文稿數(shù)字設(shè)計(jì)ad-da

D/A與A/D轉(zhuǎn)換1.概述1.模-數(shù)轉(zhuǎn)換定義：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模-數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱(chēng)為A/D（AnalogtoDigital）。把實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogDigitalConverterADC）。2.數(shù)-模轉(zhuǎn)換定義：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為?！獢?shù)轉(zhuǎn)換，或稱(chēng)為A/D（AnalogtoDigital）把實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器（DigitalAnalogConverterDAC）。一、模擬量、數(shù)字量以及二者的相互轉(zhuǎn)換D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

連續(xù)變化的物理量稱(chēng)為模擬量，模擬量是可以連續(xù)取值的。有規(guī)律但不連續(xù)的變化量稱(chēng)為數(shù)字量，也叫離散量。數(shù)字量是不能連續(xù)取值的。連續(xù)變化的模擬量電壓、電流或頻率等電量被控對(duì)象傳感器A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)處理后的數(shù)字信息數(shù)字系統(tǒng)電的模擬量D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)字控制系統(tǒng)框圖典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖1.概述DAC網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻DAC倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACADC直接ADC間接ADC權(quán)電流型DAC權(quán)電容型DAC開(kāi)關(guān)樹(shù)型DAC輸入/輸出方式并行串行1.概述分類(lèi)

(1)D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V2.D/A轉(zhuǎn)換器原理2.D/A轉(zhuǎn)換器1.權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器

模擬開(kāi)關(guān)，受Di控制。Di=1時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)左撥；Di=0時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)右撥。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器MSBLSB1111UREF/RUREF/2RUREF/4RUREF/8R15/8R*UREF15/8R*URE*RF運(yùn)算放大器總的輸入電流為

運(yùn)算放大器的輸出電壓為

若RF=1/2R，代入上式后則得

2.D/A轉(zhuǎn)換器

輸出電壓正比于輸入的數(shù)字量D=Dn-1Dn-2

…D1D0，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)D=Dn-1…D0=0時(shí),

uo

=0因而uo

的變化范圍是：

當(dāng)D=Dn-1…D0=11…1時(shí)，最大輸出電壓：

電路簡(jiǎn)單，器件少。但精度由電阻的精度定，此電路中阻值差別大，對(duì)集成不利。特點(diǎn)：

2.D/A轉(zhuǎn)換器一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器UREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0iRfD/A轉(zhuǎn)換器

右圖所示的電路中，設(shè)n=4,UREF=－10V,R=100kΩ,Rf=8kΩ,輸入二進(jìn)制數(shù)碼S3S2S1S0為1011。試問(wèn)運(yùn)算放大器輸出電壓是多少？解：

權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器中的解碼網(wǎng)絡(luò)所用的阻值范圍很大,特別是當(dāng)分辨率較高時(shí),電阻值的范圍會(huì)大得難以實(shí)現(xiàn)。UREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0Rf二、R-2R網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器虛地2R2RR對(duì)地電阻為2R2RR對(duì)地電阻為2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0IREF1/2IREF1/2IREFi

與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相比，R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值，從而克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)阻值多、阻值差別大的缺點(diǎn)。Di=1，Si將電阻接到運(yùn)放反向輸入端Di=0，Si將電阻接到運(yùn)放同向輸入端都是虛地，各支路電流不會(huì)變化2.D/A轉(zhuǎn)換器2.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

流入2R支路的電流是依2的倍速遞減。流入運(yùn)算放大器的電流為：

2.D/A轉(zhuǎn)換器運(yùn)算放大器的輸出電壓為：

2.D/A轉(zhuǎn)換器分辨率與轉(zhuǎn)換精度

若RF=R，并將I=UR/R代入上式，則有

可見(jiàn)，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。

2.D/A轉(zhuǎn)換器例:八位集成DAC0832（1）引腳排列圖

CS——片選信號(hào)，用于芯片尋址；ILE——允許鎖存信號(hào)；WR1——寫(xiě)信號(hào)1；當(dāng)LE1（內(nèi)部輸入鎖存信號(hào)1）=CS?WR1?ILE=1時(shí)，將數(shù)據(jù)鎖存于輸入鎖存器；WR2——寫(xiě)信號(hào)2；XFER——通道控制信號(hào)，當(dāng)LE2（內(nèi)部輸入鎖存信號(hào)2）=WR2

?XFER=1時(shí)，8位DAC寄存器可作為數(shù)據(jù)通道；2.信號(hào)線(xiàn)DI7～DI0——8位數(shù)據(jù)輸入IOUT1——模擬電流輸出1，當(dāng)DI7～DI0為FFH時(shí)，IOUT1最大，當(dāng)DI7～DI0為0時(shí)，IOUT1=0（最?。㊣OUT2——模擬電流輸出2，IOUT2=常數(shù)-IOUT1RFB——反饋電阻引出端；VREF——參考電壓輸入，范圍：+10V～-10V；VCC——芯片電壓，范圍：+5V～+15V，最佳15V；AGND——模擬地；DGND——數(shù)字地；3.使用說(shuō)明（1）雙緩沖器方式——特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，但控制電路復(fù)雜。（2）單緩沖器方式——特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢，但控制電路簡(jiǎn)單（常用方式）。DAC0832——8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器1.DAC0832的內(nèi)部結(jié)1）8位輸入寄存器——第一級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器2）8位DAC寄存器——第二級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器3）8位D/A轉(zhuǎn)換器——完成數(shù)模轉(zhuǎn)換8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器DI7～DI0ILECSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RBFAGNDVCCDGNDIE1IE2&&&功能數(shù)據(jù)D7-D0輸入到寄存器1數(shù)據(jù)由寄存器1轉(zhuǎn)送寄存器2從輸出端取模擬量控制條件CSILEWR1WR2XFER說(shuō)明01WR1=0時(shí)存入數(shù)據(jù)WR1=1時(shí)鎖定WR2=0時(shí)存入數(shù)據(jù)WR2=1時(shí)鎖定0無(wú)控制信號(hào)，隨時(shí)可取DAC0832功能表例1.單步輸入操作-----適用于單個(gè)DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7

~D0CSWR1數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)鎖定(b)2.D/A轉(zhuǎn)換器（3）DAC0832的三種工作方式（1）

2.D/A轉(zhuǎn)換器（3）DAC0832的三種工作方式（2）

2.D/A轉(zhuǎn)換器（3）DAC0832的三種工作方式（3）

地線(xiàn)的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路數(shù)字電路模擬地?cái)?shù)字地公共接地點(diǎn)Exercise：5.Iftheinputis10000000ofan8bitDAC,thecorrespondingoutputis5v.Thenaninputis00000001totheDAC,thecorrespondingoutputis5/128(0.0391)V;ifaninputis10001000,thecorrespondingDACoutputis5.3125V.Whentheinputis10000000ofan8bitDAC,thecorrespondingoutputvoltageis2V.Theoutputvoltageis(3.98)Vwhentheinputis11111111.Whentheinputis01000000ofan8bitDAC,thecorrespondingoutputvoltageis2V.TheoutputvoltagerangefortheDACis(0~7.97)V.

由于模擬量時(shí)間和（或）數(shù)值上是連續(xù)的，而數(shù)字量在時(shí)間和數(shù)值上都是離散的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)要在時(shí)間上對(duì)模擬信號(hào)離散化（采樣），還要在數(shù)值上離散化（量化），一般步驟為：采樣保持量化編碼3.A/D轉(zhuǎn)換器1.A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

（1）采樣定理模擬信號(hào)采樣信號(hào)

取樣頻率fS必須大于等于輸入模擬信號(hào)包含的最高頻率fmax的兩倍，即：

3.A/D轉(zhuǎn)換器（2）量化和編碼量化：

將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過(guò)程。用表示編碼：將量化結(jié)果用代碼表示出來(lái)。量化誤差：由于模擬量不一定能被整除。3.A/D轉(zhuǎn)換器例如：要將01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制代碼。方法1：?。?/8V，01/8V的電壓以0×表示，則：模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平可見(jiàn)量化誤差最大達(dá)=1/8V。3.A/D轉(zhuǎn)換器方法2：?。?/15V，01/15V的電壓以0×表示，則模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平可見(jiàn)量化誤差最大達(dá)/2=1/15V。3.A/D轉(zhuǎn)換器例3：AD變換的最低值用表示，最高值5V用1111111111表示，，1V電壓用什么表示？3.A/D轉(zhuǎn)換器2v電壓如何表示？

tf(t)O模擬信號(hào)二、取樣—保持電路

所謂取樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬量。

根據(jù)取樣定理，每經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔TS取出信號(hào)的一個(gè)值，只要TS≤（fm為信號(hào)頻帶中的最高頻率），這些取樣值就可以無(wú)損失地表達(dá)原模擬信號(hào)。tf*(t)O76543211TS2TS取樣信號(hào)3TS4TS5TS6TS7TS8TSA/D轉(zhuǎn)換器二、取樣—保持電路

由于對(duì)模擬量進(jìn)行量化的過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以為保證轉(zhuǎn)換精度，在轉(zhuǎn)換（即量化）時(shí)間內(nèi)應(yīng)使取樣點(diǎn)的函數(shù)值保持不變。

這種暫時(shí)保持由瞬時(shí)取樣得到的模擬信號(hào)的電路，就是取樣—保持電路。右圖是一種常用的取樣—保持電路。uIS(t)∞

+uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO=-uC+-10tWS(t)TS-tW

在取樣脈沖S（t）持續(xù)時(shí)間tw內(nèi)，T導(dǎo)通。輸入信號(hào)uI經(jīng)開(kāi)關(guān)T對(duì)電容C進(jìn)行充電。只要充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于取樣信號(hào)S（t）的持續(xù)時(shí)間tw，則輸出信號(hào)uO就能跟蹤輸入信號(hào)uI的變化。

當(dāng)取樣脈沖結(jié)束，即在TS-tw時(shí)間內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管T關(guān)斷，因而電容器上電壓uC無(wú)泄放回路，保持不變，則uO=-uC也保持不變。

LSB第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

三、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓uI在0～UREF范圍內(nèi)變化。取3位二進(jìn)制數(shù)代表模擬輸入uI的數(shù)字輸出。

采用有舍有入的量化方式，利用電阻分壓把標(biāo)準(zhǔn)電壓UREF分成8段（量化階梯），位數(shù)越多，精度越高。UR1=UREFRRRRRRUR2=UREFUR3=UREFUR4=UREFUR6=UREFUR5=UREFUR7=UREFUREFLSB/2二進(jìn)制數(shù)輸出

其中6段間隔為(1/7)UREF，另外兩段間隔（最初和最末）為(1/14)UREF。因此，輸入模擬電壓從0到UREF整個(gè)范圍內(nèi)，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)(1/14)UREF。010011100101110111001是在(1/7)UREF時(shí)的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之間的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF

，因此，最大量化誤差不會(huì)超過(guò)(1/14)UREF。000001R8R1參考電壓模擬輸入電壓uI

UREF

UREFUREF

UREF

UREF

UREF

UREFRRRRRR分壓器組UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比較器組Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP

由7個(gè)D觸發(fā)器組成的同步寄存器組。D2D1D0編碼器例：當(dāng)，求輸出的數(shù)字量。00000110010100010100001001011000003/14UREF＜uI

≤5/14UREF

由于各個(gè)比較器的工作過(guò)程幾乎是同時(shí)的，所以并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在所有A/D轉(zhuǎn)換方案中是最高的。但需要使用大量的比較器。FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPuI(t)uOCOCOCO1uI<uO0uI>uO3位碼D/AC電路補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5VA/D轉(zhuǎn)換器六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器10004V3.5V4.9V0

逐次比較型ADC工作原理也可用天平測(cè)量質(zhì)量來(lái)比照。

模數(shù)為5的環(huán)型計(jì)數(shù)器。例：uI(t)=4.9V10000G3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D03位碼D/AC電路000FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPuI(t)uOCOCOCO1uI<uO0uI>uO3位碼D/AC電路補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5VG3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。0100010001101

第三個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。001001010

第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。000011015V4.5V

G4、G5、G6門(mén)開(kāi)，Q3、Q2、Q1數(shù)據(jù)傳出。UREF-uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S2A/D轉(zhuǎn)換器七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器就是先把電壓轉(zhuǎn)換成中間量——時(shí)間，再將時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字，這種轉(zhuǎn)換方法屬于間接轉(zhuǎn)換。01-+1有效0001000101100011010111110001UREF-uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S210001有效A/D轉(zhuǎn)換器七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器就是先把電壓轉(zhuǎn)換成中間量——時(shí)間，再將時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字，這種轉(zhuǎn)換方法屬于間接轉(zhuǎn)換。0-+100

正電壓UREF向電容C充電，電容兩端電壓不能突變，使得uo1電壓逐步下降，但還是正值，uo2為負(fù)值。

非門(mén)輸出維持不變，還是高電平，使得CP信號(hào)繼續(xù)有效，計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)。010110001

當(dāng)輸出D為100時(shí)，uo1小于零，使得uo2信號(hào)翻轉(zhuǎn)為高電平。

此時(shí)非門(mén)輸出為0，關(guān)斷CP信號(hào)，寄存器輸出可以作為數(shù)字量輸出。0無(wú)效(式7.3.2)A/D轉(zhuǎn)換器七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在開(kāi)始一定時(shí)間內(nèi)，積分器A1以輸入電壓uI為被積函數(shù)進(jìn)行積分，然后以與輸入電壓uI極性相反的參考電壓為被積函數(shù)進(jìn)行積分，再對(duì)積分輸出電壓進(jìn)行過(guò)零比較。UO2UO1斜率ΔUO1t0t1T1（常數(shù)）斜率t2T2D的正向電壓-0.75V-0.75V（t0≤t≤t1，uI＜0

）

式中：T1=t1-t0,t0=0,uI＜0。（t=t2）

(式7.3.4)A/D轉(zhuǎn)換器=七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器U02U01斜率ΔU01t0t1T1（常數(shù)）斜率t2T2D的正向電壓-0.75V-0.75V將式（7.3.2）代入式（7.3.4）得

另外，A/D轉(zhuǎn)換器的新產(chǎn)品也時(shí)有出現(xiàn)，如用于高精度音頻信號(hào)處理的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器等。1.常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻型和R-2R網(wǎng)絡(luò)型兩種電路。由于R-2R

網(wǎng)絡(luò)型電阻取值較少，易于集成，便于提高精度，多為集成D/A轉(zhuǎn)換器所采用。2.常用的A/D轉(zhuǎn)換器有雙積分、逐次比較和并行比較型三種。雙積分型精度高，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)元件穩(wěn)定性要求較低，但轉(zhuǎn)換速率低；逐次比較型轉(zhuǎn)換精度較高，成本較低，速度適中；并行比較型轉(zhuǎn)換速率高，但要求集成度高，且易受干擾。小結(jié)3.A/D變換器的主要技術(shù)指標(biāo)

一、分辨率：以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。

二、轉(zhuǎn)換速度：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從它接到轉(zhuǎn)換命令起直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間。

三、相對(duì)精度：實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。

四、其它：功率。電源電壓、電壓范圍等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)換精度

【例】已知8位A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓VREF=5.12V，求當(dāng)輸入為VI=3.8V時(shí)的數(shù)字量輸出。解：

2.轉(zhuǎn)換速度（1）高速ADC——并聯(lián)比較型ADC（2）中速ADC——逐次逼近型（3）低速ADC——雙積分型（2）八位集成ADC08093.A/D轉(zhuǎn)換器

引腳圖

ADC0809是8位CMOS逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，具有8個(gè)輸入通道，可直接選通8路模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。輸出設(shè)有三態(tài)TTL鎖存緩沖器，便于和各種微處理機(jī)接口。

ADC0809的主要組成部分有8路模擬開(kāi)關(guān)、地址譯碼、256個(gè)電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)關(guān)樹(shù)、8