CDA7520,4,5,7,8,9,10,6,11,12,13,D,7,D,6,D,4,D,3,D,2,D,1,D,5,D,0,CS,3,14,V,DD,15,16,1,2,V,REF,=,10V,+,+,-,OUT,1,OUT,2,u,O,C,2 k,R,2,R,1,1 k,15 pF,WR,11/13/2024,28,解：当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0=,8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于R2RT型电阻网络型。,刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品。,11/13/2024,29,8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都,6.4 A/D 转 换 器,1.A/D转换器的原理及特性,A/D转换器的功能是将模拟量转换为数字量，是数字化过程的第一步，也是数字化的必经之路,。,数字化过程一般包括以下三个步骤：,取样保持(S/H)：要是获取模拟信号某一时刻的样品，并在一定时间内保持这个样品值不变。,量化：将取得样品值量化为用“0”、“1”表示的数字量。,编码：将量化后的数字量按一定规则编码成数据流，以便进一步存储与处理。,11/13/2024,30,6.4 A/D 转 换 器 1.A/D转换器的原理及,A/D,转换的一般步骤,11/13/2024,31,A/D 转换的一般步骤 10/6/202331,图中，量化器就是一系列加不同参考电平的电压比较器，当输入电压高于该比较器的
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