数字电子技术：ch010-1DA转换器

Analog Digital Converter and Digital Analog Converter10.1 D/A转换器转换器10.2 A/D转换器。转换器。10 模数与数模转换器3、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。1、掌握倒、掌握倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器(DAC)、集成集成D/A转转 换器的工作原理及相关计算。换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器转换器(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。教学基本要求A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）、保存等、保存等用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号数字控制数字控制 计算机计算机概述概述10 模数与数模转换器模数与数模转换器10.1 D/A转换器转换器10.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理10.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器10.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式10.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器10.1.5 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标10.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用将将数数字字量量转转换换为为与与之之成成正正比比模模拟拟量量 。n n位位数字量数字量1.1.概述概述DAC10.1 D/A转换器转换器模拟量模拟量1 1、数、数 /模转换器模转换器:MSBD/A转换器转换器LSB O=K 数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，成正比的模拟量，从而实现数字量从而实现数字量-模拟量的转换。模拟量的转换。实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120将二进制数将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。转换为十进制数。10.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理 D/A转换器的组成转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数用存放在数字寄存器中的字寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码数码由输入数字由输入数字量控制量控制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压 实现实现D/A转换的原理电路转换的原理电路，,解码网络解码网络 D/A转换器的分类转换器的分类:按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DACD/A 转换器转换器10.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理双极型开关型双极型开关型DAC（TTL）10.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器Di=0,Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关S Si i处于处于何种位置，与何种位置，与S Si i相连的相连的2R2R电阻将接电阻将接“地地”或虚地或虚地。1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制数基准电压基准电压RD/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8R I0=VREF/16 RI/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0RRRR流入运放的总电流：流入运放的总电流：i I0+I1+I2+I3输出模拟电压：输出模拟电压：10.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器4 4 位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络DAC的输出模拟电压：的输出模拟电压：n 位倒位倒T T形形电阻网络电阻网络DAC有：有：令：令：则则 O=K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的均能得到与之成正比的模拟电压输出。模拟电压输出。10.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器AD7533D/A转换器转换器使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放，2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻也可采用外接电阻）2.2.集成集成D/A转换器转换器10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 关于关于D/A转换器转换器精度精度的讨论的讨论(1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2)倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(4)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。为提高为提高D/A转换器的转换器的精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等10.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器Di=1时，开关时，开关S Si i接运放的反相端接运放的反相端;Di=0时，开关时，开关S Si i接地接地。10.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器1.4位权电流位权电流D/A转换器转换器在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路电压恒定电压恒定各各BJT的的 发射发射结电压相等结电压相等基准电流产生电路基准电流产生电路+-(MSB)D1 D0(LSB)iS S Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF+A1 R1+A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I=IREF=1RREFV 偏偏 置置 电电 流流 16I 10.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB 0000000010000000 111111100000000110000001 0111111111111111D0D1D2D3D4D5D6D7偏移二偏移二进进制制码码10.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式-12800000001-128-12710000001-127 -111111111-100000000001100000001 1260111111012612711111110127 0/VLSBD0D1D2D3D4D5D6D7模模拟拟量量2的的补码补码十十进进制制数数 10.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多个模拟输出电压。位数越多D/A转换转换器的分辨率越高。器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。给出。n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为1、分辨率、分辨率2、转换精度：、转换精度：o转换精度是指对给定的数字量，转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与转换器实际值与理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。o产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器转换器中各元件参数值存在误中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。种因素的影响。o几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等性误差等10.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D10 R R R I 2R 2R 2R-+RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D10 R R R I2R 2R 2R-+RF IOUT1 IOUT2 VREF O-+R IOUT2I IOUT1 倒倒T形电阻网络形电阻网络OVIAuu=Iout1out1 I0 0+I1 1+I2 2+I1010根据虚断有根据虚断有:(2)脉冲波产生电路脉冲波产生电路74163具具同步同步清零功能清零功能74163和与非门构成十进制计数器：和与非门构成十进制计数器：0000100110.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用10.2 A/D 转换器转换器10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程10.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器10.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标概述概述ADCDnD0输出数字量输出数字量输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能功能:10.2 A/D 转换器转换器2.A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s,但但电路复杂。电路复杂。逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s,转换精度高，转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型双积分型 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上