第1章_DA转换器和AD转换器

1D/A转换器和A/D转换器要点内容提要：（1）D/A、A/D转换器概念、基本工作原理。（2）集成D/A、A/D转换器应用。21.1概述主要内容：D/A、A/D转换器概念D/A、A/D转换器实际举例31．D/A、A/D转换器概念能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。2．D/A、A/D转换器的实际举例如图为一个锅炉加热信号采集和控制系统41.2D/A转换器主要内容D/A转换器的电路结构框图二进制权电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系D/A转换器的3个主要技术参数集成ADC0832及其应用51.2.1D/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基本原理：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相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。转换特性：D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。)2222(00112211oddddKvnnnnv62．D/A转换器的电路结构框图n位D/A转换器的电路结构框图如图所示。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应的数位上的电子开关将在电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路。求和电路将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量。71.2.2二进制权电阻网络D/A转换器1．电路结构二进制权电阻网络D/A转换器如图所示。82．权电阻网络D/A转换电路的工作原理不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248)2222(2248001122333321033221100DDDDRVDRVDRVDRVDRVDIDIDIDIiREFREFREFREFREF9例1-14位二进制权电阻网络DAC如图9-5所示，设基准电压VREF=-8V，RF=R/2，试求输入二进制数D3D2D1D0=1001时的输f出电压值。解：将D3D2D1D0=1101代入得VVDDDDVvREF5.4)12020212(28)2222(201234001122334o101.2.3倒T型电阻网络D/A转换器R－2R倒T形电阻网络D/A转换器如图所示。R－2R倒T形电阻网络的特点为：①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。11从参考电压端输入的电流为RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF161618814412210123求和运算放大器的输出电压为)2222(2001122334oDDDDRRViRiRvFREFFFF12例1-34位R－2R倒T形电阻网络DAC如图9-7所示，设基准电压VREF=-8V，RF=R，试求其最大输出电压值。解：将D3D2D1D0=1111代入VVDDDDVvREF5.7)12121212(28)2222(201234001122334o131.2.4D/A转换器的主要技术参数1．分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的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。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压VLSB（输入数字只有最低位为1）与最大输出电压VFSR（输入数字全为1）的比值来表示143．转换时间（输出建立时间）从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。151.2.5集成D/A转换器及应用举例DAC0832的逻辑符号和引脚图如图所示。16下图是DAC0832典型应用电路图。171.3A/D转换器主要内容A/D转换的4个步骤A/D转换器的种类A/D转换器的3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集成ADC0809及应用181.3.1A/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，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。1．采样－保持采样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fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍。采样后的值必须保持不变，直到下一次采样。因为A/D转换必须有时间处理采样值。19采样和保持操作示意图如下：202．量化－编码一般把上述采样保持后的值以某个“最小数量单位”的整数倍来表示，这一过程称为量化。规定的最小数量单位称为量化单位或量化间隔，用“δ”表示。量化的方法一般有两种：四舍五入法和舍去小数法。（1）四舍五入法：把＜δ/2的电压作为“0δ”处理，把≥δ/2而＜3/2δ的电压作为“1δ”处理；（2）舍去小数法：把＜δ的电压作为“0δ”处理，把≥δ而＜2δ的电压作为“1δ”处理。21采用不同量化方式其结果存在差异，而且上述量化结果与采样值之间存在误差，这种误差称为量化误差。把上述量化结果用代码表示，称为编码。221.3.2A/D转换器的种类1．A/D转换器的种类A/D转换器按照工作原理的不同可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量，间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换成中间量，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。常用的直接A/D转换器有并联比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器。常用的间接A/D转换器有中间量为时间的双积分型A/D转换器，中间量为频率的电压－频率转换型A/D转换器。232．常用A/D转换器的工作特点转换速度最高的是：并联比较型ADC；转换速度最低的是：双积分型ADC；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ADC；转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC241.3.3A/D转换器的主要技术参数1．分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数n表示，位数越多，对输入模拟信号的分辨能力越强。2．转换误差它表示A/D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（LSB）的倍数表示。3．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，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。251.3.4集成A/D转换器及应用举例ADC0809原理框图和芯片引脚排列图如下图所示。26ADC0809典型应用电路如下图。27例1-4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：10iVKD所以有：101051.96(11111111)()D10()100D故输出数字量D＝01100100。