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1、 D/A与A/D转换1. 概述n1. 模-数转换q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）。q把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter ADC）。n2. 数-模转换q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）q把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（ Digital Analog Converter DAC）。一、模拟量、数字量以及二者的相互转换D/A和A/D转换的基本原理 连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取 值的。有规律但
2、不连续的变化量称为数字量，也叫离散量 。数字量是不能连续取值的。 连续变化的 模拟量 电压、电流或频 率等电量 被控对象传 感 器A/D 转 换数字信号 处理后的数 字信息 数字系统电的模拟量 D/A 转 换执 行 机 构数字控制 系统框图典型数字控制系统框图1. 概述DAC网络权电阻DAC 倒梯形电阻网络DACADC直接ADC间接ADC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1. 概述n分类(1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量 D/An =4位8位10位12位16位n位数字量模拟量05V或010V2.D/A转换器原理2.D/A 功能(续)4位数据:
3、0000 0V1111 5V 分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据: 00000000 0V11111111 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位2. D/A转换器1. 权电阻型D/A转换器 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。权电阻 网络求和放 大器MSBLSB运算放大器总的输入电流为 运算放大器的输出电压为 若RF=1/2R，代入上式后则得 2 . D/A转换器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。当D=Dn-1D0=0时, uo =0
4、因而uo 的变化范围是： 当D=Dn-1D0=111时， 最大输出电压：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。特点： 2 .D/A转换器一、权电阻型D/A转换器D/A转换器UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0iRfD/A转换器右图所示的电路中，设 n=4, UREF =10V, R=100k, Rf=8k, 输入二 进制数码S3S2S1S0为1011。试问运算放大器输出电压是 多少？解：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
5、围会大得难以实现。 UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0Rf二、R-2R 网络型D/A转换器D/A转换器虚地2R2RR对地电 阻为2R2RR对地电 阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0IREF1/2IREF 1/2IREFi与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有R、2R两种阻 值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。Di=1，Si将电阻接到运放反向输入端Di=0，Si将电阻接到运
6、放同向输入端都是虚地，各支路 电流不会变化2 . D/A转换器2. 倒T形电阻网络D/A转换器 流入2R支路 的电流是依2 的倍速递减。流入运算放大器的电流为： 2. D/A转换器运算放大器的输出电压为： 若RF=R，并将I=UR/R代入上式， 则有 可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。 2 . D/A转换器例:八位集成DAC0832（1）引脚排列图 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）=CSWR1 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=
7、1时，8位DAC寄存器可作为数据通道；2. 信号线DI7DI08位数据输入 IOUT1模拟电流输出1，当DI7DI0为FFH时， IOUT1最大 ， 当DI7DI0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；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. DAC083
8、2的内部结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8位输入 寄存器8位DAC 寄存器8位D/A 转换器DI7 DI0ILECS WR1 WR2 XFERVREF IOUT2 IOUT1RBFAGNDVCC DGNDIE1IE2&功 能数据D7-D0输 入到寄存器1数据由寄存器 1转送寄存器2从输出端取 模拟量控 制 条 件CSILEWR1WR2XFER说 明01WR1= 0时存入数据WR1= 1时锁定WR2= 0时存入数据WR2= 1时锁定0无控制信号， 随时可取DAC0832 功 能 表例1. 单步输入操作 - 适用于单个DA
9、C工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1- +.1(a)D7 D0CSWR1 数据 存入数据 锁定( 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DGNDAGND模拟电路数字电路ADCDAC模拟电路数字电路模拟地模拟地数字地数字地公共接地点公共接地点由于模拟量时间和（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：
10、采样保持量化编码3. A / D转换器1. A/D转换器的基本原理 （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： 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。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/
11、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。3 . A / D转换器tf(t)O模拟信号二、取样保持电路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 间间隔TS取出信号的一个值，只要TS （fm为信号频带中的最高频率），这些取样值就可以无损失地 表达原模拟信号。tf *(t)O7 6 54 3 2 11TS2TS取样信号3TS4TS5TS6TS7TS8TSA/D转换器 二、取样保持电路由于对模拟量进行量化的 过程需要一定的时间，所以为 保证转换精度，在转换（即量 化）时间内应使取样
12、点的函数 值保持不变。 这种暂时保持由瞬时取样 得到的模拟信号的电路，就是 取样保持电路。右图是一种 常用的取样保持电路。 uIS(t) +uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO= -uC+ -10tWS(t)TS-tW在取样脉冲S（t）持续时间 tw内 ，T导通。输入信号uI经开 关T对电容C进行充电。只要充 电时间常数远小于取样信号S（ t）的持续时间tw，则输出信号 uO就能跟踪输入信号uI的变化 。 当取样脉冲结束，即在T S-tw 时间内，场效应管T关断，因而 电容器上电压uC无泄放回路， 保持不变，则uO=-uC也保持不 变。LSB第三节 A/D转换器 三、并行比较型
13、A/D转换器假定被转换的模拟输 入电压uI在0UREF范围内 变化。取3位二进制数代表 模拟输入uI的数字输出。采用有舍有入的量 化方式，利用电阻分压 把标准电压UREF分成8段 （量化阶梯），位数越 多，精度越高。UR1= UREFRRRRRRUR2= UREFUR3= UREFUR4= UREFUR6= UREFUR5= UREFUR7= UREFUREFLSB/2二进制数输出其中6段间隔为 (1/7)UREF，另外两段间隔 （最初和最末）为 (1/14)UREF。因此，输入 模拟电压从0到UREF整个 范围内，它的最大量化误 差都是一样的，即永远不 会超过(1/14) UREF。010011100101110111001是在(1/7)UREF时的值 。在(1/14)UREF，(3/14)UREF 之间的值和(1/7)UREF最多相 差(1/14)UREF ，因此，最大 量化误差不会超过(1/14) UREF。000001R8R1参考电压模拟输入电压uIUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFRRRRRR分压器组UREFC1C7C6C5
