1、ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。,將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。,計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等,用模擬量作為控制信號(hào),引言,D/A轉(zhuǎn)換器（ Digital to Analog Converter, DAC ）,A/D轉(zhuǎn)換器（ Analog to Digital Converter, ADC ）,D/A轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,權(quán)電流型DAC,DAC的主要技術(shù)指標(biāo),DAC小結(jié),D/A轉(zhuǎn)換器,1、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,n 位二進(jìn)制數(shù)輸入,模擬電壓輸出,輸出模擬量,二進(jìn)制數(shù)D的按權(quán)展開(kāi)式為,2、D/A

2、轉(zhuǎn)換器的一般構(gòu)成,D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。,數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲(chǔ)在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器的輸出驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開(kāi)關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。,按解碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、 權(quán)電流型DAC等。,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器主要由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電源VREF四部分組成。,1）電路組成,2）工作原理,對(duì)于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器:,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所用的電阻元件

3、數(shù)很少。,缺點(diǎn)：各個(gè)電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號(hào)的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就更加突出。,輸出電壓的范圍:,3）電路特點(diǎn),倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,當(dāng)某位數(shù)碼為1時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)將電阻接到運(yùn)算放大器A的反相輸入端（求和點(diǎn)虛地）；,當(dāng)某位數(shù)碼為0時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)將電阻接到運(yùn)算放大器的同相輸入端（地）。,1）電路組成,基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I =？,流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？,I/4,I/8,I/16,R,R,R,R,I/2,I/4,I/8,I/16,I/2,I3,I2,I1,I0,流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。,I3= VREF /

4、 2R,I2= VREF / 4R,I1= VREF / 8R,I0= VREF /16 R,2）工作原理,流入運(yùn)放的總電流：,輸出模擬電壓：,將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位：,倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是： 電阻種類少，只有R和2R兩種，有利于提高制作精度; 模擬開(kāi)關(guān)在地和虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開(kāi)關(guān)狀態(tài)如何，各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時(shí)間； 各支路電流直接流入運(yùn)算放大器的輸入端，不存在傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。,n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：,令：,則,O = K NB,在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸

5、出。,權(quán)電流型DAC,DAC的主要技術(shù)指標(biāo)有：轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度。,1、分辨率,分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。,定義為D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。,n位DAC有2n個(gè)不同的模擬量輸出值，即分辨率為2n，,實(shí)際中通常用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)表示DAC的分辨率，,顯然位數(shù)越多，分辨率越高。,如10位、8位等。,另外也用DAC的最小非零輸出電壓與最大輸出電壓之比來(lái)表示分辨率:,分辨率,DAC的轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率、轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。,主要技術(shù)指標(biāo),2、轉(zhuǎn)換誤差,用最低有效位的倍數(shù)表示。,如：某個(gè)DAC的轉(zhuǎn)換誤差為1/2LSB，,表示輸出模擬電壓與理論值之間的絕對(duì)

6、誤差小于等于輸入數(shù)字代碼為001時(shí)輸出電壓的一半。,用輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示。,（1）造成轉(zhuǎn)換誤差的主要原因 ：,參考電壓 VREF的波動(dòng) 比例系數(shù)誤差,運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移 失調(diào)誤差,模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通電壓,電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值偏差等,轉(zhuǎn)換誤差：指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差的最大值。,非線性誤差,（2）轉(zhuǎn)換誤差的表示方法 ：,如：1（FSR）,建立時(shí)間 tSet ：,輸入由全0變?yōu)槿?，輸出電壓與穩(wěn)態(tài)值相差（LSB/2)所需的時(shí)間。,一般DAC的tset 0. 1s 。,這個(gè)參數(shù)的值越小越好 ，,3、轉(zhuǎn)換速度,當(dāng)DAC輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量需要延遲一段時(shí)間后才能達(dá)

7、到對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，通常用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率來(lái)描述。,轉(zhuǎn)換速率 ：,在大信號(hào)工作狀態(tài)下，模擬輸出電壓的最大變化率。,能夠?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器(DAC),DAC的電路結(jié)構(gòu)形式主要有權(quán)電阻型、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)及權(quán) 電流型，目前TTL產(chǎn)品多為權(quán)電流型（精度高、速度快）， CMOS產(chǎn)品多采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)（功耗低）。,DAC的模擬輸出電壓與輸入的二進(jìn)制數(shù)成正比，其通式為：,DAC的主要技術(shù)為轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度,轉(zhuǎn)換精度用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差表示；,轉(zhuǎn)換速度用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率表示。,DAC小結(jié),【例1】已知某8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入為11010001時(shí)，輸出VO=2.09V，求輸入為00

8、111100時(shí)的輸出電壓值。,解：DAC的模擬輸出電壓的通式為：,【例2】在10位二進(jìn)制數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器中，已知其最大滿刻度輸出模擬電壓Vom=5V，求最小分辨電壓VLSB和分辨率。,解：,分辨率,【例3】已知D/A轉(zhuǎn)換器，其最小分辨電壓VLSB=4mV，最大滿刻度輸出電壓Vom=10V，求該轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)字量的位數(shù)。,解：DAC的分辨率：,分辨率,【例4】10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器如圖所示，當(dāng)R=Rf時(shí)： （1）試求輸出電壓的取值范圍； （2）若要求電路輸入數(shù)字量為200H時(shí)輸出電壓VO=5V，試問(wèn)VREF應(yīng)取何值？,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程,并行比較型ADC,逐次比較型A

9、DC,雙積分型ADC,ADC的主要技術(shù)指標(biāo),ADC小結(jié),AD轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸出。 一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，通常要經(jīng)過(guò)取樣和保持、量化和編碼步驟。 取樣：將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量過(guò)程。 保持：保持取樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 量化：把取樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的整數(shù)倍表示。方法一般有兩種：舍尾取整、四舍五入。 編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。,1. 取樣和保持,取樣（也稱采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。

10、,為了保證能從采樣信號(hào)將原信號(hào)恢復(fù)，要求：,fS ： 采樣頻率 ；,fi max ：,fi(t)的最高頻率分量。, 采樣定理,在工程設(shè)計(jì)中通常?。?模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列取樣脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一般取樣與保持過(guò)程都是同時(shí)完成的。,在采樣脈沖S(t)到來(lái)的時(shí)間內(nèi)，T導(dǎo)通， vI向電容C充電，假定充電時(shí)間遠(yuǎn)小于，則：vO(t) vC(t) vI(t)。（采樣）,采樣結(jié)束，T截止，電容無(wú)放電回路，輸出電壓得以保持，直到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)為止。（保持）,vI,采樣,保持,2. 量化和編碼,數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是

11、離散的，而且數(shù)值大小的變化也是不連續(xù)的。這就是說(shuō)，任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。因此 ，在進(jìn)行 A / D 轉(zhuǎn)換時(shí)也必須把采樣電壓化為這個(gè)最小單位的整數(shù)倍。這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程就叫做 “量化”。,所取的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用“”表示。若數(shù)字信號(hào)最低有效位用LSB表示，1LSB所代表的數(shù)量就等于。,把量化的結(jié)果用代碼 (二進(jìn)制或二 十 進(jìn)制 )表示出來(lái)，稱為 “ 編碼 ” ，這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。由于模擬電壓是連續(xù)的，它不一定能被整除，因而量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差“量化誤差”。,量化誤差為原理誤差，是不可消除的，位數(shù)越大，誤差越小。采用不同方法劃分量化電

12、平，會(huì)有不同的誤差。,3. 量化的方法與量化誤差,（1）舍尾取整法,取量化單位,0之間的模擬電壓歸并到0,2之間的模擬電壓歸并到1,此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為,（2）四舍五入法,取量化單位,0/2之間的模擬電壓歸并到0,/23/2之間的模擬電壓歸并到1,此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2,分類,按工作原理：,直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩類。,直接A/D轉(zhuǎn)換器：,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器和逐次比較型 A/D轉(zhuǎn)換器,間接A/D轉(zhuǎn)換器：,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換 型A/D轉(zhuǎn)換器,電壓比較器,輸入模擬電壓,電阻分壓器,寄存器,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/

13、15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,輸出數(shù)字量,1、電路組成,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,VREF,vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0,7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1

14、 1 1 1 0,13VREF/15 vI VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0 0 1,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,3、電路特點(diǎn)：,在并行A/

15、D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。但轉(zhuǎn)換精度受分壓電阻、基準(zhǔn)電壓、比較器的閾值電壓精度的影響，精度較差。,電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。,單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝，8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。,逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似 。,1. 轉(zhuǎn)換原理,所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。 設(shè)待秤重量Wx = 13克。,逐次比較型A

16、/D轉(zhuǎn)換器,2. 轉(zhuǎn)換原理,1 0 0 0,1 0 0 0,I 5V,1,A=6.84V,VREF= -10V,第一個(gè)CP：,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,第二個(gè)CP：,0 1 0 0,1 1 0 0,1,0,I 7.5V,I=6.84V,VREF= -10V,第三個(gè)CP：,0 0 1 0,1 0 1 0,I 6.25V,1,0,1,A=6.84V,VREF= -10V,1） 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；,2）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；,3、電路特點(diǎn)：,雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思

17、想,對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后利用計(jì)數(shù)器在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬信號(hào)的數(shù)字量。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器 。,雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,電路結(jié)構(gòu),雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。主要由積分器、過(guò)零比較器、時(shí)鐘脈沖控制門、計(jì)數(shù)器等幾個(gè)部分組成。,0,準(zhǔn)備階段：,工作原理,(2) 第一次積分：,VC=VOH,Qn=1,(3) 第二次積分：,VC=VOL,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t1 t2,在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)

18、換器得到的結(jié)果。,優(yōu)點(diǎn)：,1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線性帶來(lái)的誤差。,2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗干擾的能力。,T1=2nTC,3. T2正比于T1 時(shí)間內(nèi)的VI，這樣對(duì)疊加在VI上的干擾有較強(qiáng)的抑制能力。,主要技術(shù)參數(shù),（1）轉(zhuǎn)換精度:分辨率、轉(zhuǎn)換誤差,分辨率：指引起ADC的輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有效位變動(dòng)一個(gè)數(shù)碼時(shí)，輸入模擬量的最小變化量。它說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。,如，輸入模擬電壓滿量程為10V,8位的A/D轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小輸入電壓,10位的A/D轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小輸入電壓,轉(zhuǎn)換誤差：通常以相對(duì)誤差的形式給出，它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別，并用最低有效位的倍數(shù)表示。,（2）轉(zhuǎn)換速度,轉(zhuǎn)換速度：指完成一次A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所需時(shí)間。,A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。,能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器(ADC),ADC的電路結(jié)構(gòu)形式主要有并行比較型、逐次比較型及雙 積分