1、数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器第七章第七章 数数/模和模模和模/数转换器数转换器概述概述D/AD/A转换器转换器A/DA/D转换器转换器D/AD/A和和A/DA/D转换器应用举例转换器应用举例数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器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A/D转换器的
2、结构及应用。转换器的结构及应用。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器7.17.1概述概述 将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的模拟电量成正比。Digital-Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或DAC。Analog-Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或ADC。将数字量转换为模拟电量将数字量转换为模拟电量(电压或电流电压或电流)，使输出，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比的模拟电量与输入的数字量成正比。数模转换数模转换：实现数模转换的电路称数模转换
3、器。实现数模转换的电路称数模转换器。模数转换：模数转换：实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器压力,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。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器7.2 D/A转换器转换器7.2.1 R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理 7.2.2 集成D/A转换器AD752
4、0电路结构和应用7.2.3 D/A转换器的主要技术指标数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器一、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 等效电路为数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器由基准电源VREF供出电流为:IR=VREF/R因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有3 333334 41 12 2RR2I=I=I=I2数数/模模 和和
5、 模模/数数 转转 换换 器器同理可以得出：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 1112112R412=22IIIIIIII2223R412=223210REFO132104VI=D2+D2+D2+D22RR-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器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转换后的输出电压表示为转
6、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:R E FoOffVuIRRNR 11042R E FoVuN 1042R E FonVuN 102数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器 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数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器当 R=10k,2R=20k,故RF=10k,根据公式则转
7、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电流开关电流开关数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器应用电路应用电路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
8、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.(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 数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器例:AD7520 D/A 转换器组成的DAC电路中,已知VREF=1
9、0V,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 =-10/1024 892 =-8.71V单极性输出电路单极性输出电路数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器7.2.3 D/A转换器的主要技术指示转换器的主要技术指示一、分辨率一、分辨率 分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它是输入数码只有最低有效位为1时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之比。可表示为:对于10位 D/A 转换器的分辨率为二、绝对误差二、绝对误差
10、绝对误差又称绝对精度,是指当输入数码为全1时所对应实际输出电压 与电路理论值之差。三、转换精度三、转换精度 一般是指最大的静态误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂移误差、运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。1 1 0 01 10 0.0 0 0 0 0 0 9 9 7 7 8 82 2-1 1n121数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器7.3 A/D7.3 A/D转换器转换器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
11、类型ADC数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器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。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器采样：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
12、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数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器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，具有噪声低和输入阻抗高的特点。为开关驱动器数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器2.2.集成采样集成采样/保持电路保持电路LF398(SHM-LM-2)LF
13、398(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数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器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,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
14、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 tCR212110数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器nCITuRC2u 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 数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器7.3.3 7.3.3 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/
15、D转换器转换器 它是一种常用它是一种常用A/DA/D转换方式转换方式,转换速率比双积分型快转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达每秒钟采样高达几十万次几十万次,逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。(1)(1)先在砝码盘上加上先在砝码盘上加上128g128g砝码，经天平比较结果，重砝码，经天平比较结果，重物物149g128g149g128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为记为1 1。（2 2）再加再加64g64g砝码，经天平比较，重物砝码，经天平比较，重物149g(128+64)
16、g149g(128+64)g，则舍下则舍下64g g砝码，即相当于数码记为砝码，即相当于数码记为0。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器 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 128g+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。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器一、逐次逼近型一、逐次逼近型A/DA/D转换
17、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数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器 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
18、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数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器二、二、工作原理工作原理设定：设定：5.9VI0uu时时0CuI0uu时时1Cu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。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器Q2=1 应保留应保留5.9V10000第一个节拍第一个节拍1003.5V001000
19、数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器Q1=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1100010005.5V00100数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器Q2=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00010数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器5.9V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打开打开110数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器5.9V第五个节拍第五个节拍10000被封锁被封锁0
20、1000数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器 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.7.3.4 A/D 7.3.4 A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标数数/模模 和和 模模/数数 转转
21、 换换 器器1.1.分辨率分辨率ADC的分辨率又称分解度。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
22、入值与实际输入值之差再与满量程输入值VREF之之比比,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.相对误差相对误差数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器 7.4 D/A7.4 D/A和和A/DA/D转换器应用举例转换器应用举例一、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。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器二、工作原理二、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
23、 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1OObuuu 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。数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器 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，
24、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 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21数数/模模 和和 模模/数数 转转 换换 器器用用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
