1、第十章 模数和数模转换,第一节 D/A转换器,第二节 A/D 转换器,概述,计算机系统是一个数字系统、离散系统,而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界,对外部事物进行处理,就必须有一个将模拟量转换为数字量,将数字量转换为模拟量的接口,这就是常说的 A/D和 D/A。 虽然模拟量是无限可分的、连续的,数字量是离散的,数字量永远也不能精确地描述模拟量,但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度,所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。 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。,能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器
2、,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。,本章将简单介绍D/A转换器和A/D转换器的几种主要形式。,1 D/A转换器(DAC),一、D/A转换器的基本原理和转换特性,将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量就与数字量成正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,基本原理,转换特性,图示是输入为3位二进制数时的D/A转换特性。理想的D/A转换特性,应是输出模拟量与输入数字量成正比。即:输出模拟电压 uo=KuD ;Ku电压转换比例系数. 输出模拟电流io=KiD。;Ki电流转换比
3、例系数, D:输入二进制数所代表的十进制数。 如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0,则输出模拟电压为:,转换特性:指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。,给定数字量的D/A转换过程:,按权展开,求相应位的模拟量;相加求和,求总的模拟量;,电阻网络:实现按权展开;电子开关: 给定数字量;求和电路: 完成模拟量相加。,DAC的一般构成:,存在多种网络形式。,由晶体管或MOS管组成。,由运放组成 。,二、二进制权电阻网络DAC,参考电压,电子开关:d1接“-”;d=0 接“+”不论d接哪端(虚地或实地),各支路电流不变。,求和电路,电路,设RF=R/2, 转换原理,输出,三、T型电阻网络
4、DAC,电路,电子开关:d1接“VR”;d=0 接“地”, 转换原理, VR通过S0到D点 的电压值,等效电路:,S0接VRS1 S2 S3接地,同理:,所以,当d3d2d1d00001时,同理,当d3d2d1d00010时,当d3d2d1d00100时,当d3d2d1d01000时, d3d2d1d0为任意值时 D点的电压值:,输出:,取Rf3R :,开关在电阻网络和 VR之间。当Si由地 VR时,需建立 起相应的VD ,影响工作速度。 各开关动作时间不同,输出可能产生尖脉冲。 如:1000 0111的转换: 可能为1000 00000100 0110 0111,产生尖脉冲,特点,电路,注:
5、1、电子开关置于电阻网络和运放之间。 di1电流入P点(虚地), di0电流入地(实地)。 2、无论开关在左(实地)还是在右(虚地), 电流不变,故无需电流建立时间。,四、倒T型电阻网络DAC, 转换原理,节点A、B、C、D以右,等效电阻为2R。 总等效电阻为R。,总电流, 转换原理(续),每过一个节点,电流被分流1/2。, 转换原理(续),流入P点总电流,输出电压,常见DAC输出公式归纳,权电阻网络,T型电阻网络,倒T型电阻网络,取Rf3R :,取RfR :,例1:,设在T型电阻网络中,输入二进制的位数n6,参考电压VR=10V,当输入X110101时,求1。RF2R时,VO? 2。RF3R
6、时,VO?,解:,1。,2。,例2:,设在T型电阻网络中,参考电压VR=6V,RF3R作输入,求1。d3d01111时,VO? 2。d3d00001时,VO?,解:,1。,2。,叫DAC的满刻度输出电压值,位数越多,Vomax越接近VR。,叫DAC的最小输出电压值,位数越多,Vomin越接近0。,五、DAC常见输出形式,1.单极性输出方式,输出从0正满度变化(VR0),单极性反相电压输出,单极性同相电压输出,说明:单极性输出DAC,输入数字量一般采用自然二进制数.,如:n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表:,2.双极性输出方式,说明:,输出电压范围从负满度值正满度值变化.(如-5V
7、+5V),对应输入是带有符号位的数字代码,用1位数字作符号位.,在双极性转换中,常用的编码有: 符号数值码(符号位数值码) 偏移二进制码 2的补码 BCD码,偏移二进制码输入时,输入与输出的关系,有表可知:,同样的二进制码输入, 偏移双极性输出平移半程, 即输入80H对应输出为0。,d7为符号位,7位有效数 值位,输出正负各半。,偏移码输入与输出的关系:,偏移二进制码输入的DAC电路, A1完成单极性输出,, A2完成构成加法电路,完成双极性输出。,一般集成D/A转换器将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上,外接基准电压VR、求和运算放大器。,位数:8位、10位、12位、14位。,TTL工艺:A
8、D1408、DAC100等。,CMOS工艺:AD7532、AD7541、DAC0808、DAC0832、5G7520等。,输入:并行(传统芯片,如上述所有型号) 串行(近几年开发的芯片,如MAX518等),六、 集成D/A转换器及其应用,DAC0832说明, 8位DA转换器 COMS工艺 倒T型电阻网络 内部有2个数据寄存器 直通、单缓冲、双缓冲三种工作方式,结构,特点,D0D7:输入8位数字量,D7最高位(MSB),D0最低位(LSB)Io1、Io2:模拟电流输出端,Io1+Io2=常数VR/R 输入全1时,Io1最大,Io2最小;反之则反。 Io1相当倒T形DA转换中的I。RFB:运放用反
9、馈电阻引出端。RFR,使得,引脚说明,VR:基准电压, VR10V10V,VCC :电源电压 5V15V,引脚说明(续1),DGND:数字信号接地端。,AGND:模拟信号接地端。,:片选信号,低有效。,:输入锁存使能, 高有效。,:写信号1,低有效。,:数据锁存。寄存器输出不随输入变化。,:数据直通。寄存器输出随输入变化。,引脚说明(续2),:写信号2,低有效。,:DAC转换控制端, 低有效。,:数据锁存。寄存器输出不随输入变化。,:数据直通。转换数据随输入变化。,波形图,输入数据被锁存,转换数据被锁存,工作方式,直通工作方式:数据不作任何锁存;,单缓冲工作方式:数据被一个寄存器锁存;,双缓冲
10、工作方式:两个寄存器都对数据进行锁存。,直通工作方式,工作方式(续),单缓冲工作方式,双缓冲工作方式,调零和调满度,调零:输入D0D7为全零,调RE使Vo0,调满度:输入D0D7为全1,调RF使Vo最大,重复步骤,直到都满足为止。,步骤:,调零,调满度,七、D/A转换器的主要技术指标,分辨率:,分辨率取决于DAC的位数,故常用输入二进制数码的位数n来表示分辨率:,绝对误差,绝对误差理论满度值实际满度值Vo时 D=1; 使用了异步清0和置1端。,此外还有:DAC电路、比较器、控制电路(G1、G2、F5)等。,原理,设Vi=13.5V量化单位=1V,原理(续1),原理(续2),左移1位 QEA=1
11、1101, QB=0 /Sd30Q31 CP4 (Vo=1) Q41,数字量B4B3B2B1=1100经DAC得Vo=12V,Vo 0时Co=0,封锁G,使CP不起作用。 Uo 0时Co=1,打开G,计数器能对CP计数。,控制门G:,控制计数与否。, 工作过程,定时积分 (对Vi),定值积分 (对VREF ),所计的脉冲数N与Vi在T1内的平均值VI成正比,N即代表了VI的数字形式,完成了AD转换。,双积分型ADC的特点:,抗干扰能力强。(与Vi平均值成正比)精度高。(两次积分用同一个积分器, 积分器本身的误差能抵消。)速度较慢。一般用于工业现场仪表。,四、集成A/D转换器, ADC0809,
12、8位逐次逼近型A/D转换器,内部有8通道多路开关、地址译码、电压比较器、8位DA转换器、控制及时序电路等。,工作过程:,由地址(CBA)选择输入(IN0IN7),ALE进行地址锁存;START启AD转换;转换开始EOC0;转换结束EOC1,向外发出结束信号; 使OE1,读取转换结果。,ADC0809结构框图, 5G14433AD转换器,3 位CMOS双积分型A/D转换器。, 3 位:能显示4位数字,最高位显示1、0; 其余位可显09。 最大数字:1999;最小数字:0000,特点,线路简单 ; 精度高、抗干扰能力强;输入1路模拟量,输出3位半BCD码;速度慢;用于工业现场。,特点,五、主要技术
13、指标,转换精度,转换速度,分辨率:理论精度用AD转换位数表示。,n位输出,有2n个等级,每个等级相差1/2nFSR。FSR满量程输出。 一般分辨率指对参考电压的1/2n。,转换误差:实际转换数字量与理论转换数字量的差值。,一般用最低有效位的倍数表示,1/2LSB。,主要由转换类型决定。直接比较:几十ns 逐次逼近:几十s 双 积 分:几十ms,本章要求, 熟练掌握DA转换常用的几种方式(权电阻、T型、倒T型), 掌握它们的转换原理、输出形式。 熟练掌握AD转换常用的几种方式(直接比较、逐次逼近、 双积分),掌握逐次逼近、 双积分转换工作原理。 熟练掌握ADC和DAC的主要技术指标。 掌握常用集成ADC和DAC的特点。了解其选型的主要依据。,作业:8位DAC中,输入数字量分别为7FH、81H、F3H、01H, 分别视其为单极性自然二进制码和双极性偏移二进制 码输入,求对应的输出Vo,设VR10V。,本章完,