1、开始开始课件数模与模数转换D/A转换器转换器第四章第四章 数模与模数转换器数模与模数转换器课堂教学设计结构框架图课堂教学设计结构框架图讲述讲述+案例案例 生活现象：模拟信号数字化，如何实现？原理师生和谐互动结束芯片简介电路分析原理芯片简介案例分析A/D转换器转换器小结小结本章教学基本要求本章教学基本要求了解：了解：(1)倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的电路结构和工作原理转换器的电路结构和工作原理;(2)典型集成典型集成D/A转换器的结构及应用转换器的结构及应用;(3)逐次逼近型或双积分型逐次逼近型或双积分型A/D转换器的电路结构、转换器的电路结构、工作原理和典型工作原理和典型 集成集成
2、A/D转换器的结构及应用。转换器的结构及应用。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。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大功率放大执行机构执行机构加热炉加热炉温度传感器温度传感器信号放大信号放大多路开关4.1 4.1 概述概述压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流数字计算机工业控制系统示意图数字计算机工业控制系统示意图由计算机依次选通，进入ADC转换成数
3、字量信号经过计算机数据处理，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。4.2 D/A转换器转换器4.2.1 R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理 4.2.2 集成D/A转换器AD7520电路结构和应用4.2.3 D/A转换器的主要技术指标一、一、R-2RR-2R倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC基本原理图基本原理图模拟开关S3-S0表示 四位二进制数四位的二进制数当Di=1表示Si接1,电阻 上通过电流流向I01当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端各节点向右看的二端网络的等阻值为R 等效电路为由基准电源VREF供出电流为:IR=VREF/R因此由节点D
4、分出去的两路支路电流必相等,则有3 333334 41 12 2RR2I=I=I=I2同理可以得出：同理可以得出：当当DI=1时，表示相应的时，表示相应的Ii流向流向IO1,0 0001001R412=22IIII1 11 11 12 2R412=22IIIIIIII2223R412=223210REFO132104VI=D2+D2+D2+D22RR-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器运算放大器和运算放大器和T T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反相求和运算电路。可得输出电压为：相求和运算电路。可得输出电压为：若取若取Rf=R,则则D/A转换后的
5、输出电压表示为转换后的输出电压表示为:同理同理,当当Di为为n位的二进制数位的二进制数,则相应则相应 R-2R 倒倒T 形电阻形电阻网络也有网络也有n个节点个节点,则则D/A转换后的输出电压为转换后的输出电压为:REFoOffVuIRRNR 11042R E FoVuN 1042R E FonVuN 102D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（一）转换精度（一）转换精度通常用通常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。1.分辨率：对输入微小量变化敏感程度。定义为输出电压可能被分辨率：对输入微小量变化敏感程度。定义为输出电压可能被分离的等级数。输出模拟电压应能区分分离的等级数
6、。输出模拟电压应能区分02n-1共共2n个输入数字量。个输入数字量。表示方法：表示方法：(1)用输入二进制数的位数表示；如用输入二进制数的位数表示；如8位。位。(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：该比值显然等于：121nnREFV2)12(2nnREFV 由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到的转换精度。的转换精度。转换误差转换误差有时也称为有时也称为线性线性误差误差。它表示实际的。它表示实际的D/A转换转换特性和理想转换特性之间的最特性和理想转换特性之间的最
7、大偏差。大偏差。转换误差的表示形式：转换误差的表示形式：（1）最低有效位的倍数。如：）最低有效位的倍数。如：1LSB。（2）输出电压满刻度）输出电压满刻度FSR(Full Scale Range)的百分数。的百分数。如：如：0.1FSR。2.转换误差：转换误差：3.转换误差分析转换误差分析D/A转换器的组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。转换器的组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。(1)参考电源引起的误差称为参考电源引起的误差称为比例系数误差比例系数误差。DVnREF2O(2)运放零点漂移引起的误差称为运放零点漂移引起的误差称为漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差。(3)模
8、拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为偏差引起的误差称为非线性误差非线性误差。非线性误差有时导致非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，转换特性局部非单调性，从而引起系统不稳定。从而引起系统不稳定。注意注意：运放和参考：运放和参考电源多为外接，电电源多为外接，电阻网络和模拟开关阻网络和模拟开关在集成在集成DAC内部。内部。（二）转换速度：建立时间，转换速率（二）转换速度：建立时间，转换速率1.用完成一次转换所需的时间用完成一次转换所需的时间建立时间建立时间tset来衡量。来衡量。建立时间：从输入信号变化开始建立时间：从输
9、入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB范围以内的时间。范围以内的时间。输入信号由全输入信号由全0变为全变为全1所需时间所需时间最长。最长。不包含运放的不包含运放的DAC建立时间可达建立时间可达0.1 。s当外接运放时，转换时间还应加当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。上运放的上升（下降）时间。RsTRSVtT(max)0(max)转换时间转换时间建立时间建立时间输出模拟电压输出模拟电压最大值最大值运放输出转运放输出转换速率换速率2.转换速率（转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变在大信号工作状态下模拟电压的变化率。化率。三三.
10、温度系数温度系数在输入不变的情况下，输出模拟电压随温在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。，输出电压变化的百分数作为温度系数。AD7520电路的内部电路结构电路的内部电路结构二、二、集成集成D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520电路结构和应用电路结构和应用符符号号图图当 R=10k,2R=20k,故RF=10k,根据公式则转换后的输出电压为:其中T1-T7构成两个互为倒相的CMOS反相器。当Di =1 时,T1导通,T4,T5为高电平,T6,T7
11、为低电平,T8截止,T9导通,Ii 流向I01当D0=0时,T9截止,T8导通,Ii流向I02起到电流模拟开关作用。REFoVuN 10102REFonVuN 102CMOS电流开关电流开关应用电路应用电路AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压输出1.单极性输出应用电路单极性输出应用电路当D9-D0数码为全1时,其时应的十进制数为:210-1=1023数数 码码 输输 入入模拟电压输出模拟电压输出AD7520单极性输入与输出关系单极性输入与输出关系(1023/1024VREF)D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 U0
12、.(513/1024VREF)(512/1024VREF)(511/1024VREF).(1/1024VREF)0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 例:AD7520 D/A 转换器组成的DAC电路中,已知VREF=10V,求当输入数码为37C(H)时，转换成单极输出电压为多大?解解:求出37C(H)对应的十进制数37C(H)=(0011 0111 1100)2 =(892)10 =N10 故 UO=-VREF/210 。N10
13、=-10/1024 892 =-8.71V单极性输出电路单极性输出电路模拟电压信号模拟电压信号二进制数码二进制数码A/D转换器直接A/D并联比较型 反馈比较型计数型 逐次比较型间接A/D电压-时间变换型(V-F型)双积分型为主电压-频率变换型(V-F型)压控振荡器转换器类型ADC4.3 A/D转换器转换器A/D 转换转换的基本原理的基本原理 ADCD0D1Dn-2Dn-1uI输出数字量输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI。采样：采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持：保持采样信号保持采样信号，使有充分时间转换为数字
14、信号。使有充分时间转换为数字信号。量化：量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。整数倍表示。编码：编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。A/D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)量化量化编码编码电路电路Dn-1D1D0uI(t)采样保持电路采样保持电路2.2.集成采样集成采样/保持电路保持电路LF398(SHM-LM-2)LF398(SHM-LM-2)简介简介模拟电子开关A1为运算放大器,具有工作速度高和失调电压低的特点.LF398电路结构及外部元件连接图电路结构及外部元件连接图运算放大器A2，具有噪
15、声低和输入阻抗高的特点。为开关驱动器2.2.集成采样集成采样/保持电路保持电路LF398(SHM-LM-2)LF398(SHM-LM-2)简介简介LF398电路结构及外部元件连接图电路结构及外部元件连接图当ULUREF+UT 时，S闭合。当UL0,所以所以uO0。S1接通接通a点点积分器对积分器对 uI 积分积分1G开放，开放，CP进入计进入计数器开始计数。数器开始计数。积分器输出为：积分器输出为：u u()TIOIuTtdtuCRRC 11101nCITuRC 2第二次积分第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分电容有初始电压进行反积分,计数器在计数器在Qn=1的基础上的基础上
16、,在最低在最低位位Q0=0开始计数开始计数.当电压上电容为当电压上电容为0,UC=0,封锁了封锁了G，计数器停止计数。，计数器停止计数。u u()()tREFOOtVtdtu tCR212110nCITuRC2u u()()tREFOOtVtdtutCR 212110将将T2=t2 t1=NTC 及及 代入代入nCCREFINTTVuRCRC20nIREFNuV2属于属于 V-T 型型 ADC若取若取 VREF=2 n 则则 N=u I即计数值表示为被转换的输入电压即计数值表示为被转换的输入电压 u I 数值数值 逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下，否则舍去。保留的砝码为 128
17、g+16g+4g+1g=149g128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7D0=10010101逐次逼近型A/D转换器被保留的电压被保留的电压相当于天平所称的物体天平所称的物体质量质量，而所转换的数字量数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码质量砝码质量。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器原理：转换器原理：一、逐次逼近型一、逐次逼近型A/DA/D转换器的基本电路转换器的基本电路比较器比较器C3位位D/A转换器转换器数码寄存器数码寄存器环形右移寄存器环形右移寄存器 为了提高为了提高ADC转换精度转换精度,在输出端加负的偏移电压在输出端加负的偏移电压 =0.5V,作为
18、量作为量化误差修正化误差修正,送入比较器的电压为送入比较器的电压为uO =uO-,使精度提高一倍。使精度提高一倍。3 3位位D/AD/A转换器输出的相当于砝码值的电压转换器输出的相当于砝码值的电压,根据根据D/AD/A转换器原理可知转换器原理可知,若若 VREF =8V,=8V,则则3 3位位DACDAC能分辨的最小电压为能分辨的最小电压为S=8V=1V 8V=1VREF31V2812S 在在CP时钟脉冲时钟脉冲作用下，作用下，QAQE逐逐个循环产生脉宽与个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍周期相同的节拍脉冲脉冲2S二、二、工作原理工作原理设定：设定：5.9VI0uu时时0CuI0uu时时1Cu
19、转换开始前，先将转换开始前，先将FF2 FF1、FF0清零。清零。设设 QAQBQCQDQE=10000G变为高电平以后，转换变为高电平以后，转换开始。开始。Q2=1 应保留应保留5.9V10000第一个节拍第一个节拍1003.5V001000Q1=1 应保留应保留Q2=Q1=1 应保留应保留5.9V第二个节拍第二个节拍1100010005.5V00100Q2=Q1=1 应保留应保留5.9V第三个节拍第三个节拍11116.5V00100Q0=1 不不应保留应保留000105.9V第四个节拍第四个节拍11005.5VQ0=1 不不应保留应保留00010Q2=Q1=1 应保留应保留00001打开打
20、开1105.9V第五个节拍第五个节拍10000被封锁被封锁01000 由于由于ADCADC的电路类型不同，编码方法不同，其的电路类型不同，编码方法不同，其指标类型也有所区别。如输出数据为指标类型也有所区别。如输出数据为84218421编码的编码的BCDBCD码码ADCADC和自然二进制数编码的和自然二进制数编码的ADCADC，它们的转换，它们的转换精度含义和表示方法也不同。现以输出二进制数编精度含义和表示方法也不同。现以输出二进制数编码的码的ADCADC为例介绍主要技术指标为例介绍主要技术指标.4.3.4 A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.1.分辨率分辨率ADC的分辨率又称分
21、解度。的分辨率又称分解度。输出二进制数位越多，转换精度越高，即分辨率越高。输出二进制数位越多，转换精度越高，即分辨率越高。故可用分辨率表示转换精度。故可用分辨率表示转换精度。2.2.转换速度转换速度转换速度是指转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有稳转换速度是指转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有稳定数字输出为止的一段时间。定数字输出为止的一段时间。相对误差可以表示相对误差可以表示ADC转换的误差。它是指在对应于某一输出数字转换的误差。它是指在对应于某一输出数字量情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值量情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值VREF之之比比
22、,常以常以 1/21/2 LSB 所对应的输入值与所对应的输入值与 VREF之比表示。之比表示。3.3.相对误差相对误差应用举例应用举例一、一、数控电流源数控电流源 在自动控制仪表中，常要求根据输入数码相应输出精密电流，在自动控制仪表中，常要求根据输入数码相应输出精密电流，这称为数控电流源。这称为数控电流源。工作原理工作原理u0受N控制A2组成电压跟随电路，组成电压跟随电路，故故u ud d=u=ub bOdaOdObuR+uR11u=(u+u)=(u+u)R+R22根据戴维南定理：根据戴维南定理：O 1aaObRu=u(1+)=2 u=u+uRA1组成同相比例放大电路组成同相比例放大电路1O
23、Obuuu 流过流过RS上电流上电流iL即即RL上电流为上电流为1ObOLSSuuuiRR即即I L由由 D/A 转换电路的输入数码转换电路的输入数码 N 决定，而与决定，而与RL无关，故称为数控电流源。无关，故称为数控电流源。3 3 位数字电压表指显示的量程为位数字电压表指显示的量程为1.9991.999和和199.9mV199.9mV，其最高位只显示或，其最高位只显示或1 1，故称为，故称为 位位ICL7106ICL7106系列电路内部为双积分型系列电路内部为双积分型A/DA/D转换器转换器,用来将被测的电压转换成用来将被测的电压转换成4 4位位BCDBCD码码,相应的七段数相应的七段数码管各段码管各段a ag g平行输出平行输出,驱动液晶数码管驱动液晶数码管,显示被显示被测电压值测电压值.电路具有外围元件少、使用简单、工作电路具有外围元件少、使用简单、工作可靠的特点。可靠的特点。2121 二、二、3 位位A/D转换器转换器7106集成数字电压表集成数字电压表21用用9V9V单电单电源工作，源工作，4040只引脚，只引脚，双列直插双列直插。缓缓冲冲器器输输出出端端积分器积分器反反向向输输入入端端3 3 位位A/DA/D转换器转换器71067106集成数字电压表集成数字电压表12
