AD、DA转换

5V
/每1个最低有效位 个最低有效位
(2) D/A的组成 的组成 由三部分电路组成
电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器
1、权电阻D/A变换器 、权电阻 变换器
这种变换器由“电子模拟开关” 这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网 运算放大器” 基准电源”等部分组成。 络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。
模－数转换：模拟信号→数字信号： 数字信号： 数转换：模拟信号 数字信号 A/D转换器 (ADC:Analog Digital Converter) 转换器 数－模转换：数字信号→模拟信号： 模拟信号： 模转换：数字信号 模拟信号 D/A转换器 (DAC:Digital Analog Converter) 转换器
uo 控 制 逻 辑
时钟 清 0、置数 、 “1”状态是否保留 状态是否保留 控制端 清 0、置数 、 CP、(移位命令 、 移位命令 移位命令)
D / A
1 0 0 0
数码寄存器
1 0 0 0
移位寄存器
原理框图
3、双积分型ADC 、双积分型
双积分型ADC是一种电压双积分型ADC是一种电压-时间间接型模数转换器 ADC是一种电压 主要有积分器、比较器、 主要有积分器、比较器、计数器和控制电路组成 工作过程由对基准源和样值两次积分完成。 工作过程由对基准源和样值两次积分完成。
∞ C - +
B A
这种A/D 这种A/D 变 D1 换器的优点是转 换速度快， 换速度快，缺点 D0 是所需比较器数 目多， 数字输出 目多，位数越多 矛盾越突出。 矛盾越突出。
逻辑状态关系表
输入电压
uxLeabharlann 比较器输入编码器输出
A B C D E F G D2 D1 D0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0
A/D、D/A转换电路 、
Digital processing system with an ADC at the input and a DAC at the output
主要内容
D/A 、A/D转换的基本原理 转换的基本原理 各种D/A 、A/D转换器的工作原理 各种 转换器的工作原理
引言
数模转换电路（ 数模转换电路（DAC 或D/A ）
基本DAC电路 电路 基本 DAC的主要性能参数及芯片选用的方法 的主要性能参数及芯片选用的方法
D/A转换器原理 转换器原理
(1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量 功能: 功能 将数字量成正比地转换成模拟量 成正比
4位 4位 8位 位 n= 10位 位 12位 位 16位 位 数字量 n位 位 模拟量
2、逐次逼近型ADC 、逐次逼近型
其工作原理可用天平秤重作比喻。 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个 砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。 砝码共重 克 每个重量分别为 、 、 、 克 设待秤重量W 设待秤重量 x = 13克，可以用下表步骤来秤量： 克 可以用下表步骤来秤量：
砝码重 第一次 结 论 暂时结果 8 克 12 克 12 克 13 克
计算倒T 计算倒T型电阻网络支路电流的 等效电路
3、权电流型DAC转换器 、权电流型 转换器 转换
和权电阻网络相比，权电流DAC仅将V 和权电阻网络相比，权电流DAC仅将VREF和电阻 DAC仅将 的组合变成了基准电流源的2的负整数次幂的组合， 的组合变成了基准电流源的2的负整数次幂的组合， 其它关系未发生任何变化，电路构成比较简单。 其它关系未发生任何变化，电路构成比较简单。
D/A
0~5V或 或 0~10V
D/A 功能(续) 功能(
4位数据 0000 位数据: 位数据 0V 分辨率: 分辨率 5V/15=0.333V 1111 5V /每1个最低有效位 个最低有效位
8位数据 00000000 位数据: 位数据
0V
分辨率: 分辨率 5V/255=0.0196V
11111111
根据反相比例运算公式可得： 根据反相比例运算公式可得：
v0 = − RF i∑ = − RF ( I 3 + I 2 + I1 + I 0 ) VREF VREF VREF VREF = − RF d3 + d 2 + 2 d1 + 3 d 0 2R 2 R 2 R R VREF ⋅ RF 3 =− 2 ⋅ d 3 + 2 2 ⋅ d 2 + 21 ⋅ d1 + 2 0 ⋅ d 0 ) ( 3 2 R VREF = − 4 Dn RF＝R/2 2
8 克 砝码总重 < 待测重量 x ，故保留 待测重量W 待测重量W 砝码总重 > 待测重量 x ，故撤除
待测重量W 第二次 加4克 砝码总重仍 <待测重量 x ，故保留 待测重量 克 克 第三次 加2克 第四次 加1克 砝码总重 ＝ 待测重量 x ，故保留 克 待测重量W
uc
＋ ＋
∞ －
待转换的模拟电压) 待转换的模拟电压 ux (待转换的模拟电压
显然， 显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大 小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。 小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。
2、T形解码网络 、 形解码网络 形解码网络D/A变换器 以4位为例 ) 变换器( 变换器 位为例
和权电阻网络相比， 形解码网络中电阻的类型少， 和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少， 两种，电路构成比较方便。 只有R、2R两种，电路构成比较方便。
模数转换电路（ 模数转换电路（ADC 或A/D ）
A/D转换的基本概念 转换的基本概念 基本ADC电路 电路 基本 ADC的主要性能参数及芯片选用 的主要性能参数及芯片选用
A/D转换的基本概念 转换的基本概念
A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步 转换过程包括取样、保持、 转换过程包括取样 前两步在取样-保持电路 保持电路（ 骤，前两步在取样 保持电路（S/H）中完成，后两 ）中完成， 步在A/D转换电路中完成。 转换电路中完成。 步在 转换电路中完成 采样定理：fs >= 2 fmax 采样定理： （理论计算） 理论计算） fs >=（4~5）fmax （实际应用） （ ） 实际应用） 采样-保持：将采样后的值保存下来， 采样 保持：将采样后的值保存下来，并在采样脉冲 保持 结束之后到下一个采样脉冲到来之前保持不变， 结束之后到下一个采样脉冲到来之前保持不变，保 证ADC在此期间将样值转换成数字量。其原理与峰 在此期间将样值转换成数字量。 在此期间将样值转换成数字量 值检测电路相同，电路有LF198等。 值检测电路相同，电路有 等 量化与编码
双积分型A/D转换器 转换器 双积分型 的电压波形图 的电压波形图
ADC 的主要性能参数及芯片选用
一、分辨率：以输出二进制代码的位数表示 分辨率： 分辨率。位数越多，量化误差越小， 分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越 高。 转换误差： 二、转换误差：转换结果相对于理论值的误 常用LSB的倍数表示。 LSB的倍数表示 差。常用LSB的倍数表示。 三、转换速度：完成一次A/D转换所需要的时 转换速度：完成一次A/D转换所需要的时 A/D 间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的 数字量输出所需要的时间。 数字量输出所需要的时间。 四、其它：功率、电源电压、电压范围等。 其它：功率、电源电压、电压范围等
建立时间定义为：从输入数字量发生变化开始到输出进入 建立时间定义为： 定义为 稳态值± 范围之内所需要的时间。 稳态值±0.5LSB范围之内所需要的时间。含运算放大器的 范围之内所需要的时间 DAC其建立时间一般小于 其建立时间一般小于1.5µS，不含运算放大器的 其建立时间一般小于 ，不含运算放大器的DAC其 其 建立时间一般小于100nS。 建立时间一般小于 。
基本ADC电路 电路 基本
并行比较型ADC 并行比较型
特点: 转换速度快,转换时间 特点 转换速度快 转换时间 10ns ~1µs µ
逐次逼近型ADC 逐次逼近型
特点: 转换速度中,转换时间 特点 转换速度中 转换时间 几µs ~100 µs
双积分型ADC 双积分型
特点: 转换速度慢,转换时间 几百µ 特点 转换速度慢 转换时间 几百µs ~几ms 几
3、线性误差
通常用线性误差的大小表示D/A 通常用线性误差的大小表示D/A 变换器的线性 把偏离理想的输入－ 度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度 为非线性误差（FSR）。 输出之比的百分数定义 为非线性误差（FSR）。
二、转换速度
DAC的转换速度也称转换时间或建立时间，主要由DAC转 DAC的转换速度也称转换时间或建立时间，主要由DAC转 的转换速度也称转换时间或建立时间 DAC 换网络的延迟时间和运算放大器的电压变化率S 来决定。 换网络的延迟时间和运算放大器的电压变化率SR来决定。
DAC的主要性能参数及选用方法 的主要性能参数及选用方法
一、转换精度 1、分辨率
指输入数字量的最低有效位（ 指输入数字量的最低有效位（LSB）变化 个字 ）变化1个字 所引起的输出电压变化值相对于满刻度值（ 所引起的输出电压变化值相对于满刻度值（最大 输出电压）的百分比。 输出电压）的百分比。 有时也用输入数字量的有效位数（ ） 有时也用输入数字量的有效位数（n）来表示分 辨率。 辨率。
E > ux > 7E / 8 1 1 1 1 1 1 1
7E / 8 > ux > 6E / 8 1 1 1 1 1 1 0 1 6E / 8 > ux > 5E / 8 1 1 1 1 1 0 0 1 5E / 8 > ux > 4E / 8 1 1 1 1 0 0 0 1 4E / 8 > ux > 3E / 8 1 1 1 0 0 0 0 0 3E / 8 > ux > 2E / 8 1 1 0 0 0 0 0 0 2E / 8 > ux > 1E / 8 1 0 0 0 0 0 0 1E / 8 > ux > 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
ADC芯片的选用方法：选用ADC 芯片的选用方法：选用 芯片的选用方法 芯片应以上述的主要性能参数为依据， 芯片应以上述的主要性能参数为依据， 兼顾如输入通道、输出编码方式、输 兼顾如输入通道、输出编码方式、 出逻辑电平、与微机接口的形式（ 出逻辑电平、与微机接口的形式（并 行或串行）、接口的匹配等要求。 行或串行）、接口的匹配等要求。 ）、接口的匹配等要求
E R 7E/8 R 6E/8 R 5E/8 R 4E/8 R 3E/8 R 2E/8 R E/8 R
ux
+
1、并行比较型ADC 、并行比较型
- ∞ + - ∞ + - ∞ + - ∞ + - ∞ + - ∞ + G F E D
+ + + + + +
编 码 器
D2
电路由三部 分组成: 分压器、 分组成: 分压器、 比较器和编码器。 比较器和编码器
基本原理
电子模拟开关( 由电子器件构成， 电子模拟开关 S0-S3)由电子器件构成，其动作受 由电子器件构成 二进制数D 控制。 二进制数 0-D3 控制。 当 DK ＝1 时，则相应的开关 K 接到位置 上，将 则相应的开关S 接到位置1上 基准电源U 经电阻R 基准电源 R经电阻 k引起的电流接到运算放大器的 虚地点（如图中S 虚地点（如图中 0、S1） 开关S 接到位置0 当Dk＝0 时，开关 k 接到位置 ，将相应电流直接 接地而不进运放（如图中S 接地而不进运放（如图中 2、S3）。
2、转换误差
•转换误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。 转换误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。 转换误差有绝对误差 两种表示方法 •对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之 对于某个输入数字， 对于某个输入数字 绝对误差。 差称为绝对误差 差称为绝对误差。 •对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之 对于某个输入数字， 对于某个输入数字 差同满刻度之比称为相对误差 相对误差。 差同满刻度之比称为相对误差。