1、中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)第七章第七章 A/D 與與 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (A/D and D/A converter)7.17.1 概述概述7. 2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7. 3 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)7.1 概述概述A/D：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器。D/A：數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器。7.2 D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器及

2、主要參數(shù)1、D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是數(shù)字量，輸出是模擬量，輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間應(yīng)有這樣的關(guān)系：數(shù)字量大，輸出的模擬量也大，數(shù)字量小，輸出的模擬量也小，即模擬量和輸出量之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：A=KD中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)那么怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一關(guān)系呢？我們把二進(jìn)制數(shù)D按位權(quán)展開(kāi)即：D=dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+d1*21+d 0*2 0A=K（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+d1*21+d 0*2 0）這就是D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性表達(dá)式。從轉(zhuǎn)換特性表達(dá)式可看出，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的

3、組成部分如下： 1）求和運(yùn)算放大器：實(shí)現(xiàn)求和。通常接成反相比例求和。2）模擬開(kāi)關(guān)：控制d=0或d=1時(shí)，求和電路的項(xiàng)數(shù)。3）譯碼網(wǎng)絡(luò)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)2 n-1.20。4）基準(zhǔn)電源：保證系數(shù)K的一致性，要求精度高。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.轉(zhuǎn)換精度 （1）分辨率D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB（輸入的數(shù)字代碼最低有效位為1，其余各位都為0）與滿刻度輸出電壓Um（輸入的數(shù)字代碼的各位均為1）之比，即分辨率=中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七

4、章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)例如，n=10的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/1023=0.000987 若Um=5V，則ULSB=5* 0.000987 =5mV。分辨率還可以直接用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。 輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來(lái)表示分辨率，N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為 1/（2n-1）。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)（2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差絕

5、對(duì)誤差和非線性誤差絕對(duì)誤差和非線性誤差絕對(duì)誤差輸入端加滿刻度的數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的理論值與實(shí)際值之差，一般來(lái)說(shuō)，絕對(duì)誤差應(yīng)低于USLB/2。其影響因素主要有電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的電壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)阻值偏差、參考電壓偏離、集成運(yùn)放漂移產(chǎn)生的誤差。非線性誤差在滿刻度范圍內(nèi)偏離轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為非線性誤差。它與滿刻度之比稱為非線性度，常用百分比表示。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)2.轉(zhuǎn)換速度（1）建立時(shí)間（tset）當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1S。（2）轉(zhuǎn)換速率（SR）

6、在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。3. 溫度系數(shù)在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電流型3、D/A轉(zhuǎn)換器的分類中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)7.2.2 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1 組成及其工作原理中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電

7、子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)如果是n位的D/A轉(zhuǎn)換器，則UO的表達(dá)式為：Uo=-VREF/2n（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+d1*21+d 0*2 0） 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是：（1）模擬開(kāi)關(guān)在地與虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開(kāi)關(guān)狀態(tài)如何變化，各支路的電流始終不變，因此，不需要電流建立時(shí)間。（2）各

8、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)程中傳輸電壓的尖峰脈沖。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter) 以國(guó)產(chǎn)5G7520為例，n=10。采用倒T型電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)和CMOS模擬電子開(kāi)關(guān)。反饋電阻RF=10K已集成在片內(nèi)，求和運(yùn)算放大器A，基準(zhǔn)電源（-10V+10V）及模擬開(kāi)關(guān)的電源（+5V+15V）均需外接。2.集成D/A轉(zhuǎn)換器中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七

9、章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)7.2.3 CMOS 模擬電子開(kāi)關(guān)1 、要求 在D/A轉(zhuǎn)換器中使用的模擬電子開(kāi)關(guān)是受輸入數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)控制的，因?yàn)閭鬏數(shù)氖悄M信號(hào)，所以要求模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)接近于理想開(kāi)關(guān)，其接通和 斷開(kāi)應(yīng)不影響被傳送模擬信號(hào)的數(shù)值。CMOS電子開(kāi)關(guān)雙極型電子開(kāi)關(guān)前面第二章講雙向模擬開(kāi)關(guān)，但它能夠傳輸?shù)氖请妷盒盘?hào)，而我們現(xiàn)在需要傳送的是電流信號(hào)。2、 分類3、 CMOS模擬電子開(kāi)關(guān)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)3.CMOS 模擬電子開(kāi)關(guān)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電

10、子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)3.CMOS 模擬電子開(kāi)關(guān) 若d1=1，則VN1 截止，VN2導(dǎo)通，流過(guò)2R的電阻流入反饋電阻。若d1=0，則 VN2 截止，VN1導(dǎo)通，流過(guò)2R的電阻流入地。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)D/A轉(zhuǎn)換器8位的D/A轉(zhuǎn)換器常用的有DAC0832、DAC0808，都屬于R2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)型。剛才所介紹的AD7520為AD公司的產(chǎn)品。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A conver

11、ter)7.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的步驟及分類A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟 模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，我們不可能對(duì)所有的時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行采樣，只能在一系列選定的瞬間（即時(shí)間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)）對(duì)輸入的模擬信號(hào)采樣，將這些特殊點(diǎn)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。通常A/D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過(guò)采樣、保持和量化、編碼這兩大步驟完成。（1）采樣、保持 到底采多少個(gè)點(diǎn)或者說(shuō)隔多長(zhǎng)時(shí)間采樣一次，應(yīng)以采樣后的信號(hào)能不失真地反映原來(lái)的信號(hào)。對(duì)于一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào)，可以由采樣定理確定采樣頻率為max2iSff中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A conver

12、ter)其中fs為采樣頻率，fimax為輸入模擬信號(hào)的上限值。通常選擇采樣頻率fs=（2.53）fimax，應(yīng)該是采樣頻率越高越好，但要付出代價(jià)，如外接的存儲(chǔ)器的容量要大（1024*8，1024*8*2）。 由于采樣時(shí)間極短，采樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖，而要把一個(gè)模擬采樣信號(hào) 數(shù)字化需要一定的時(shí)間，因此在前后兩次采樣之間，應(yīng)將采樣的模擬信號(hào)保持下來(lái)，否則采樣的模擬信號(hào)已發(fā)生了變化。可見(jiàn)，進(jìn)行可見(jiàn)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的vI值。值。采樣保持電路的電路圖如下所示：采樣保持電路的電路圖如下所示：中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字

13、電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)還是上一個(gè)例子，這種方法產(chǎn)生的最大誤差為1/15V。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)RRifIvLvTAChvoChULUIA1A2中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)步驟：步驟：（1）采樣時(shí)，使）采樣時(shí)，使UL為高電平，為高電平，S閉合，閉合，

14、UO=UI，此時(shí)，此時(shí)，UCH=UI。（2）采樣結(jié)束時(shí)，）采樣結(jié)束時(shí)，S斷開(kāi)，由于斷開(kāi)，由于A2的輸入阻抗很高，的輸入阻抗很高，Ch上的電壓基本保持不變上的電壓基本保持不變（3）當(dāng)下一個(gè)采樣控制信號(hào)到來(lái)后，）當(dāng)下一個(gè)采樣控制信號(hào)到來(lái)后，S又閉合，電又閉合，電容容Ch上的電壓又跟隨此時(shí)的輸入信號(hào)上的電壓又跟隨此時(shí)的輸入信號(hào)UI而變化。而變化。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter) 采樣保持電路的輸出信號(hào)已成階梯狀，但階梯幅值仍是連續(xù)可變的。要想變成數(shù)字量，就需要把幅值進(jìn)行量化，就類似于用尺子去度量一根繩子，然后取整。量化就

15、是將離散的階梯幅值轉(zhuǎn)化為某規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍。量化的方法有兩種，一種是只舍不入，另一種是有舍有入。只舍不入的方法是：取最小量化單位 =Um/2n，將0 之間的模擬電壓歸并到0將 2 之間的模擬電壓歸并到1依次類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 。（2）量化、編碼中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)例：將01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制數(shù)。按前面所講 =Um/8。這種方法產(chǎn)生的最的誤差為1/8V。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)有舍有入的

16、方法是：取最小量化單位 =Um/（2n-1），將0 /2之間的模擬電壓歸并到0 ，將 /2 3/2之間的模擬電壓歸并到1 ，依次類推，這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 /2。 中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)2. A/D轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但從轉(zhuǎn)換過(guò)程看可以分為兩大類： 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器 直接型 反饋比較型 計(jì)數(shù)型 逐次漸進(jìn)型 間接型 電壓時(shí)間變換（U-T）型積分型 電壓頻率變換（U-F）型直接型特點(diǎn)：工作速度高，調(diào)整較方便。間接型特點(diǎn)：速度較慢，但精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。中北大學(xué)電子信息

17、工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器屬直接型A/D，通過(guò)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，同學(xué)們一要掌握A/D轉(zhuǎn)換器的原理，二要掌握數(shù)字時(shí)序邏輯電路的的分析方法，為今后分析和設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路打基礎(chǔ)。1、工作原理：類似天平稱物體的原理。天平的一端放被稱的物體，另一端加砝碼，各砝碼的重量按二進(jìn)制關(guān)系設(shè)置，一個(gè) 比一個(gè)小一半。稱重時(shí)，將各種重量的砝碼從大到小逐一放在天平上加以試探，經(jīng)天平比較加以取舍，一直到天平基本平衡為止。這樣就以一系列二進(jìn)制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。7.3.2 逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器中北

18、大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter) 順序脈沖發(fā)生器:依次產(chǎn)生各種重量的砝碼。組成：控制電路：決定本次所放砝碼的取舍。 寄存器：把順序脈沖發(fā)生器和控制電 路處理后的二進(jìn)制數(shù)暫時(shí)存放起來(lái)。 D/A轉(zhuǎn)換器：寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。 電壓比較器：將D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與被 轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行比較，輸出用來(lái)控制控制電路。中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A co

19、nverter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)結(jié)論：結(jié)論：3位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成用了5個(gè)CP脈沖，n位A/D轉(zhuǎn)換器用n+2個(gè)脈沖。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：精度高，轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間固定簡(jiǎn)化了與計(jì)算機(jī)同步，所以常常用作微機(jī)接口。2、常用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片有ADC0809、ADC0804、AD574A。僅介紹ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D轉(zhuǎn)換器外，還有8路模擬開(kāi)關(guān)以及地址鎖存與譯碼，有三條地址輸入線ADDA、ADDB、ADDC，可決定選通一路，該芯片內(nèi)還有便于與微機(jī)數(shù)據(jù)總線連接的三態(tài)輸出鎖存器。中北大學(xué)電子信

20、息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)UI3UI4UI5UI6UI7STARTEOCD3OECLKVCC+VREFGNDD1UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0-VREFD212345678910111213142827262524232221201918171615中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter) 它屬于間接型。基本原理是：通過(guò)兩次 積分，先把模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與之大小相對(duì)應(yīng) 的時(shí)間T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)用計(jì)數(shù)頻率不變的 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。7.3.3 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)1、原理框圖中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器(A/D and D/A converter)2、工作原理uc中北大學(xué)電子信息工程系數(shù)字電子技術(shù)第七章 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換