AD-DA原理

数字系统
D/A
A/D
转
转
换
换
1. 概述
典型数字控制系统框图
1. 概述
分类
网络权电阻DAC 倒梯形电阻网络DAC
DAC
权电流型DAC 权电容型DAC
开关树型DAC
输入/输 出方式
并行 串行
ADC
直接ADC 间接ADC
2.D/A转换器原理
(1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量
4位 数字量
入到寄存器1
WR1 = 0时存入数据 WR1 = 1时锁定
数据由寄存器 1转送寄存器 2从输出端取
模拟量
0
WR2 = 0时存入数据 WR2 = 1时锁定
无控制信号， 随时可取
例1. 单步输入操作 ----- 适用于单个DAC工作
D... 7
CS WR1
Rfb
Iout1 - +
D0
ILE WR2 XFER
一、权电阻型D/A转换器
UREF
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
0 1 01
0
i
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
uO i iiRininnf0121Di UD2RRiEnRF1f2U•R•UURUR2R2EERRnFFRnREE1niF2niF0101DDi 2ii,2i , Di D(0,i1) (0, 1)
n1
Di 2i
i0
运算放大器的输出电压为
u0
RF I


RFU REF 2n1 R
n1
Di 2i
i0
若RF=1/2R，代入上式后则得
u0


RFU REF 2n1 R
n1
Di 2i
i0
U REF 2n
n1
Di 2i
i0
U REF 2n
D
输出电压正比于输入的数字量D=Dn-1Dn-2 …D1D0， 从而实现了从数字量到模拟量的转换。
uI
R1
T SSS(t(()tt))
∞ +
化。这当种取暂样时脉保冲持结由束瞬，时即取在样TS-tw
得到时间的内模，拟场信效号应的管电T路关，断就，因是而 1
取 常用样电保变的容持。—取器 不保样上变持—电，电保压则路持uu。CO电无=右-路u泄图C。也放是保回一持路种不， S(t) 0 tW
TS-tW
uO uO= -uC
uI
UURREEFF
R
UR7=
1133 1144
2
UURREEFF
R
UR6=
1111 1144
UURREEFF
R
UR5=
99 1144
UURREEFF
R
UR4= 174174UURREEFF
R R
5 UR3= 14154UURREEFF
R 3R
UR2= 11434UURREEFF
D/A转换器
右图所示的电路中，设 UREF
n=4, UREF =－10V, R=100kΩ, Rf=8kΩ, 输 入 二 进 制 数 码
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Rf
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
1
01
01
01
01
0
S3S2S1S0 为 1011 。 试 问 运 算
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
1. 权电阻型D/A转换器
MSB
权电阻 网络
LSB
求和放 大器 模拟开关，受Di控 制。 Di =1时，模拟开 关左拨； Di =0时，模 拟开关右拨。
2 . D/A转换器
运算放大器总的输入电流为
I

n1
Ii
i0
n1

i0
U REF 2n1 R
Di 2i

U REF 2n1 R
D/A与A/D转换
1. 概述
1. 模-数转换
定义：模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，或称为 A/D（Analog to Digital）。 把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter ADC）。
2. 数-模转换
定义：模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为 A/D（Analog to Digital） 把 实 现 D/A 转 换 的 电 路 称 为 D/A 转 换 器 （ Digital Analog Converter DAC）。
D/A和A/D转换的基本原理
一、模拟量、数字量以及二者的相互转换 数字控制
连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可系以统连框续图取
值的。有规律但不连续的变化量称为数字量，也连叫续离变散化量的。
数字量是不能连续取值的。
模拟量
处理后的数
被控对象
执 字信息
行
传
机
感
构
电压、电电数流的字或模信频拟号量
器
率等电量
C3
0
uI

5FFU3 REF
14 1 Q3
C2
1
0 uI

3FF2UREF 14 Q2
LSB
C1
1
uI
1FFU1 REF
（1） 采样定理 模拟信号
采样信 号
取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率
fmax的两倍，即： fs 2 fmax
3. A / D转换器
（2） 量化和编码
量化：
将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。 用表示
编码：
将量化结果用代码表示出来。
量化误差：
由于模拟量不一定能被整除。
二、R-2R 网络型D/A转换器
IREF
1/2IREF R
R
R
R
UREF
1/2IREF2R
2R
2R
2R
2R 2R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
01
01
0
虚i 地
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
对地电
阻为2R
IREF值i，U从R与RE而IF权2R克电EnF服阻uo了ni网0权1络D电相iRi阻比f2网，i ,络R-U阻2R2R值电EnDFR多阻Ri、f网ni阻络01(值中0D差,i只12别i有),大R、的D2缺Ri 点两。(种0,阻1)
2 .D/A转换器
当D=Dn-1…D0=0时, uo =0
当D=Dn-1…D0=11…1时， 最大输出电压：
uo
Uom


2n 2n
1
U
Re
f
2n 1 因而uo 的变化范围是： 0 ~ 2n UR
特点：
电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电 路中阻值差别大，对集成不利。
D/A转换器
7 6 5 4 3
2
表达原模拟信号。
1
O 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7TS 8TS
t
取样信号
A/D转换器
二、取样—保持电路
R2
在由取于样对脉模冲拟S（量t）进持行续量时化间的
+-
C
过tw内程，需T要导一通定。的输时入间信，号u所I经以开为
保关T证对转电换容精C进度行，充在电转。换只（要即充量 化值电（号保时tu））O持间就时的不常能间持变数跟内续。远踪时应小输间使于入t取w取，信样样则号点信输uI的的号出函变S信数
3. A / D转换器
例如：要将01V的模拟电压转换为三位二进制代码。 方法1：取＝1/8 V，0 1/8 V 的电压以0× 表示，则：
模拟电压 二进制编码 代表的模拟电压电平
可见量化误差最大达=1/8 V。
3 . A / D转换器
方法2：取＝2/15 V，0 1/15 V 的电压以0× 表示，则
模拟电压 二进制编码 代表的模拟电压电平
可见量化误差最大达/2=1/15 V。
二、取样—保持电路
模拟信号
f(t)
所谓取样就是将一个时间上连 续变化的模拟量转换为时间上离散 的模拟量。
根据取样定理，每经过一定时 O
t
间间隔TS取出信号的一个值，只要 f *(t)
T率S≤），2这1（fm些fm取为样信值号就频可带以中无的损最失高频地
3. 使用说明 （1）双缓冲器方式——特点：转换速度快，但控制电路复 杂。
（2）单缓冲器方式——特点：转换速度慢，但控制电路简 单（常用方式）。
DAC0832—— 8位数模转换器 1. DAC0832的内部结
DI7～ DI0 ILE
8位输入 寄存器
8位DAC 寄存器
IE1
IE2
&
8位D/A 转换器
uO
放大器输出电压是多少？
解：
3
uO


Rf U REF R
Di 2i

810 (23 100

21
1)V

8.8V
i 0
权 电 阻 型 D/A 转 换 器 中 的 解 码 网 络 所 用 的 阻 值 范 围 很 大 , 特别是当分辨率较高时, 电阻值的范围会大得难以实现。
D/A转换器
D1
I 2n1

D0
I 2n

I 2n
(Dn1 2n1

Dn2 2n2

D1 21

D0 20 )

I 2n
n1
Di 2i
i0
运算放大器的输出电压为：
U
I RF
IRF 2n
n1
Di 2i
i0
2 . D/A转换器
若RF=R，并将I=UR/R代入上式， 则有
2 . D/A转换器
2. 倒T形电阻网络D/A
I
流入 2R 支路 的电流是依2 的倍速递减。
Di=1，Si将电阻接到运放反向输入端 都是虚地，各支路 Di=0，Si将电阻接到运放同向输入端 电流不会变化
2. D/A转换器
流入运算放大器的电流为：
I

Dn1
I 21

Dn1
I 22

01 011假是0 定在0 被(01/转70)U换0 R的EF时模的拟0 1值输0。
110001101乎1是0 参由同uuuuIIII考(（(模0于时电11例在间(化//最拟压117各的：/4)的误(1U其初电1)4个，U入变表求当/R值差)1中和压ERU4电化模输比所FE和不)R1，6最从F3U4E压。拟出。段较以(会UFR另末01RE，取输u的因间到/EDD超01F7器并F外I）21，触的器在)因入3数此隔UU过u位两为的行(R发同组0IR此u字，为3E(～E二段由I/1F工比1器步。的F1，5量输整/4最U41进间7U组寄数)4作较最。R入个个RU多)E制E隔F成存字RFU大D过型相范E，数R输F量E之程差A围代F出。/内几D。
R
1R
UR1=
141 14
UREF UREF
R
R2
2
C7
0
0 FF7 Q7
111
uI uI
第三节 A/D转换器 D0 D1 D2
uI
三、并行比较型A/D转换器
C6
0
C5ห้องสมุดไป่ตู้
0
C4
0
0 FF6 Q6
分压器组 FF5 比较器组 1 Q5
0 FF4 Q4
1103/14UREF＜uI ≤ 5/14UREF
R8
uI
U


UR 2n
n1
Di 2i
i0


UR 2n
D
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
例:八位集成DAC0832
（1）引脚排列图
2. 信号线
CS——片选信号，用于芯片寻址； ILE——允许锁存信号； WR1——写信号1；当LE1（内部输入锁存信号1）=CS•WR1 • ILE=1时，将数据锁存于输入锁存器； WR2——写信号2； XFER——通道控制信号，当LE2（内部输入锁存信号2） =WR2 •XFER=1时，8位DAC寄存器可作为数据通道；
CS
&
WR1
WR2
&
XFER
1）8位输入寄存器——第一级数据锁存器 2）8位DAC寄存器——第二级数据锁存器 3）8位D/A转换器——完成数模转换
VREF IOUT2 IOUT1
RBF AGND VCC DGND
DAC0832 功 能 表
功能
控制条件
CS ILE WR1 XFER WR2
说明
数据D7-D0输 0 1
DI7～DI0——8位数据输入 IOUT1——模拟电流输出1，当DI7～DI0为FFH时， IOUT1最大， 当DI7～DI0为0时， IOUT1=0（最小）
IOUT2——模拟电流输出2， IOUT2=常数- IOUT1 RFB——反馈电阻引出端； VREF——参考电压输入，范围：+10V～-10V； VCC——芯片电压，范围：+5V～+15V，最佳15V； AGND——模拟地； DGND——数字地；
数字电路
模拟电路 AGND
数字电路 DGND
模拟地
公共接地点
数字地
3. A / D转换器
1. A/D
由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在 时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟 信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一 般步骤为：
采样
保持
量化
编码
3. A / D转换器
8位 n位
n = 10位
D/A
12位
16位
模拟量
0~5V或 0~10V
2.D/A 功能(续)
4位数据: 0000 1111
0V
分辨率:
5V/15=0.333V
5V
/每1个最低有效位
8位数据: 00000000 11111111
0V 分辨率: 5V/255=0.0196V
5V /每1个最低有效位
2. D/A转换器
+ Iout2
1
(a)
D7 ~ D0
CS
数据 数据 存入 锁定
WR1
( b)
2 . D/A转换器
（3） DAC0832的三种工作方式（1）
2 . D/A转换器
（3） DAC0832的三种工作方式（2）
2 . D/A转换器
（3） DAC0832的三种工作方式（3）
地线的连接
模拟电路
ADC
DAC