《数字电子技术》第9章 DA转换器和AD转换器课件

第9章 D/A转换器和A/D转换器
内容提要：
（1）D/A、A/D转换器的概念、基本工作原理。 （2）集成D/A、A/D转换器的应用 。
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9.1 概述
主要内容：
D/A、A/D转换器的概念 D/A、A/D转换器的实际举例
2
1．D/A、A/D转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，
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。
2．D/A、A/D转换器的实际举例
如图为 一个锅 炉加热 信号采 集和控 制系统
3
4
9.2 D/A转换器
主要内容
D/A转换器的电路结构框图
二进制权电阻网络D/A转换器
倒T型电阻网络D/A转换器
D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系
D/A转换器的3个主要技术参数
集成ADC0832及其应用
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I0
U REF 8R
I1
U REF 4R
I2
U REF 2R
I3
U REF R
i
I 0 D0
I1D1
I2D2
I3D3
U REF 8R
D0
U REF 4R
D1
U REF 2R
D2
U REF R
D3
U REF 23 R
(23
D3
22
D2
21
D1
20
D0 )
10
i
I 0 D0
I1D1
I 2 D2
32
2．常用A/D转换器的工作特点
转换速度最高的是：并联比较型ADC； 转换速度最低的是：双积分型ADC； 转换精度最高的是：双积分型ADC； 转换精度最低的是：并联比较型ADC； 转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC
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9.3.3 A/D转换器的主要技术参数
1．分辨率 用输出二进制数的位数n表示，位数越多，对输
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OE：输出允许信号，高电平有效。 CLK：时钟信号输入端，外接时钟 频率一般为640kHz。 Ucc： +5V单电源供电。 UREF（+）、UREF（-）：基准电压 的正端和负端。一般UREF（+）接 +5V，UREF（-）接地。 D7～D0：数字信号输出端。
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ADC0809典型应用电路：
显然，采用不同量化方式，其量化后的结果存在差异；而且 上述量化结果与采样值之间存在误差，这种误差称为量化误差。
把上述量化结果用代码表示，称为编码。
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波形的量化编码情况一
波形的量化编码情况二
编码位数越多，量化误差越小，准确度越高。
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9.3.2 A/D转换器的种类
1．A/D转换器的种类
A/D转换器按照工作原理的不同可分为直接A/D转换器和间 接A/D转换器。
故输出数字量：D＝01100100。
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综合例子：
A/D 转换器和 D / A 转换器在数字音响系统中的应用
41
ห้องสมุดไป่ตู้ 42
43
44
45
46
47
取样周期和量化单 位可十分关键哟！
48
49
19
2．转换精度 指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最
大静态转换误差。
3．转换时间（输出建立时间） 从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值
时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。
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9.2.5 集成D/A转换器及应用举例
DAC0832
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ILE WR1 WR2 XFER CS ：片选信号，输入低电平有效。 D7~D0：8位输入数据信号。 UREF：参考电压输入。一般此端外 接一个精确、稳定的电压基准源。 可在-10V至+10V范围内选择。
3．转换时间 转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间
是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定 的数字输出信号所经过的这段时间。
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9.3.4 集成A/D转换器及应用举例
ADC0809
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IN0～IN7：8路模拟信号输入端。 A2、A1、A0：8路模拟信号的地址码 输入端。 ALE：地址锁存允许输入信号，在此 脚施加正脉冲，上升沿有效。 START：启动信号输入端，应在此脚 施加正脉冲. EOC：当转换结束后，EOC变为高电平。
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例9-3 4位R－2R倒T形电阻网络DAC如上图所示， 设基准电压UREF=-8V，RF= R，试求其最大输出电 压值。 解：将D3D2D1D0=1111代入
uo
U REF 24
(23
D3
22
D2
21 D1
20
D0 )
8V 24
(23
1
22
1
21
1
20
1)
7.5V
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例 已知Ｄ／Ａ转换电路中，当输入数字量为10000000
（2）舍去小数法：把＜δ的电压作为“0δ”处理， 把≥δ而＜2δ的电压作为“1δ”处理。
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(a)舍去小数法 (b)四舍五入法；
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例如：设δ＝1V，采样值分别为：2V、4.4V、4.5V和 5.7V。
（1）四舍五入法：量化结果为：2V＝2δ，4.4V＝4δ，4.5V＝ 5δ，5.7V ＝6δ； （2）舍去小数法：量化结果为：2V＝2δ，4.4V＝4δ，4.5V＝ 4δ，5.7V ＝5δ。
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DAC0832典型应用电路图：
电流转换为 电压
uo (RFB I OUT1 )
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9.3 A/D转换器
主要内容
A/D转换的4个步骤 A/D转换器的种类 A/D转换器的3个主要技术参数 A/D转换器的数字输出与模拟输入之间的关系 集成ADC0809及应用
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9.3.1 A/D转换的一般步骤
0 0 1 0 1.0 1 0 1 0 5.0 0 0 1 1 1.5 1 0 1 1 5.5
系
0 1 0 0 2.0 1 1 0 0 6.0
曲
0 1 0 1 2.5 1 1 0 1 6.5
线
0 1 1 0 3.0 1 1 1 0 7.0
0 1 1 1 3.5 1 1 1 1 7.5
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输 出 电 压 值
时，输出电压为6.4V，则当输入为01010000时，其输出
电压为（
）。
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9.2.4 D/A转换器的主要技术参数
1．分辨率
分辨率用输入二进制数的有效位数表示。 在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的 输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。
D3D2D1D0 uo(V)
入模拟信号的分辨能力越强。
例如：输入模拟电压的变化范围为0～5V。 输出8位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为 5V×2-8＝20mV；
而输出12位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为 5V×2-12≈1.22mV。
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2．转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的
输出数字量之间的差别。常用最低有效位（LSB） 的倍数表示。
0000
0.0
0001
0.5
0010
1.0
0011
1.5
0100
2.0
0101
2.5
0110
3.0
0111
3.5
D3D2D1D0 uo(V)
1 0 0 0 4.0 1 0 0 1 4.5 1 0 1 0 5.0 1 0 1 1 5.5 1 1 0 0 6.0 1 1 0 1 6.5 1 1 1 0 7.0 1 1 1 1 7.5
uo K v (Dn1 2n1 Dn2 2n2 D1 21 D0 20 )
6
理想转换特性：
7
2．D/A转换器的电路结构框图
uo K v (Dn1 2n1 Dn2 2n2 D1 21 D0 20 )
8
9.2.2 二进制权电阻网络D/A转换器
电路结构
不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端 （虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号 是1还是0，各支路的电流是不变的。
RFB：反馈电阻（内已含一个反馈电阻RFB ）接线端。
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IOUT1：DAC输出电流1。当DAC寄存
器中的各位为1时，电流最大；为
全0时，电流为0。
IOUT2：DAC输出电流2。满足如下
关系：
IOUT1+IOUT2 = 常数。
I OUT1
U REF R
(D)10 256
UCC：电源输入端（+5 ~ +15V，一般取+5V）。 DGND：数字地。 AGND：模拟地。
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程 通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。
1．采样－保持
采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。 其采样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax 的两倍。 采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为A/D转 换必须花时间处理采样值。
I3D3
U REF 8R
D0
U REF 4R
D1
U REF 2R
D2
U REF R
D3
U REF 23 R
(23
D3
22
D2
21
D1
20
D0 )
设RF＝R/2，
uo
RF iF
R 2
i
U。 REF
24
(23
D3
22
D2
21
D1
20
D0 )
输出电压的最大变化范围是:
0～
2n 1 2n U
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9.2.3 倒T型电阻网络D/A转换器
R－2R倒T形电阻网络D/A转换器如图所示。
①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电 阻都是R。
②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地） 还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路 的电流不变。
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基准电源UREF提供的总电流IREF =？
5
9.2.1 D/A转换器的电路结构
1. D/A转换器的基本原理和转换特性 基本原理：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。
转换特性：是指其输出模拟量和输入数字量之间的 转换关系。
理想D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与 输入数字量成正比:
I REF
U REF R
I3
1 2
I REF
U REF 2R
I1
1 8
I REF
U REF 8R
I2
1 4
I REF
U REF 4R
I0
1 16
I REF
U REF 16R
uo
RF iF
RF i
U
REF RF 24 R
(23 D3
22
D2
21 D1
20 D0 )
该公式可推广到n位！
26
采样和保持操作示意图如下：
27
2．量化－编码 一般把上述采样保持后的值以某个“最小数
量单位”的整数倍来表示，这一过程称为量化。 规定的最小数量单位称为量化单位或量化间隔，
用“δ” 表示。
量化的方法一般有两种：四舍五入法和舍去小 数法。
（1）四舍五入法：把＜δ/2的电压作为“0δ”处 理，把≥δ/2而＜3/2δ的电压作为“1δ”处理；
问题：图中为何将启动信号输入端与转换结束端EOC直接相连？
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例9-4 某8位A/D转换器的输入模拟电压满量程为5V， 当输入电压为1.96V时，求对应的输出数字量？
解：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比：
Vi K D10
5
1.96
(11111111)10 (D)10
(D)10 100
REF
11
例9-1 4位二进制权电阻网络DAC如上图所示，设基准电压 UREF=－8V，RF= R/2，试求输入二进制数D3D2D1D0=1001 时的输出电压值。
解：将D3D2D1D0=1001代入公式得
uo
U REF 24
(23
D3
22
D2
21 D1
20
D0 )
8V 24
(23
1
直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量;
间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换成中间量，如时间或 频率，然后将这些中间量转换成数字量。
常用的直接A/D转换器：并联比较型A/D转换器和逐次比较型 A/D转换器。
常用的间接A/D转换器：中间量为时间的双积分型A/D转换器， 中间量为频率的电压－频率转换型A/D转换器。
22
0
21
0
20
1)
4.5V
12
例9-2 接例9-1，求输入二进制数为0000～1111时的输出电压
值，并绘制出输出与输入之间的关系曲线。 解：
D3D2D1D0 uo(V) D3D2D1D0 uo(V)
0 0 0 0 0.0 1 0 0 0 4.0
0 0 0 1 0.5 1 0 0 1 4.5
关