AD、DA转换原理数模、模数转换.ppt

12024/5/25 周六第第7 7章章 数数/模和模模和模/数转换数转换 模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。22024/5/25 周六数数/模和模模和模/数转换数转换 典型数字控制系统框图32024/5/25 周六7.1.17.1.1 D/A转换基本原理转换基本原理 数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。D/AD/A转换转换 数字量：(D3D2D1D0)2(D323D222D121D020)10(1101)2 (123122021120)10 模拟量：uoK(D323D222D121D020)10uoK(123122021120)10 (K为比例系数)42024/5/25 周六n位D/A转换器方框图 组成组成D/AD/A转换器的基本指导思想：将数字量按转换器的基本指导思想：将数字量按权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。D/AD/A转换器的种类很多转换器的种类很多,主要有：主要有：权电阻网络权电阻网络DACDAC、T T形电阻网络形电阻网络DACDAC倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC、权电流权电流DACDAC2024/5/25 周六5权电阻型权电阻型D/A转换器转换器 模拟开关，受Di控制权电阻网络求和放大器输入代码，为1时，模拟开关上拨；为0时，模拟开关下拨。2024/5/25 周六6运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器的输出电压为运算放大器的输出电压为 若若Rf=1/2R，代入上式后则得，代入上式后则得 2024/5/25 周六7 当当D=Dn-1D0=0时时因而因而U的变化范围是的变化范围是 当当D=Dn-1D0=111时，时，最大输出电压最大输出电压 精度由电阻的精度定，而此电路中阻值差别大，对集成不利精度由电阻的精度定，而此电路中阻值差别大，对集成不利 U=0 82024/5/25 周六倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 1.电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。图7-2 倒T型电阻网络DAC原理图 基准参考电压 双向模拟开关D1时接运放D0时接地R2R倒T形电阻解码网络 求和集成运算放大器 92024/5/25 周六2.工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。102024/5/25 周六 因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故流入运算放大器的总电流为：112024/5/25 周六由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因此从UREF流出的电流为：122024/5/25 周六故：132024/5/25 周六因此输出电压可表示为：142024/5/25 周六由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。对于n位的倒T形电阻网络DAC，则：152024/5/25 周六电路特点：（1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的；（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。162024/5/25 周六3 3 DAC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：分辨率 位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。172024/5/25 周六2.转换速度 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。182024/5/25 周六3.3.转换精度转换精度 转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为0.1V。百分数越小，精度越高。转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。192024/5/25 周六4.4.非线性误差非线性误差 通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大器的非线性引起。5.5.温度系数温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。202024/5/25 周六7.1.4 7.1.4 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 常 用 的 集 成 DAC有有 AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。1.D/A转换器AD7520 AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。212024/5/25 周六图7-3 AD7520内部逻辑结构图该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。222024/5/25 周六图7-4 AD7520外引脚图 D0D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1IOUT2：电流输出端2Rf：10K反馈电阻引出端Vcc：电源输入端UREF：基准电压输入端GND：地。232024/5/25 周六分辨率：10位线性误差：(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。转换速度：500ns温度系数：0.001%/AD7520的主要性能参数如下：242024/5/25 周六10位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。2.应用举例（组成锯齿波发生器）图7-5AD7520组成的锯齿波发生器 图7-5AD7520组成的锯齿波发生器 252024/5/25 周六A/D转换基本原理转换基本原理 A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。1.采样与保持 （1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。262024/5/25 周六图7-7 采样过程示意图 取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足 fs 2fmaxy(t)才 可 以 正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs（2.53）fmax。272024/5/25 周六（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO(=uc)跟随uI的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uO(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）图7-8 采样保持电路及输出波形282024/5/25 周六2.2.量化和编码量化和编码 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。292024/5/25 周六划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小 302024/5/25 周六7.2.2 7.2.2 A/D转换器工作原理转换器工作原理 直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器 312024/5/25 周六1.1.并联比较并联比较型型A/DA/D转换器转换器 322024/5/25 周六 寄寄存存器器：由由七七个个D触触发发器器构构成成。在在时时钟钟脉脉冲冲CP的的作作用用下下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。将比较结果暂时寄存，以供编码用。编编码码器器：由由六六个个与与非非门门构构成成。将将比比较较器器送送来来的的七七位位二二进进制制码码转换成三位二进制代码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻辑关系为。编码网络的逻辑关系为 332024/5/25 周六并联型A/D转换器的转换关系 342024/5/25 周六 例例如如，假假设设模模拟拟输输入入UIN=3.8V，UR=8V。当当模模拟拟输输入入UIN=3.8V加到各级比较器时，由于加到各级比较器时，由于 因因此此，比比较较器器的的输输出出C6C0为为0001111。在在时时钟钟脉脉冲冲作作用用下下，比比较较器器的的输输出出存存入入寄寄存存器器，经经编编码码网网络络输输出出A/D转转换换结结果：果：D2D1D0=100。优点：转换速度很快优点：转换速度很快 缺点：电路复杂，转换精度较低。缺点：电路复杂，转换精度较低。352024/5/25 周六逐次比较型A/D转换器天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。逐次比较思路：不同的基准电压砝码。图7-9 逐次逼近型ADCADC电路框图 CPD n-1D n-2 D n-3D1D0u0(V)uIuO？01 0 0 000.5UREF1（D n-1为1）/0（D n-1为0）1D n-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2为1）/0（D n-2为0）2D n-1 D n-2 1 001（D n-3为1）/0（D n-3为0）n-1D n-1D n-2 D n-3D111（D 0为1）/0（D 0为0）基准电压UREFn位A/D转换器 电路由启动脉冲启动后:362024/5/25 周六实例8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压 UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO为1否则为0 372024/5/25 周六图7-10 8位逐次比较型A/D转换器波形图 382024/5/25 周六 转化公式设设由于输出结果输出结果392024/5/25 周六双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。（1）电路组成402024/5/25 周六图7-11 双积分型ADCADC电路 积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。检零比较器C：当uO0时，uC0；当uO0时，uC1。计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T12nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。412024/5/25 周六工作过程：工作过程：准备阶段：转换控制信号CR0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn0使S1接通A点。422024/5/25 周六 采样阶段：当t0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即432024/5/25 周六 与此同时，由于uO0，故uC1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当tt1时，FF0FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T12nTc。442024/5/25 周六设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为 452024/5/25 周六 比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有462024/5/25 周六当tt2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2NTC。472024/5/25 周六 若以t1算作0时刻，当tT2时，积分器的输出uO0，此时则有482024/5/25 周六可见，T2UI。由于T T1 12 2n nTcTc，所以有492024/5/25 周六 结论：可见，NUIuI，实现了A/D转换，N为转换结果。第一，如果减小uI（即图7-12中的uI），则当tT1时，uOUp，显然UpUp，从而有T2T2；第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc；第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。由于T2NTc，所以 502024/5/25 周六 优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。512024/5/25 周六7.2.37.2.3 ADC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指A/DA/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADCADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。例如，输入模拟电压满量程为10V10V，若用8 8位ADCADC转换时，其分辨率为10V/210V/28 839mV39mV，1010位的ADCADC是9.76mV9.76mV，而1212位的ADCADC为2.44mV2.44mV。522024/5/25 周六2.转换误差 转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。例如某ADC的相对精度为(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为的一半。532024/5/25 周六3.转换速度 完成一次A/DA/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分ADCADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADCADC的转换时间大都在10105050s s之间；并行比较型ADCADC的转换时间可达10ns10ns。542024/5/25 周六7.2.4 7.2.4 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用举例举例 集成A/DA/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。ADC0804 A/D转换器 ADC0804是一种逐次比较型A/D转换器。552024/5/25 周六（1）ADC0804的主要功能及参数如下：分辨率为8位。线性误差为1/2LSB。三态锁存输出，输出电平与TTL兼容。+5V单电源供电，模拟电压输入范围05V。功耗小于20mW。不必进行零点和满度调整。转换速度较高，可达100S。562024/5/25 周六图7-13 ADC0804引脚图UIN+、UIN-：模拟信号输入端，可接收单极性、双极性和差模输入信号。UREF：基准电压输入端。CLK：时钟信号输入端。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLK端配合可由芯片产生时钟脉冲。（2）ADC0804各引脚功能说明如下：D0D7：数据输出端，有三态功能，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。572024/5/25 周六CS：片选信号输入端，低电平有效。RD：读信号输入端，低电平有效。当CS和RD均有效时，可读取转换后的输出数据。WR：写信号输入端，低电平有效。当CS和WR同时有效时，启动A/D转换。INTR：转换结束信号输出端，低电平有效。转换开始后，INTR为高电平，转换结束时，该信号变为低电平。因此该信号可作为转换器的状态查询信号，也可作为中断请求信号，以通知CPU取走转换后的数据。582024/5/25 周六在工业测控及仪器仪表应用中，经常需要由计算机对模拟信号进行分析、判断、以及加工和处理，从而达到对被控对象进行实时检测、控制等目的。2.应用举例（组成微机数据采集系统。）图7-14 ADC0804组成微机数据采集系统 592024/5/25 周六 当需要采集数据时，微处理器首先选中ADC0804，并执行一条写指令操作，此时ADC0804的CS和WR同时被置为低电平，启动A/D转换，此后，微处理器可以去做其它工作。100S后，ADC0804的INTR端由高变低，向微处理器提出中断申请，微处理器在响应中断后，再次选中ADC0804，并执行一条读指令操作，此时ADC0804的CS和RD同时被置为低电平，即可取走A/D转换后的数据，进行分析或将其存入存储器中。此时系统便完成了一次数据采集。602024/5/25 周六ADC0809612024/5/25 周六八位集成八位集成ADC0809ADC0809 622024/5/25 周六 A/D转换须经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成。采样、保持由采样保持电路完成；量化和编码须在转换过程中实现。逐次比较型ADC是将输入模拟信号和DAC依次产生的比较电压逐次比较。双积分型ADC则是通过两次积分，将输入模拟信号转换成与之成正比的时间间隔，并在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数来实现转换的。可供我们选择使用的集成ADC和DAC芯片种类很多，应通过查阅手册，在理解其工作原理的基础上，重点把握这些芯片的外部特性以及与其它电路的接口方法。