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1、学 习 目 标：,本章介绍数字-模拟转换器、模拟-数字转换器的基本工作原理、主要技术指标，集成ADC、DAC的应用。,重点与难点：,ADC和DAC的基本工作原理及应用。,学 习 要 求：,理解ADC和DAC的基本工作原理，了解主要技术指标及应用。,7.1 概述,7.2 D/A转换器,7.3 A/D转换器,7.4 D/A和A/D转换器应用举例,本章小结,目 录,自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物理量，如：温度、压力、流量、速度、电流、电压等。这些随时间连续变化的物理量，通常称为模拟量，而时间和幅值都离散的信号，称为数字量，由高、低电平来描述。,计算机参与测量和控制时
2、，模拟量不能直接送入计算机，必须先将它们转换为数字量，这种能够将模拟量转换成数字量的器件称为模拟/数字转换器，简称ADC或A/D。同样，计算机输出的是数字量，不能直接用于控制执行部件，必须将这些数字量转换成模拟量，这种能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字/模拟转换器，简称DAC或D/A。,7.1 概述,计算机自动控制系统,在该系统中，计算机要想取得现场的各种参数，就必须先用传感器将各种物理量测量出来，且转换成电信号，在经过A/D转换后，才能被计算机接收；计算机对各种参数进行计算、加工处理后输出，经过D/A转换成模拟量后，再去控制各种执行部件。,传感器：将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号
3、。常用的传感器有温度传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器和重量传感器。,放大器：把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围。传感器输出的信号一般很微弱，且混有干扰信号，所以必须要去除干扰，并将微弱信号放大到与ADC相匹配的程度。,经过计算机处理后的数字量经D/A转换成模拟控制信号输出。但为了能驱动受控设备，常需采用功率放大器作为模拟量的驱动电路。,多路开关的作用是：当多个模拟量公用一个ADC时，采用多路开关，通过计算机控制，将多个模拟信号分时接到ADC转换器上，达到公用ADC以节省硬件的目的。,采样保持器实现对高速变化信号的瞬时采样，并在其A/D转换期间保持不变，以保证转换精度。,7.
4、2.1 权电阻网络型D/A转换器,数字量是由二进制代码按数位组合起来的，每位代码都有一定的权。如：,1011B12302212112011,式中2的幂次叫权，1或0叫系数。任意二进制数都可以写成这种形式：,B n（dn-1dn-2d1d0）2dn-12n-1dn-22n-2d121d020,7.2 D/A转换器,式中的dn-1，dn-2，d1，d0为每位的二进制代码，等于 0或1。,为实现数字量到模拟量的转换，须将每位代码dn-1，dn-2，d1，d0按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量B n相应的模拟量。权电阻网络型D/A转换的基本原理,根据这一原理构成的
5、D/A转换器，主要由电阻网络、电子开关、基准电压、运算放大器组成。输入的二进制数字量B n通过逻辑电路，用以控制电子开关Kn-1、K0，当输入的数字量不同时，通过各电子开关使电阻网络中接有不同电阻的支路和基准电压VREF接通，在运算放大器的输入端产生与数字量B n成正比的电流I，再经运放将电流转换为与输入二进制数成正比的输出电压VOUT。,（1）令R0=R，各支路上电阻的大小与二进制数各位权的大小成反比例。即R0=R/20，R1=R/21，R2=R/22，Rn-2=R/2n-2，Rn-1=R/2n-1。,（2）电子开关Kn-1，Kn-2，K1，K0合向哪一端取决于输入的二进制数字量的各位dn-
6、1，dn-2，d1，d0。若 d i=1，K i合向基准电压VREF，若d i=0，K i则合向地。,（3）运算放大器的特性：开环放大倍数很大，反相输入端电平接近于地，即虚地。I=I+（IF），由于输入阻抗无限大，输入电流I0，故IIF。,计算：,由运放的特性：,可知：因为RF，R和VREF是常数，运算放大器输出的模拟电压VOUT与输入的数字量B n成正比，所以通过该电阻网络能进行D/A转换，式中的负号表示VOUT与VREF极性相反。,权电阻网络型D/A转换器的优点是：电路简单，原理直观；缺点是：位数越多，支路越多，电阻值变化越大，最大电阻和最小电阻的差别越大，不仅集成电路难于制造，而且精度也
7、差，所以大多数D/A转换器芯片内部不采用权电阻网络，而是采用下面介绍的方法。,由：,7.2.2 T型电阻网络型D/A转换器,在这种电阻网络中，只需要R和2R两种电阻，整个电路由若干个相同的电路环节组成，每个环节有两个电阻和一个开关，由于电阻接成T型，故称T型电阻网络。,电子开关Kn-1，K1，K0合向哪一端取决于输入的二进制数字量的各位dn-1，d1，d0。若d i=1，K i合向IOUT1，该支路上的电流进入运算放大器反向输入端，若d i=0，K i则合向IOUT2，该支路上的电流不进入运算放大器。由于IOUT1虚地，IOUT2接地，无论开关合向哪端，从各电路环节的节点n-1，n-2，i，1
8、，0向下看和向右看两条支路的等效电阻都是2R，节点到地的等效电阻为2R2R=R，流入两条支路的电流Ii和I i 相等，且等于流入节点电流的一半。,计算：,可知：因为RF，R和VREF是常数，运算放大器输出的模拟电压VOUT与输入的数字量B n成正比例，所以通过该电阻网络也能进行D/A转换，式中的负号同样表示VOUT与VREF极性相反。,T型电阻网络型D/A转换器的优点是：不论位数多少，虽然 电阻数目比权电阻网络电路多一倍，但电阻种类很少，只 有两种，R及2R。不仅集成电路易于制造，而且精度也容 易保证，所以大多数D/A转换器芯片内部都采用T型电阻网 络。表示VOUT与VREF极性相反。,由：,
9、7.2.3 D/A转换器的主要技术指标,1.分辨率,表明DAC对模拟值的分辨能力，即DAC所能产生的最小模拟量增量，通常用输入数字量的最低有效位（LSB）对应的输出模拟电压值表示。或者也称最小输出电压VO与最大输出电压VO(2n1)之比,DAC位数越多，输出模拟电压的阶跃变化越小，分辨率越高。通俗地说，DAC的分辨率只与其位数有关，对于n位DAC，分辨率为,2.转换精度,表明模拟输出实际值与理想值之间的偏差。绝对精度指对应一个数字量输入所得的实际输出值与理论输出值之间的偏差。相对精度指当满量程值校准后，任何数字输入的模拟输出值与理论值的误差，实际上即是D/A转换的线性度。,精度一般以满量程的百
10、分数或最低有效位的分数形式给出。,对于n位DAC，精度为 ，其最大可能的线性误差电压,注意：分辨率与精度是完全不同的两个概念，分辨率高低取决于位数，精度的高低取决于DAC内部各器件的精度和稳定性，分辨率很高的DAC不一定有很高的精度。,3.线性误差,DAC的实际转换特性与理想转换特性之间是有偏差的，这个偏差就是线性误差。理想转换特性曲线是线性的，而实际转换特性曲线大多是非线性的。它们之间误差的最大值称为线性误差。,线性误差一般也用LSB的分数形式给出，好的DAC线性误差应小于,4.微分线性误差,表明任意两个相邻的数字编码输入DAC时，输出模拟量之间的关系。理论上，这两个模拟输出值之间正好相差1
11、个LSB。在实际中，这个差值常常大于或小于1个LSB。它与1LSB之差就是微分线性误差，通常也以LSB的分数形式给出。,5.温度灵敏度,这项指标表明DAC受温度变化影响的特性。它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。一般DAC的温度灵敏度为50 ppm/，ppm为百万分之一。,6.建立时间,指数字量从0变到最大时，其模拟输出达到满刻度值的 LSB对应值时所需要的时间。电流型的DAC转换较快，电压输出的DAC较慢，主要是运算放大器的响应时间。在实际应用中，要正确选用DAC，使它的转换时间小于数字输入信号发生变化的周期。,7.电源灵敏度,这项指标反映DAC对电源电压变化的灵敏程度。它
12、又称为电源抑制比，它为满量程电压变化百分数与电源变化的百分数之比。,8.输出电平,不同型号DAC的输出电平相差较大，一般DAC为510 V，而高压输出型DAC可达2430 V；电流型DAC输出电流相差也较大，低至几毫安，高达几个安培。,7.3.1 采样-保持与量化-编码,1.采样与保持,由于要转换的模拟信号在时间上是连续的，它有无限多个值，A/D转换不可能将每个瞬时值都转换成数字信号，只能转换其中有限个值。按一定的周期采样随时间连续变化的模拟信号，得到有限个模拟值，这个过程称为采样。,采样过程通过模拟开关来实现的，模拟开关每隔一定的时间间隔T（采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，就形
13、成一系列的脉冲信号，称为采样信号。,7.3 A/D转换器,采样周期的长短决定了转换结果的精确度。显然，采样周期太长将导致采样点太少，采样虽然能很快完成，但会失真；采样周期越短，采样脉冲频率越高，采样点越多，A/D转换结果越精确，但A/D转换需要的时间也越长，所以采样周期也不能无限制地短。,香农定理：采样频率f至少应大于被测信号f（t）频谱中最高频率f max的两倍。,上面这个采样定理规定了不失真采样的下限，在实际应用中常取f=（510）f max。,通常将采样电路和保持电路统称为采样保持器。它由保持电容、输入输出缓冲放大器、模拟开关和控制电路组成。它有两个工作状态：采样状态和保持状态。当开关K
14、闭合，输出信号Vo随输入信号Vi变化，为采样状态；当开关断开时，利用电容CH保持输出信号不变，为保持状态。,LF398是由美国国家半导体公司NSC生产的采样保持器。其中，V+和V是正、负电源，变化范围为5V18V；OFFSET为偏移调整端，可用外接电阻调整采样保持器的零位偏差；Logic和Logic Reference为两个控制端，用于适应各种电压信号。,如果Logic Reference接地，则Logic大于1.4 V使开关导通，当Logic为低电平时，电路处于保持状态。CH用于外接保持电容，该电容由用户根据实际需要选择，它的大小与采样频率和采样精度有关。,2.量化与编码,采样后的信号虽然时
15、间上不连续，但幅度仍然连续，仍为模拟信号，必须经过量化，转化为数字信号，才能送入计算机。,量化过程是A/D转换的核心过程。所谓量化，就是将时间上离散、幅值上连续的模拟信号用等效的离散数字量来表示。量化规定的最小数量的单位称为量化单位，显然，数字信号的最低有效位“1”所代表的模拟量的大小就等于量化单位。在量化过程中，模拟量小于一个量化单位的部分采取“四舍五入”的方法进行整量化，由此导致的误差称为量化误差。,将量化结果用二进制代码表示，称为编码，该二进制代码就是A/D转换的结果。所以，量化与编码通常被称为A/D转换。,7.3.2 计数器式A/D转换器,计数器式A/D转换器结构如图所示。它由计数器、
16、比较器、内部DAC和控制电路组成。,1. 计数器清0，将要转换的模拟电压Vi加至比较器的一端。,2. 计数器中的数字量至DAC，经D/A转换后输出相应的模拟电压VO加至比较器的另一端。,3. Vi与VO在比较器中进行比较：,若ViVO，比较器的输出端VC1，与CLK一起控制计数器进行加一计数，重复第2、3步。,若V I V O，比较器的输出端VC0，使与门关闭，计数器停止计数。,4. 计数器中的数字量输出，即为转换结果。,计数器式A/D转换器原理直观，电路简单，价格低廉，但转换速度慢，N位计数器ADC平均转换时间为 个CLK。由于速度太慢，现在计数器式A/D转换器已不常见。,7.3.3 逐次逼近式A/D转换器,逐次逼近式A/D转换器的转换原理与天平称物体重量过程相似。如被称物体重量为149g，而把标准砝码设置为与8位二进制相对应的权码值，即128（27）、64（26）、32（25）、16（24）、8（23）、4（2
