第八章数模和模数转换详解演示文稿

DI2
输出型8位数/模转换器。单电源供电，从+5～
DI1
+l5V均可正常工作。基准电压的范围为
DI0
±10V，电流建立时间为lµs，低功耗20mW。
VREF
R FB
DGND
1
20
2
19
3
18
4
17
5
16
DAC0832
6
15
7 引脚图 14
8
13
9
12
10
11
VCC ILE WR2 XFER DI4
DI5 DI6 DI7 IOUT2 IOUT1
取值控制。当di＝1时开关接
到参考电压VREF上，有支路 电流Ii流向求和放大器；当
di＝0时开关接地，支路电
流Ii为零。
图8.2.2
权电流：Ii VREF Ri
I0 VREF 23 R
I1 VREF 22 R
I2 VREF 21 R
I3 VREF 20 R
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8.2 D/A转换器的基本原理
一．A/D转换的一般步骤
由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为： 取样、保持、量化和编码。
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8.3 A/D转换器的基本原理 8.2.2 不同类型ADC的特点
模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接
ADC和直接ADC。
1.间接ADC
常用的集成芯片有
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8.3 A/D转换器的基本原理
若vo> vI ，则去掉这
个1;若vo< vI ，则保 留这个1.然后再将次 高位设置成1,再进行
比较，逐位比较下去 ，直到最低位为止。 这是寄存器所存的数 码即为输出的数字量 。
特点：电路不太复杂，速度较快
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8.3 A/D转换器的基本原理
R–2R倒T形电阻网络DAC
权电流型网络DAC
CB7520、
DAC0832
CMOS开关型DAC（速度低）
双极型DAC （速度高）
DAC0808、
DAC0807
电流开关型DAC（速度高）
ECL电流开关型DAC （速度最高）
第5页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量， 然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟
解： 输出电压值为
vo
VREF 24
(23 d3
22d2
21d1
20 d0)
5 24
(23
0
22
1
21
0
20
1)
1.5625V
i
d3
(
I 2
)
d2
(
I 4
)
d1(
I 8
)
d
0
(I 16
)
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8.2 D/A转换器的基本原理
DI7 13 DI6 14
DI5 15 DI4 16 DI3 4 DI2 5 DI1 6 DI0 7
（2）求和放大器A：为
一个接成负反馈的理想
运算放大器。即：AV＝ ∞，iI＝0，Ro＝0。由 于负反馈，存在虚短和 虚断，即V－≈V＋＝0，
iI＝0。
（3）VREF：基准电压
图8.2.2
第9页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
2.输出电压的计算：
输出电压为
v0 RF I RF (I3 I2 I1 I0 )
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8.3 A/D转换器的基本原理
并联比较型A/D转换器 图为并联比较型A/D转换器的电路结构图.
1. 组成：
并联比较型 A/D转换器是由 电压比较器、寄 存器和代码转换 电路三部分组成 。
图8.3.6 第32页，共38页。
8.3 A/D转换器的基本原理
逐次渐近型A/D转换器
工作原理：
第19页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
D/A转换器的主要技术指标
1.转换精度
（1）分辨率——分辨率用于表示D/A转换器对输入微小量变化敏感程 度的，定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从
00…00到11…11全部2n个不同的状态，给出2n个不同的输出电压，
位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往用
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8.2 D/A转换器的基本原理
在下图权电阻网络D/A转换器中，若取VREF=10V，试求当输 入数字量为d3d2d1d0=1010时输出电压的大小？
解： 输出电压值为
图11.2.2
vo
VREF 24
(23 d3
22 d2
21 d1
20 d0)
10 24
(23
1
22
0
21
1
20
由于
I VREF
R
i
d3
(
I 2
)
d
2
(
I 4
)
d1(
I 8
)
d
0
(I 16
)
故输出电压为
VO
Ri
R VREF R
1 24
(d3 23 d2 22 d121 d0 20 )
VREF D 24
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8.2 D/A转换器的基本原理
P206：8-5在下图倒T型电阻网络D/A转换器中，若取VREF=5V， R=1k试求当输入数字量为d3d2d1d0=0101时输出电压的大小？并计 算各个电流与输入数字量之间的关系。
速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。n位输出的ADC，
需要2n个电阻、（2n－1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位
数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。
逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐 渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要（n+1 ）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC 的转换速度慢，比双 分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器 件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。
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组成:
8.3 A/D转换器的基本原理
逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图所示。
它由比较器C、D/A转 换器、寄存器、时钟 脉冲源和控制逻辑等 。
工作原理：
a.逐次渐近寄存 器清零；
b. 先设寄存器状态为最高位为1,其他位为0（如4位A/D转换器 为1000），经过D/A转换器后，送到比较器比较。
CB7106 CB7127
先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成
数字量，常用是双积分型ADC。
双积分型ADC：
先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采 样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用 计数器对标准时钟脉冲（CLK）计数，计数器输出的计数结果就是
对应的数字量。
图8.2.2
由于V－ ≈V＋＝0，故各电流为
I3
VREF R
d3, I2
VREF 2R
d 2，I1
VREF 4R
d1, I0
VREF 8R
d0
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8.2 D/A转换器的基本原理
取RF＝R / 2，则输出电压为
图11.2.2
vo RF i RF (I3 I2 I1 I0 )
ADC0809引脚及使用说明
ADC0809采样频率为8位，以CMOS集成工艺制成。单个＋5V电源 供电，模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准，输出电压范 围为0～5V，转换时间为100μs。功耗低，约为15mW 。
0)
6.25V
第13页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
2 倒T形电阻网络D/A转换器 为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差太大的
缺点，改进电路为倒T型电阻网络D/A转换器，如图所示。
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8.2 D/A转换器的基本原理
根据“虚短”“ 虚地”，有V－≈V＋，无 论开关打在哪一面，流 过每个支路的电流始终 不变。故可等效成图所 示电路。
转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标 ，它表示实际的D/A转换器特性和理论转换特性之间的最大偏
差，如图11.2.16所示
*转换误差一般用最低
有效位的倍数表示，如1LSB
，即为输出的模拟电压和 理论值之间的绝对误差小于 等于输入为00…01时的输出 电压。有时也用绝对误差 与输出电压满刻度的百分 数来表示
转换。
第6页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
8.2.1 权电阻网络D/A转换器
图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是由权电阻网络、4 个电子模拟开关和1个求和放大器组成。
权电阻网络
模拟开关
求和放大器
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8.2 D/A转换器的基本原理
（1）S3~S0:为电子开关， 其状态受输入数码d3~d0的
（2）转换误差（实际精度）:
由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和 理论值存在着差异，如基准电压不够稳定、运算放 大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压 降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性 不一致等等因素，都会使得实际精度与转换误差 有关系。
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8.2 D/A转换器的基本原理
工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作
特点： 速度低。
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8.3 A/D转换器的基本原理
2.直接ADC
直接ADC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较
型ADC和逐次逼近型ADC 。
并联比较型ADC
常用的集成芯片有
ADC0804
并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，A各D位C输08出09码同时并行产生，故转换
第八章数模和模数转换详解演示文稿
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优选第八章数模和模数转换
第2页，共38页。
8.1 概述
• 模拟信号是表示模拟量的信号，模拟量是在时间和 数值上都是连续的的物理量。
• 数字信号是表示数字量的信号，数字量是在时间和
数值上都是离散的。实现数字信号的产生、传输和 处理的电路称为数字电路。
ILE 19
CS
1 2
WR1
WR2
18 17
XFER
8位 输入 寄存器
LE1
8
8位 DAC 寄存器
电 流 开
关
R-2R倒T 型电路网
络
12 11
LE2 8位DA转换器
RFB 9
3 20
10
VREF IOUT2 IOUT1
RFB
AGND
CS
VCC
WR1
DGND AGND
DI3
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流
输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。
另外也用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大电 压之比表示分辨率，即
D
/
A转换器的分辨率＝(
VREF 2n
20
)
(
2n 2n
1VREF
)
1 2n 1
如10位D/A转换器的分辨率为
1 210 1
1 1023
0.001
第20页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
图11.2.16
第22页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
D/A转换器的主要技术指标
2.转换速度 （1）建立时间（tset）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化
到相应稳定电压值所需时间。
（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化
率。
第23页，共38页。
8.3 A/D转换器的基本原理
RF
(VREF R
d3
VREF 2R
d2
VREF 22 R
d1
VREF 23 R
d0)
VREF 24
(23d3 22 d2
21d1 20 d0 )
第11页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
vo
VREF 24
(23 d3
22d2
21d1
20 d0)
上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。
逐次渐近就如称重 物，如13g的重物，有砝 码8g、4g、2g、1g。比较
过程如表所示
表11.3.1
逼近 次数
砝码
1
8g
2
4g
比较 8g<13g
砝码的 去留
转换结果
留 1000
8g＋4g<13g
留 1100
3
2g 8g＋4g＋2g>13g 去 1100
只要比较n次就够了
4
1g 8g＋4g＋1g＝13g 留 1101
• 数字信号与模拟信号可以相互转换。（A/D与D/A）
第3页，共38页。
一、用途及要求
8.1 概述
电加热炉
控制 对象
执行机构
传感器
热电偶
！精度
！速度
放大器
A/D 转换
微型计算机
D/A
转换
温 度
时间
第4页，共38页。
二、分类
按解码网络
按电子开 关类型
8.2 D/A转换器的基本原理
权电阻网络DAC T型电阻网络DAC
RR R R
第15页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
R
VREF I
R R R R 图11.2.5
则总的电流为
I VREF R
di di
1时，Ii流入i 0时，I i流入地端
i
d
3
(
I 2
)
d
2
(
I 4
)
d1
(
I 8
)
d
0
(I 16
)
第16页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
当Dn＝00 00时，v0 0;当Dn＝1111时，v0 2n2n1VREF , 故输出电压
Hale Waihona Puke 的最大变化范围是0~
2n 2n
1VREF。
注：1.若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出电压 为正值，可以将VREF取负值。
2. 此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。 缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越 多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。