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课程教案首页No.31授课题目A/D与D/A转换教学单元学 时2 D/A 一 05V或12 位010V16位D/A功能（续）4位数据：0000- 0V、F J分辨率： 5V/15=0.333V/每1个最低有效位mi8位数据：00000000 0V）分辨率： 5V/255=0.0196V）/每1个最低有效位111111115V-D/A的组成（续）电阻网络精密参D2 与考电压$0，3：模拟电子开关D=0, S倒向地D=1,S 倒向 Vref求和运算放大器-UO嚣输入4位二进制数当 D jD2D1Do=00()0 时, 3RS3S2S&都倒向地3R/2Ay= -1u=ovD/A转换原理（续）当以3。2防。=1000时3R当 d3d2d1d0=oiooS|S|S 都倒向地Vrf/ r-Lts搁向、M卜1/2UZ%4同理可推导，当D3D2D,Do=OO1O时，uo= -rREVJS当 D3D2D1D0W00I 时，Uo= -Vref/16D/A转换原理(续)D3D2D1Do=10O0时，Uo=-Vref/2=-D3Vref/21。3。2。0=0100时,Uo= -Vref/4= -D2Vref/22D3D2D1Do=0010时，Uo= -Vref/8= -DVre/23D3D2D1D迦1 时，Uo=-Vref/16= -dref。，根据叠加原理：Uo= -(D3Vref/2+ D2Vref722 + 叫 Vref/23 + D0VREF/2)=-(D3/2+ D2/22 + D/23 + Dy24) VREF=一 (Vref /24) (23 D3 + 22D2+21D1 + 2 Do)二、A/D转换器及A/D转换器工作原理模拟信号转换为数字信号，一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成，后两步骤则在ADC中完成。常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、X -A调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基木原理及特点。1）积分型（如TLC7135）积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间或频率，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片ADC大多采用积分型，现在逐次比较型己逐步成为主流。双积分是一种常用的AD转换技术,具有精度高,抗干扰能力强等优点。但高精度的双积分AI）芯片，价格较贵,增加了单片机系统的成本。2）逐次逼近型（如TLC0831）逐次逼近型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（ 12位）时价格便宜，但高精度（ 12位）时价格很高。3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n - 1个比较器,因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AI）转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n /2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换，所以称为Half flash型。4）S-A 调制型（如 AD7701）型ADC以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。-型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。5）电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。6）压频变换型（如AD650）压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成Al)转换。A/D转换器A/D功能及分类(DA/D功能:将模拟电压成正比地转换成数字量(2)A/D转换器分类根据内部电路不同，分为以下三类： 并联比较型特点：转换速度快，转换时间lOns-lgs 逐次遇近型特点：转换速度中，转换时间几四1()。ps 双积分型特点:转换速度慢,转换时间几百ps并联比较型A/D转换器(三位)原理7Vr/86Vr/85Vr/84Vr/83V/82V/8ur输入模拟电压.电压比较器D锁存器U.7Vr/8时，输出=1Q、U.7Vr/8时，输出=0U|6J8时，输出=1后UUr/8时，输出=1R ffg k_tl U；U,7Vr/811111111117Vr/8 UXVr/801111111106VJ8 U|5Vr/800111111015VJ8 U,4Vr/800011111004Vr/8 U3Vr/800001110I13Vr/8 U2Vr/800000110102Vr/8 U| Vr/80000001001Vr/8 U 00000000000根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）计算机数据采集原理简介A/D转换器内部组成模拟输入电源申清计算机中断）（来自计算机）计算机数据采集原理简介（续）A/I）转换器与计算机的连接模拟输入模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否则,VD的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。三、ADC和DAC的主要技术指标1. ADC分辨率指输出数字量变化一个最低有效位（LSB）所需的输入模拟电压的变化量。2 .ADC的精度决定于量化误差及系统内其他误差之总和。一般精度指标为满量程的（）. 02%，高精度指标为满量程的0. 0（）1%。3. 转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AI）转换所需的时间的倒数。积分型AI）的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。4. 量化误差由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD （理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1 /2LSB。DAC的主要技术指标。1）分辩率指输出模拟电压的最小增量，即表明DAC输入一个最低有效位（LSB）而在输出端上模拟电压的变化量。2）建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度,而不是AD中常用的转换速率。一般地，电流输出DA建立时间较短，电压输出DA则较长。3）精度是指输入端加有最大数值量时,DAC的实际输出值和理论计算值之差，它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差。4）线性度在理想情况下,DAC的数字输入量作等量增加时，其模拟输出电压也应作等量增加，但是实际输出往往有偏离。四、ADC和DAC的发展趋势和应用前景随着通信事业、多媒体技术和数字化设备的飞速发展,信号处理越来越趋向数字化，促进了高速DAC有了长足进步,牵动着DAC制造商研制出许多新结构、新工艺及各种特殊用途的高速DAC。高速DAC的应用领域主要有三个方面:数字化仪器,包括波形重建和任意波形发生器;直接数合成（DDS）,包括接收器本机振荡器、跳频无线电设备、通信系统、正交调制（QAM）系统和雷达系统；图形显示系统，包括失量扫描和光栅扫描。数据转换器技术是模拟信号和数字信号之间的重要桥梁，低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是ADC/DAC转换器发展的趋势。同时，ADC /DAC转换器的效率和密度也在不断增加。除此以外，通信与网络设备的集成化趋势需要ADC /DAC转换器集成更多的功能，同时具有更宽的输出电压或多路输出。近年来转换器产品己达到数千种,ADC和DAC的市场呈稳步增长的发展趋势,它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要性。步骤三总结、练习（20分钟）ADC和DAC的结构及工作原理
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