第9章 DA转换器和AD转换器

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,*,第,9,章,D/A,转换器和,A/D,转换器,内容提要：,（1）,D/A,、,A/D,转换器的概念、基本工作原理。,（2）集成,D/A,、,A/D,转换器的应用。,1,9.1,概述,主要内容：,D/A,、,A/D,转换器的概念,D/A,、,A/D,转换器的实际举例,2,1,D/A,、,A/D,转换器的概念,能将模拟量转换为数字量的电路称为,模数转换器,，简称,A/D,转换器,或,ADC,；,能将数字量转换为模拟量的电路称为,数模转换器,，简称,D/A,转换器,或,DAC,。,2,D/A,、,A/D,转换器的实际举例,如图为一个锅炉加热信号采集和控制系统,3,4,9.2 D/A,转换器,主要内容,D/A,转换器的电路结构框图,二进制权电阻网络,D/A,转换器,倒,T,型电阻网络,D/A,转换器,D/A,转换器的模拟输出与数字输入之间的关系,D/A,转换器的,3,个主要技术参数,集成,ADC0832,及其应用,5,9.2.1 D/A,转换器的电路结构,1.D/A,转换器的基本原理和转换特性,基本原理：,将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。,转换特性：,是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。,理想,D/A,转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比,:,6,理想转换特性：,7,2,D/A,转换器的电路结构框图,8,9.2.2,二进制权电阻网络,D/A,转换器,电路结构,不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（,虚地,）还是接到,地,，也就是不论输入数字信号是,1,还是,0,，,各支路的电流是不变的,。,9,10,设,R,F,R/2,，,输出电压的最大变化范围是,:,0,。,11,例,9-1,4,位二进制权电阻网络,DAC,如上图所示，设基准电压,U,REF,=,8V,，,R,F,=R/2,，试求输入二进制数,D,3,D,2,D,1,D,0,=,1001,时的输出电压值。,解：,将,D,3,D,2,D,1,D,0,=,1001,代入公式得,12,例,9-2,接例,9-1,，求输入二进制数为,0000,1111,时的输出电压值，并绘制出输出与输入之间的关系曲线。,解：,D,3,D,2,D,1,D,0,u,o,(V),D,3,D,2,D,1,D,0,u,o,(V),0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,关系曲线,13,输出电压值,14,9.2.3,倒,T,型电阻网络,D/A,转换器,R,2R,倒,T,形电阻网络,D/A,转换器如图所示。,分别从虚线,A,、,B,、,C,、,D,处向右看的二端网络等效电阻,都是,R,。,不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（,虚地,）还是接到,地,，也就是不论输入数字信号是,1,还是,0,，,各支路的电流不变,。,15,该公式可推广到,n,位！,基准电源,U,REF,提供的总电流,I,REF,=,？,16,例,9-3,4,位,R,2R,倒,T,形电阻网络,DAC,如上图所示，设基准电压,U,REF,=-8V,，,R,F,=R,，试求其最大输出电压值。,解：,将,D,3,D,2,D,1,D,0,=1111,代入,17,例,已知转换电路中，当输入数字量为,10000000,时，输出电压为，则当输入为,01010000,时，其输出电压为（）。,18,9.2.4 D/A,转换器的主要技术参数,1,分辨率,分辨率用输入二进制数的,有效位数,表示。,在分辨率为,n,位,的,D/A,转换器中，输出电压能区分,2,n,个不同的输入二进制代码状态，能给出,2,n,个不同等级的输出模拟电压。,D,3,D,2,D,1,D,0,u,o,(V),D,3,D,2,D,1,D,0,u,o,(V),0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,19,3,转换时间,（输出建立时间）,从输入数字信号起，到输出电压或电流,达到稳定值,时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。,2,转换精度,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。,20,9.2.5,集成,D/A,转换器及应用举例,DAC0832,21,ILE,：,片选信号,，输入低电平有效,。,D,7,D,0,：,8,位输入数据信号。,U,REF,：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。,可在,-10V,至,+10V,范围内选择。,R,FB,：反馈电阻（内已含一个反馈电阻,R,FB,）接线端。,22,I,OUT1,：,DAC,输出电流,1,。当,DAC,寄存器中的各位为,1,时，电流最大；为全,0,时，电流为,0,。,I,OUT2,：,DAC,输出电流,2,。满足如下关系：,I,OUT1,+,I,OUT2,=,常数。,U,CC,：电源输入端（,+5 +15V,，一般取,+5V,）。,DGND,：数字地。,AGND,：模拟地。,23,DAC0832,典型应用电路图：,电流转换为电压,24,9.3 A/D,转换器,主要内容,A/D,转换的,4,个步骤,A/D,转换器的种类,A/D,转换器的,3,个主要技术参数,A/D,转换器的数字输出与模拟输入之间的关系,集成,ADC0809,及应用,25,9.3.1 A/D,转换的一般步骤,A/D,转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过,采样,、,保持,、,量化,和,编码,四个步骤完成。,1,采样保持,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。,其采样频率,f,S,必须,大于等于,输入模拟信号包含的最高频率,f,max,的两倍,。,采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为,A/D,转换必须花时间处理采样值。,26,采样和保持操作示意图如下：,27,2,量化编码,一般把上述采样保持后的值以某个“最小数量单位”的整数倍来表示，这一过程称为,量化,。规定的最小数量单位称为,量化单位,或,量化间隔,，用“,”,表示,。,量化的方法一般有两种：,四舍五入法,和,舍去小数法,。,（,1,）,四舍五入法,：把,/2,的电压作为“,0,”,处理，把,/2,而,3,/2,的电压作为“,1,”,处理；,（,2,）,舍去小数法,：把,的电压作为“,0,”,处理，把,而,2,的电压作为“,1,”,处,理。,28,两种量化方法的比较,(,a,),舍去小数法,(,b,),四舍五入法；,29,显然，采用不同量化方式，,其量化后的结果存在差异,；而且上述量化结果与采样值之间,存在误差,，这种误差称为,量化误差,。,把上述量化结果用代码表示，称为,编码。,例如：设,1V,，采样值分别为：,2V,、和。,（,1,）四舍五入法：量化结果为：,2V,2,，,4,，,5,，,5.7V,6,；,（,2,）舍去小数法：量化结果为：,2V,2,，,4,，,4,，,5.7V,5,。,30,波形的量化编码情况一,波形的量化编码情况二,编码位数越多，量化误差越小，准确度越高。,31,9.3.2 A/D,转换器的种类,1,A/D,转换器的种类,A/D,转换器按照工作原理的不同可分为,直接,A/D,转换器和,间接,A/D,转换器。,直接,A/D,转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量,;,间接,A/D,转换器是先将输入模拟电压,转换成中间量,，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。,常用的直接,A/D,转换器：并联比较型,A/D,转换器和逐次比较型,A/D,转换器。,常用的间接,A/D,转换器：中间量为时间的双积分型,A/D,转换器，中间量为频率的电压频率转换型,A/D,转换器。,32,2,常用,A/D,转换器的工作特点,转换速度最高的是：并联比较型,ADC,；,转换速度最低的是：双积分型,ADC,；,转换精度最高的是：双积分型,ADC,；,转换精度最低的是：并联比较型,ADC,；,转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型,ADC,33,9.3.3 A/D,转换器的主要技术参数,1,分辨率,用输出二进制数的,位数,n,表示，位数越多，对输入模拟信号的分辨能力越强。,例如：,输入模拟电压的变化范围为,0,5V,。,输出,8,位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为,5V2,-8,20mV,；,而输出,12,位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为,5V2,-12,。,34,2,转换误差,它表示,A/D,转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位（,LSB,）的倍数表示。,3,转换时间,转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,35,9.3.4,集成,A/D,转换器及应用举例,ADC0809,36,IN,0,IN,7,：,8,路模拟信号输入端。,A,2,、,A,1,、,A,0,：,8,路模拟信号的地址码输入端。,ALE,：地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效。,START,：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲,.,EOC,：当转换结束后，,EOC,变为高电平。,37,OE,：输出允许信号，高电平有效。,CLK,：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为,640kHz,。,Ucc,：,+5V,单电源供电。,U,REF,（,+,）、,U,REF,（,-,）,：基准电压的正端和负端。一般,U,REF,（,+,）接,+5V,，,U,REF,（,-,）接地。,D,7,D,0,：数字信号输出端。,38,ADC0809,典型应用电路：,问题：,图中为何将启动信号输入端与转换结束端,EOC,直接相连？,39,例,9-4,某,8,位,A/D,转换器的输入模拟电压满量程为,5V,，当输入电压为时，求对应的输出数字量？,解：,输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比：,故输出数字量：,D,01100100,。,40,综合例子：,A/D,转换器和,D/A,转换器在数字音响系统中的应用,41,42,43,44,45,46,47,取样周期和量化单位可十分关键哟！,48,49,