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1、第9章 D/A转换器和A/D转换器内容提要：内容提要：（1）D/A、A/D转换器的概念、基本工作原理。转换器的概念、基本工作原理。（2）集成）集成D/A、A/D转换器的应用转换器的应用 。19.1 概述主要内容：主要内容： D/AD/A、A/DA/D转换器的概念转换器的概念 D/A D/A、A/DA/D转换器的实际举例转换器的实际举例21D/A、A/D转换器的概念转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器模数转换器，简称简称A/D转换器转换器或或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器数模转换器，简称简称
2、D/A转换器转换器或或DAC。 2D/A、A/D转换器的实际举例转换器的实际举例如图为如图为一个锅一个锅炉加热炉加热信号采信号采集和控集和控制系统制系统 349.2 D/A转换器主要内容D/A转换器的电路结构框图转换器的电路结构框图二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/A转换器转换器倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系转换器的模拟输出与数字输入之间的关系D/A转换器的转换器的3个主要技术参数个主要技术参数集成集成ADC0832及其应用及其应用59.2.1 D/A转换器的电路结构1. D/A转换器的基本原理和转换特性转换器的基本原理和转换特性基本原
3、理：基本原理：将输入的每一位二进制代码按其权的大将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。 转换特性：转换特性：是指其输出模拟量和输入数字量之间的是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。转换关系。 理想理想D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比输入数字量成正比:6理想转换特性：理想转换特性：72D/A转换器的电路结构框图转换器的电路结构框图89.2.2 二进制权电阻网络D/A转换器电路
4、结构电路结构 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地虚地）还是接到）还是接到地地，也就是不论输入数字信号，也就是不论输入数字信号是是1还是还是0，各支路的电流是不变的各支路的电流是不变的。910设RFR/2， 输出出电压的最大的最大变化范化范围是是: 0。 11例例9-1 4位二进制权电阻网络位二进制权电阻网络DAC如上图所示，设基准电压如上图所示，设基准电压UREF=8V，RF= R/2，试求输入二进制数，试求输入二进制数D3D2D1D0=1001时的输出电压值。时的输出电压值。解：解：将将D3D2D1D0=1001代入公式得代入公式得12例例9-
5、2 接例接例9-19-1，求输入二进制数为，求输入二进制数为0000000011111111时的输出电压时的输出电压值，并绘制出输出与输入之间的关系曲线。值，并绘制出输出与输入之间的关系曲线。解：解：D3D2D1D0uo(V)D3D2D1D0uo(V)0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10.00.51.01.52.02.53.03.51 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 14.04.55.05.56.06.57.07.5关关系系曲曲线线13输输出出
6、电电压压值值149.2.3 倒T型电阻网络D/A转换器R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器如图所示。转换器如图所示。 分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻处向右看的二端网络等效电阻都是都是R。 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地虚地）还是接到还是接到地地，也就是不论输入数字信号是，也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的各支路的电流不变电流不变。 15该公式可推广到该公式可推广到n位！位！基准电源基准电源UREF提供的总电流提供的总电流IREF =？16例例9-3 4位位R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DA
7、C如上图所示，如上图所示，设基准电压设基准电压UREF=-8V，RF= R，试求其最大输出电，试求其最大输出电压值。压值。解：解：将将D3D2D1D0=1111代入代入17例例 已已知知转转换换电电路路中中，当当输输入入数数字字量量为为10000000时时，输输出出电电压压为为6.4V，则则当当输输入入为为01010000时时，其其输输出出电压为（）。电压为（）。189.2.4 D/A转换器的主要技术参数 1分辨率分辨率 分辨率用输入二进制数的分辨率用输入二进制数的有效位数有效位数表示。表示。在分辨率为在分辨率为n位位的的D/A转换器中，输出电压能区分转换器中，输出电压能区分2n个不同的个不同
8、的输入二进制代码状态，能给出输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。D3D2D1D0uo(V)D3D2D1D0uo(V)0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10.00.51.01.52.02.53.03.51 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 14.04.55.05.56.06.57.07.5193转换时间转换时间（输出建立时间）（输出建立时间） 从输入数字信号起，到输出电压或电流从输入数字信号起，到输出电压
9、或电流达到稳定值达到稳定值时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。2 2转换精度转换精度 指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。大静态转换误差。209.2.5 集成D/A转换器及应用举例DAC0832 21ILEILE：片选信号片选信号，输入低电平有效，输入低电平有效。D7D0：8位输入数据信号。位输入数据信号。UREF：参考电压输入。一般此端外：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。接一个精确、稳定的电压基准源。可在可在-10V至至+10V范围内选择。范围内选择。
10、RFB：反馈电阻（内已含一个反馈电阻：反馈电阻（内已含一个反馈电阻RFB ）接线端。）接线端。22I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC寄存寄存器中的各位为器中的各位为1 1时，电流最大；为时，电流最大；为全全0 0时，电流为时，电流为0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。满足如下关。满足如下关系：系： I IOUT1OUT1+ +I IOUT2 OUT2 = = 常数。常数。UCC：电源输入端（：电源输入端（+5 +15V，一般取，一般取+5V）。）。DGND：数字地。：数字地。AGND：模拟地。：模拟地。 23DAC0
11、832典型应用电路图：典型应用电路图： 电流转换为电流转换为电压电压249.3 A/D转换器主要内容A/D转换的转换的4个步骤个步骤A/D转换器的种类转换器的种类A/D转换器的转换器的3个主要技术参数个主要技术参数A/D转换器的数字输出与模拟输入之间的关系转换器的数字输出与模拟输入之间的关系集成集成ADC0809及应用及应用259.3.1 A/D转换的一般步骤 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过通过采样采样、保持保持、量化量化和和编码编码四个步骤完成。四个步骤完成。 1采样保持采样保持 采样采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信
12、号。是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。 其采样频率其采样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍的两倍。 采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为A/D转转换必须花时间处理采样值。换必须花时间处理采样值。 26采样和保持操作示意图如下：采样和保持操作示意图如下： 272量化编码量化编码 一般把上述采样保持后的值以某个一般把上述采样保持后的值以某个“最小数最小数量单位量单位”的整数倍来表示，这一过程称为的整数倍来表示，这一过程称为量化量化。规定的最小数量单位称为规定的最
13、小数量单位称为量化单位量化单位或或量化间隔量化间隔，用用“” 表示表示。 量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：四舍五入法四舍五入法和和舍去小舍去小数法数法。 （1）四舍五入法：把）四舍五入法：把/2的电压作为的电压作为“0”处理，把处理，把/2而而3/2的电压作为的电压作为“1”处理；处理； （2）舍去小数法：把）舍去小数法：把的电压作为的电压作为“0”处处理，把理，把而而2的电压作为的电压作为“1”处处理。28 显然，采用不同量化方式，显然，采用不同量化方式，其量化后的结果存在差异其量化后的结果存在差异；而且；而且上述量化结果与采样值之间上述量化结果与采样值之间存在误差存在误差，这种
14、误差称为，这种误差称为量化误差量化误差。 把上述量化结果用代码表示，称为把上述量化结果用代码表示，称为编码。编码。例如：设例如：设1V，采样值分别为：，采样值分别为：2V、4.4V、4.5V和和5.7V。（1）四舍五入法：量化结果为：）四舍五入法：量化结果为：2V2，4.4V4，4.5V5，5.7V 6；（2）舍去小数法：量化结果为：）舍去小数法：量化结果为：2V2，4.4V4，4.5V4，5.7V 5。 29波形的量化编码情况一波形的量化编码情况一 波形的量化编码情况二波形的量化编码情况二 编码位数越多，量化误差越小，准确度越高。编码位数越多，量化误差越小，准确度越高。309.3.2 A/D
15、转换器的种类1A/D转换器的种类转换器的种类 A/D转换器按照工作原理的不同可分为转换器按照工作原理的不同可分为直接直接A/D转换器和转换器和间间接接A/D转换器。转换器。 直接直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量;间接间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换器是先将输入模拟电压转换成中间量转换成中间量，如时间或，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。频率，然后将这些中间量转换成数字量。常用的直接常用的直接A/D转换器：并联比较型转换器：并联比较型A/D转换器和逐次比较型转换器和逐次比较型A/D转换器。转换器。常用的间接常用的间接A/D转换
16、器：中间量为时间的双积分型转换器：中间量为时间的双积分型A/D转换器，转换器，中间量为频率的电压频率转换型中间量为频率的电压频率转换型A/D转换器。转换器。 312常用常用A/D转换器的工作特点转换器的工作特点转换速度最高的是：并联比较型转换速度最高的是：并联比较型ADC；转换速度最低的是：双积分型转换速度最低的是：双积分型ADC；转换精度最高的是：双积分型转换精度最高的是：双积分型ADC；转换精度最低的是：并联比较型转换精度最低的是：并联比较型ADC；转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC 329.3.3 A/D转换器的主要技术参数1分辨率分辨
17、率 用输出二进制数的用输出二进制数的位数位数n表示，位数越多，对输表示，位数越多，对输入模拟信号的分辨能力越强。入模拟信号的分辨能力越强。例如：例如：输入模拟电压的变化范围为输入模拟电压的变化范围为05V。输出输出8位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为5V2-820mV；而输出而输出12位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为5V2-121.22mV。 332转换误差转换误差 它表示它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位（输出数字量之间的差别。常
18、用最低有效位（LSB）的倍数表示。的倍数表示。3转换时间转换时间 转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。的数字输出信号所经过的这段时间。 349.3.4 集成A/D转换器及应用举例ADC080935ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟信号输入端。路模拟信号输入端。A A2 2、A A1 1、A A0 0：8 8路模拟信号的地址码输路模拟信号的地址码输入端。入端。ALEALE：地址锁存允许输入信号，在此：地址锁存允许输入信号，
19、在此脚施加正脉冲，上升沿有效。脚施加正脉冲，上升沿有效。STARTSTART：启动信号输入端，应在此脚：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲施加正脉冲. .EOC：当转换结束后，：当转换结束后，EOC变为高电平。变为高电平。36OE：输出允许信号，高电平有效。：输出允许信号，高电平有效。CLK：时钟信号输入端，外接时钟：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为频率一般为640kHz。Ucc： +5V单电源供电。单电源供电。UREF（+）、）、UREF（-）：基准电压：基准电压的正端和负端。一般的正端和负端。一般UREF（+）接）接+5V，UREF（-）接地。）接地。D7D0：数字信号输出端。：数字信号输出端。37ADC0809典型应用电路：典型应用电路： 问题：问题：图中为何将启动信号输入端与转换结束端图中为何将启动信号输入端与转换结束端EOC直接相连？直接相连？38例例9-4 9-4 某8位A/D转换器的输入模拟电压满量程为5V，当输入电压为1.96V时，求对应的输出数字量？解：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比： 故输出数字量：D01100100。39
