1、第2章 信号转换电路,本章主要讨论：,D/A的类型及原理 A/D的类型及原理,在计算机控制系统和智能仪器仪表中，经常需要进行数字量-模拟量转换（称为D/A转换），以及模拟量-数字量的转换（称为A/D转换）。,将输入数字量变换成模拟量输出的电路称为数/模转换器，简称D/A转换器或DAC(Digital to Analog Converter)。,权电阻网络D/A转换器 T型电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络D/A转换器 权电流网络D/A转换器,将模拟量转换成数字量的电路称为模/数转换器，简称A/D转换器或ADC(Analog to Digital Converter)。,并行比较型A/D转换器
2、 逐次逼近型A/D转换器 双积分型A/D转换器 V/F型A/D转换器,D/I,4.2.1 数/模转换电路,一、DAC的基本工作原理,框图,DAC的基本思路是先将输入的二进制数按其位权的大小转换成与之成正比的电流量，然后将电流再转换成模拟量电压输出。,三位D/A转换器的转换特性,最小输出电压增量VLSB表示输入数字量中最低位LSB变化时所引起的输出电压变化量。,d3 d2 d1 d0,权电阻网络D/A转换器,通常取Rf=R/2。,对于n位D/A转换器，则,可见，D/A转换器的输出与数字输入量成正比。理论上，影响模拟输出的除了Dn外，只有参考电压VREF。,例如：8位D/A转换器，参考电压为VRE
3、F=-10V，则D/A转换器的实际最大输出值为：,权电阻网络D/A转换器的特点是结构简单，缺点是电阻阻值范围太宽，精度不高。,二、倒T型电阻网络D/A转换器,特点是精度高，响应快。,输出电压为：,若输入为n位数字量时：,一般取R=Rf：,这种DAC的典型产品是AD7520(10位D/A转换器)。,三、DAC的双极性输出,当正负的数字量输入时，要求有正负的模拟量输出（称为双极性输出）。,在集成D/A转换器中，一般均考虑了器件作单极性使用或双极性使用的两种情况，只是在接线方式上有所不同。,一个负数通常用补码表示。因此，一个用补码输入的正、负数，通过偏移电路可以转换成正、负极性输出的模拟量。,以3位
4、二进制补码为例：,补码输入时相应的偏移码和D/A输出,双极性输出的D/A转换器电路,当输入补码d2d1d0 =000，即偏移码为100时，调节RB的值，使IB=VB/RB =IMSB ，所以输出模拟电压为0。,而在其他输入情况下，输出模拟量有：,对于n位的双极型D/A转换电路，则有：,Imax为偏移码全为1时的电流。,四、D/A转换器主要技术指标及应用要点,1、D/A转换器的主要技术指标,分辨率,DAC电路所能分辨的最小输出电压增量VLSB与最大输出电压Vm之比称为分辨率。,分辨率的大小仅由输入数字量的位数决定，因此在手册上常用DAC的位数来表示。,DAC输入数字量的位数越多，则分辨能力越高。
5、,非线性(线性度),也称非线性误差，指DAC的零点调整好后，实际的模拟量输出与理论值之差。,常用百分数或位数来表示。如 非线性为10位，表示最大偏差为满刻度的 内。,转换精度,以静态转换误差的形式给出。,包括非线性误差、增益误差、零点误差、漂移误差及噪声误差等综合误差。,注意转换精度与分辨率之间的区别！!,转换精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果发生影响的最小输入量。分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。,建立时间,温度系数,对于实际的D/A转换器，当输入信号变化时，输出跳变到新的模拟信号存在时间延迟。,建立时间定义为D/A转换器的输入信号满刻度
6、变化时，输出模拟信号达到满刻度值的 LSB或（1LSB）所需的时间。,不同型号的D/A转换器，其建立时间是不同的。,指温度变化时，D/A转换器的增益、线性度、零点等参数的变化量。,2、D/A转换器应用要点,D/A转换芯片主要性能指标的选择,数字量输入特性,各项精度指标：满足应用系统允许误差要求。,转换时间：速度满足应用系统实时响应要求。,工作环境条件指标。,输入码制：是否带符号位。,数据格式：并行码/串行码。,逻辑电平：TTL/CMOS电平。,模拟量输出特性,锁存特性及转换控制,参考源,是电流输出型还是电压输出型。,是否设有数据寄存器。,控制信号的脉宽、建立时间、保持时间等是否满足系统的时序要
7、求。,影响模拟输出结果，对转换精度有较大影响。,五、集成D/A转换器实例,集成D/A转换器特点,目前，电子线路中大多采用集成芯片形式的D/A转换器。应用时，应选择性价比高的集成芯片，尽可能简化接口电路。,早期的D/A转换芯片：只具有从数字量到模拟电流输出量的转换功能，在使用时必须外加输入锁存器、参考电源及输出电压转换电路。 常用型号：8位分辨率的DAC0800系列，10位分辨率的DAC1020、AD7520系列，12位分辨率的DAC1220、AD7521系列。,中期的D/A转换芯片：在内部增加了一些计算机接口电路，有了输入锁存功能和转换控制功能，可直接和微处理器的数据总线相连。 常用型号：8位
8、分辨率的DAC0830系列，12位分辨率的DAC1208、DAC1230系列。,近期的D/A转换芯片：将一些D/A转换外围器件集成到芯片内部，有的芯片内部带有参考电压源，有的集成了输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出。 常用型号：8位分辨率的AD558，12位分辨率的DAC811，16位分辨率的AD7535、AD7536。,8位分辨率，与8位微机兼容 价格低，接口简单 转换控制容易 电路为R-2R 倒T型电阻 网络结构 VREF外接参考电压， 可正、可负 IOUT1和IOUT2是电流 输出端，接运放,DAC0832：8位D/A转换器,内部电路框图,典型应用电路,接口问题：地址线、数据
9、线及控制线的连接。,DAC0832有数据锁存器，可直接挂在数据总线上。,DAC0832的地址可由片选端设置。,控制线连接分为单缓冲方式和双缓冲方式。,MOV AL, DATA OUT PORT, AL,双缓冲同步方式，双极性电压输出,MOV DPTR, #0DFFFH ;选中(1)片 MOV A, #data1 MOVX DPTR, A MOV DPTR, #0BFFFH ;选中(2)片,MOV A, #data2 MOVX DPTR, A MOV DPTR, #7FFFH ;同步转换 MOVX DPTR, A,4.2.2 模/数转换电路,一、A/D转换的基本原理,对连续变化的模拟量在一系列取
10、定的时间瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。,由于将采样值转变为数字量需要一定的时间，因此，取样电压还须保持一段时间。,保持后才可将模拟量信号归化到与之相应的离散电平上(称为量化)，并用代码表示(称为编码)。,A/D转换过程一般包括四个步骤：取样、保持、量化和编码。,1、取样定理和采样-保持电路,采样-保持电路,S是模拟开关，CH是保持电容。,为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，对采样信号频率fs有一定的要求。由采样定理得： fs2fimax 。,在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差下，采样脉冲频率fs常按下式选取：,一个实用的采样-保持电路,2、量化和编码,将
11、取样后的值用一个最小单位的整数倍来表示，称为量化（数值量化或数值分层）。,舍尾取整法,当输入值vI为：,量化值取：,S为量化单位：,最大量化误差为：,四舍五入法,最大量化误差为：,量化单位的计算：,如图中，,二、逐次逼近型A/D转换器,3位逐次逼近型A/D转换器,转换原理,顺序脉冲发生器波形：,设S=1V，输入模拟电压vI=4.65V。,逐次逼近转换过程：,开始转换前，设Q2Q1Q0=000。设S=1V，输入模拟电压vI=4.65V。,电压逼近波形图,逐次逼近型A/D转换器的特点：,转换速度较快，转换一次的时间需( n+2)TCP,转换精度较高，可做到0.005%,三、双积分式A/D转换器,这
12、是一种间接A/D转换器，它首先把输入的模拟信号转换成中间变量时间，然后再将时间转换成数字量输出。,双积分式A/D转换器由积分器、过零比较器和n位二进制加法计数器等电路组成。,原理框图,初始化处理,第一阶段:定时积分,第二阶段:定斜率积分,转换原理,转换开始前，进行初始化处理：计数器和触发器清零，S1接通A，S2闭合，使积分电容C充分放电，vO1=0，C0=0，与门G封锁。输出dn-1d1d0=00。,第一阶段：对输入模拟电压进行定时积分,S2打开，S1连输入电压，C0=1，CP脉冲加入，计数器以二进制加法计数。,当计满1111并返回000 0后，附加触发器由0变1，S1开关接通 -VREF。定
13、时积分结束。,S1接通负参考电压(-VREF)。积分器正向积分，但C0=1，计数器由零开始进行第二次加法计数。当积分器正方向积分至0V时，C0=0，,第二阶段：对基准电压进行定斜率积分,当积分器积分至0V时，C0=0，CP脉冲被封锁，计数器停止计数。则此时计数器所累计的数据就是输入模拟量所对应的数字量了。,定量分析,第一次积分（t0t1),第二次积分（t1t2),所以，,双积分式A/D转换器的特点,由于采用了积分器，抗干扰能力强。,两次积分用同一个积分器，使输出结果与积分参数无关，精度高。,转换时间一般在几十ms以上(2n+1-1)TCP，转换速度较低。,主要应用在精度高，而速度相对较慢的数字
14、测试设备和仪表中。,四、A/D转换器的主要技术指标与应用要点,1、A/D转换器的主要技术指标,分辨率,用区分相邻两个数字量的最小输入模拟电压增量表示A/D转换器的分辨能力。一个n位的A/D转换器，可以分辨出输入满度电压的2n之一。 如一个满刻度输入10V的12位A/D转换器，可以分辨出10/212 2.44 mV的输入电压变化量。,精度误差,输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差，其最大值定义为精度误差。,精度误差包括： 量化误差、偏移误差、 增益误差、非线性误差。,转换时间,完成一次A/D转换所需的时间，是指从启动A/D转换开始到获得相应数据所需的总时间。 转换时间与A/D转换类型有关
15、。,2、A/D转换器应用要点,位数选择,A/D转换器的位数与设计系统的测控范围以及精度要求有关。A/D转换器的位数通常应比总精度要求的最低分辨率高一位。,转换速度选择（转换时间）,根据采集对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证对系统的实时性要求。,并行比较型ADC,逐次逼近型ADC,转换时间仅为20100nS，用于数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。,转换时间在1S100S，用于工业上的多通道测控系统和声频数字转换系统、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。,双积分式ADC,转换时间在1mS100mS，用于温度、压力、流量等慢变化的检测和控制系统
16、，一般的仪器和仪表中。,工作电压和参考电压选择,工作电压有15V、+12+15V、+5V等，最好选择能与数字系统共用一个电源比较方便。,参考电压（基准电压）VREF的稳定性对A/D的转换精度关系大，应选用高精度、高稳定性的基准电压。,A/D转换器量程选择,常见A/D转换器的量程有：,0+5V、0+10V 单极性输入,-5+5V、-10+10V 双极性输入,应根据系统的极性要求决定。,五、集成A/D转换器实例,集成A/D转换器特点,A/D转换芯片品种繁多，主要有并行比较型、逐次逼近型和双积分型等几种。,并行比较型：速度最快，价格昂贵，非必要时一般不会采用。 逐次逼近型：种类最多、数量最大，应用最
17、广 。价格适中，特别适合对速度要求不是特别高的应用场合。 双积分型：广泛应用于精度要求高但转换速度慢的数字测量设备和仪表中。,GND,ADC0809：8位逐次逼近型ADC,8路模拟量输入，具有与微机兼容的控制逻辑 内部没有时钟，需由外部提供 CMOS工艺，15mW功耗 输入模拟电压05V 转换时间为100S 精度1LSB,ADC0809内部电路图, 模拟量输入通道选择,三位地址输入后，加ALE将地址锁存住。经地址译码后，去选通多路开关，决定选择哪一路模拟量。,工作过程, 启动A/D转换过程,加启动脉冲START， A/D转换开始。启动脉冲上沿先清0逐次逼近寄存器，下降沿开始A/D转换。EOC为
18、转换结束标志位，高电平表示转换结束。,转换结束后，结果保存在三态输出锁存器中。在使能输出端OE加上正脉冲，将其中的数据送至数据总线以供读出。, 输出数据,ADC0809的典型应用,固定延时法 查询法 中断法,MOV DPTR, #0FEFFH MOV A, #01 ;选择通道IN1 MOVX DPTR, A ;锁存地址并启动,作 业 ：,题4.2.3 题4.2.5 题4.2.8,补充习题基本概念,1. 一个十位D/A转换器，当输入全1时，其输出电压VO为5.115 V。当输入为(1001101000)2时，其输出电压VO为 V。 2. D/A转换器的非线性误差为10 位，表示非线性误差在满刻度的 以内。 3. 设逐次逼近型A/D转换器和双积分型A/D转换器均为12位ADC，A/D转换器的时钟频率为1 MHz，则各种A/D转换器完成一次A/D转换的最长时间约为：并行比较型A/D为 微秒，逐次逼近型A/D为 微秒，双积分型A/D为 微秒。,蔡忠法 浙江大学电工电子教学中心,Ver2.11 版权所有 2011年,Thank you for your attention,
