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1、了解A/D、D/A转换器的作用； 掌握A/D、D/A转换的原理方法； 了解A/D、D/A转换器的主要技术参数。,第11章 D/A与 A/D转换器,11.1 D/A转换器 11.2 A/D转换器 11.3 本章小结,本章大纲,D/A转换器的功能是将数字信号转换为模拟信号（电压或电流） 1DAC的基本概念 一个n位二进制数Dn-1Dn-2D1D0可以用其按权展开式表示为： （Dn-1Dn-2D1D0）2=Dn-12n-1+Dn-22n-2+D121+D020 从最高位Dn-1（Most Significant Bit，简写为MSB）到最低位D0（Least Significant Bit，简写为L
2、SB）的权依次为2n1、2n2、21、20。 数模转换器（DAC）的输入是数字量，输出为模拟量，输出u0应与输入数字量的大小成正比。故有： u0=K（Dn12n1+Dn22n2+D121+D020） 也就是说，将表示数字量的有权码每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了D/A转换。,11.1 D/A转换器,11.1.1 DAC的基本原理,图11-1所示是一个输入为3位二进制数时D/A转换器的转换特性，它形象地反映了D/A转换器的基本功能。,图11-1 3位D/A转换器的转换特性,图11-2 权电阻D/A变换网络,2R-2RT
3、型电阻变换网络 R-2RT型电阻网络中串联臂上的电阻为R，并联臂上的电阻为2R，如图11-3所示。从每个并联臂2R电阻往后看，电阻都为2R，即流过每个与电子开关Si相连的2R电阻的电流Ii是前级电流Ii+1的一半。因此，Ii=2iI0=2iIREF/2n，即与二进制i位权成正比。,3权电流型变换网络 R-2RT型电阻变换网络虽然只有两个电阻值，有利于提高转换精度，但其电子开关并非是理想器件，模拟开关的压降以及各开关参数的不一致都会引起转换误差。采用恒流源权电流能克服这些缺陷，集成D/A变换器一般采用这种变换方式。图11-4给出了4位权电流型D/A变换器的示意图。高位电流是低位电流的倍数，即各二
4、进制位所对应的电流为其权乘最低位电流。,图11-3 R-2RT型变换电阻网络,图11-4 4位权电流型D/A变换器的示意图,在D/A变换器中，使用了各种电子模拟开关，有双极型晶体管的，也有MOS管的。模拟开关在输入数字信号（Di）的控制下，使变换网络中相应支路在基准电源和地之间或在运算放大器输入（虚地）和地之间切换。 理想模拟开关要求在接通时压降为0V，断开时电阻无穷大。而双极型晶体管在饱和导通时管压降很小，截止时有很大的截止电阻，因此可用作理想模拟开关,11.1.3模拟开关,D/A转换器的主要技术指标包括转换精度、转换速度和温度系数等。 1转换精度 D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误
5、差来描述。 （1）分辨率 分辨率是D/A转换器在理论上可达到的精度，定义为电路能分辨的最小输出（V）和满度输出（Vm）之比。 分辨率= D/A变换器的位数n表示了分辨率，分辨率也可以用数字位数表示。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。,11.1.4D/A转换器的主要技术指标,（2）转换误差 转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。 转换误差用以说明D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用满度值的百分数表示，也可用LSB的倍数表示。如转换误差为（1/2）LSB，表示绝对误差为V/2。 D/A转换器的绝对误差（或绝
6、对精度）是指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2。 2转换速度 （1）建立时间tset 建立时间是指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量NB从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间来表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。,（2）转换速率SR 转换速率是指大信号工作状态模拟输出电压的最大变化率，通常以V/s为单位。反映了电压型输出的DAC中输出运算放大器的特性。 3温度系数 温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随
7、温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。,11.1.5集成D/A转换器,图11-5 AD7520的引脚图 图11-6 AD7520内部电路及组成的D/A转换器,A/D转换是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。但在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中也是同时实现的 。,11.2 A/D转换器,11.2.1 采样和保持,采样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，但其幅值仍取决于采样时间内输入模拟信号的大小。采样频率f
8、S（1/Ts）越高，采样越密，采样值就越多，其采样信号的包络线就越接近于输入信号的波形。 由于进行A/D转换需要一定的时间，在这段时间内输入值需要保持稳定，因此，必须有保持电路维持采样所得的模拟值。采样和保持通常是通过采样-保持电路同时完成的。为使采样后的信号能够还原模拟信号，根据取样定理，采样频率fS必须大于或等于2倍输入模拟信号的最高频率fImax， fS2fImax 即两次采样时间间隔不能大于1/fS，否则将失去模拟输入的某些特征 。,图11-7 采样-保持电路的原理图,11.2.2 量化和编码,数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量只能是某个最小数量单位
9、的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在转换过程中还必须把采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相对应的离散电平上。这一过程称为数值量化，简称量化。 量化过程中的最小数值单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为1，其他位为0时所对应的模拟量，即1LSB。量化过程中，采样电压不一定能被整除，因此量化后必然存在误差。这种量化前后的不等（误差）称之为量化误差，用表示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位来减小量化误差。,11.2.2 量化和编码,量化的近似方式有只舍不入和四舍五入两种。只舍不入量化方式量化后的电平总是小于或等于量化前的电平，即量化误差始终大于0，最大量化误差为，
10、即max=1LSB。采用四舍五入量化方式时，量化误差有正有负，最大量化误差为/2，即|max|=LSB/2。显然，后者量化误差小，故为大多数A/D转换器所采用。 量化后的电平值为量化单位的整数倍，这个整数用二进制数表示即为编码。量化和编码也是同时进行的。,11.2.3 A/D转换器,按工作原理不同，A/D转换器可以分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。前者可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型和反馈比较型A/D转换器都属于这一类。而后者先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型A/D转换器则属于这一类 。,
11、1并行比较型A/D转换器,图11-8 并行比较型A/D转换器的结构框图,2反馈比较型A/D转换器,图11-9 逐次比较型A/D转换器 图11-10 计数型A/D转换器,3双积分型A/D转换器,图11-11 双积分型A/D转换器原理图,输入信号Vi：积分时间通过 计数器计时为T1； 参考信号VREF：反向积分通过 计数器计时为T2；,则有：,由于参考电压VREF已知，反向积分时间T2也已知，则我们可以通过间接求积分时间T1就可以算出输入的模拟电压值。,11.2.4 A/D转换器的主要技术指标,A/D转换器的主要技术指标包括转换精度和转换时间等。 1转换精度 A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描
12、述转换精度。 （1）分辨率 分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位（LSB）时，输入模拟量的最小变化量。它反映了A/D转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。 （2）转换误差 转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示，反映了A/D转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。,11.2.4 A/D转换器的主要技术指标,2转换时间 转换时间是指从转换控制信号（vL）到来，到A/D转换器输出端得到稳定的数字量所需要的时间。转换时间与A/D转换器类型有关，并行比较型一般在几十个纳秒，逐次比较型在几十个微秒，
13、双积分型在几十个毫秒数量级。 在实际应用中，应从数据位数、输入信号极性与范围、精度要求和采样频率等几个方面综合考虑A/D转换器的选用。,11.2.5 集成A/D转换器,图11-12 ADC0804的引脚图,【例11-1】 某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片，在1s内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为00.025V（对应于0450温度范围），需要分辨的温度为0.1。试问，应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？ 解： 对于0450温度范围，信号电压范围为00.025V，分辨的温度为0.1，这相当于0.1/450=1/4500的分辨率。12位A/D转
14、换器的分辨率为1/212=1/4096，所以必须选用13位的A/D转换器。系统的取样速率为每秒16次，取样时间为62.5ms。对于这样慢的取样，任何一个A/D转换器都可以达到。可以选用带有取样-保持（S/H）的逐次比较型A/D转换器,A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。将表示数字量的有权码每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了D/A转换。 D/A转换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。变换网络一般有权电阻变换网络、R-2RT型电阻变换网络和权电流变换网络等几种。 为了将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。不同的A/D转换方式具有不同的特点，在要求转换速度高的场合，可选用并行A/D转换器；在要求精度高的情况下，可采用双积分型A/D转换器，当然也可选高分辨率的其他形式A/D转换器，但会增加成本。由于逐次比较型A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。 A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。,11.3 本章小结,
