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第七章D/A转换器和A/D转换器第一节D/A转换的基本原理和D/A转换器第二节A/D转换的基本原理和A/D转换器小结本章重点重点：1、理解A/D和D/A转换器的主要技术指标。2、熟练掌握A/D和D/A转换器的工作原理。3、集成A/D和D/A转换器的应用。难点：1、A/D和D/A转换器的主要技术指标。2、集成A/D和D/A转换器和中规模组合、时序电路的综合应用。一、模拟量(analog)、数字量(digital)以及二者的相互转换第一节D/A转换的基本原理和D/A转换器连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为数字量，也叫离散量。数字量是不能连续取值的。连续变化的模拟量电压、电流或频率等电量被控对象传感器A/D转换数字信号处理后的数字信息数字系统电的模拟量D/A转换执行机构数字控制系统框图二、D/A转换的基本原理要将数字量D转换为模拟量A，需要一个模拟参考量R，使得A=DR若max{A}=R则0≤D≤1即数字量D是一个不大于1的n进制数。自然，这里的D是二进制数：D=a12－1+a22－2+…+an2－n,ai∈(0,1)实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。)222(202211nnnnaaaRDRA注意，A虽是模拟量，但并不能取任意值，而只能根据输入量D得到某些特定值。ADOLSBD/A转换特性这个基本单位称为量化单位，A为量化单位的整数倍.量化单位（LeastSignificantBitLSB）:输入数字D的一个最低有效位所对应的模拟量。nR2nnnnnDDDRDRA)222(2002211…三、D/A转换器的主要技术参数分辨力：D/A转换器分辨最小模拟量的能力。分辨率：通常指D/A转换器的二进制位数。也就是最低有效位LSB所对应的模拟量，记作RLSB。显然位数越多，D/A转换器所能输出的最小模拟量值也越小，因而分辨力与分辨率是统一的。有时对二者不加区分。例：10位D/A转换器最小输出电压对应的输入数字量为0000000001，最大输出电压对应的输入数字量为1111111111，则其分辨率为101110.1%21102411023满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。D都为1如:8位二进制D/A转换器满量程为(28-1)ULSB，即(11111111)ULSB。通常用(100000000)ULSB指代满量程。1)(21)(2LSBmaxLSBmaxnnUuRA非线性误差：在满量程范围内偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。转换精度：通常以满量程相对误差来说明D/A转换器的转换精度。建立时间：从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定所需要的时间。(Δu)max为最大绝对误差。温度系数：在规定范围内，温度变化1℃时，增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。LSBmax2)(Uun建立时间决定了D/A转换器输出信号所能达到的最小重复周期。误差原因：零点、增益、飘移、非线性等误差四、类型：结论：种类多，新器件不断出现，但基本转换原理不变。学习基本转换原理和典型电路。D/A权电阻网络D/A转换器R-2R（倒T）型电阻网络D/A转换器集成D/A转换器五、D/A转换器1REF112nnnRUDiUREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010101010Dn-1Dn-2DiD1D012nR2REF222nnnRUDi22nR)1,0(,2210REFREF10iiniiiniiDDRURUDiiRf)1,0(,210REFffOiiniiDDRURiRuiR22RR电子开关的作用及组成电子开关作用：di=0，Si=0；di=1，Si=UR1、权电阻型D/A转换器例右图所示的电路中，设n=4,UREF=－10V,R=100kΩ,Rf=8kΩ,输入二进制数码S3S2S1S0为1011。试问运算放大器输出电压是多少？解：V8.8V)122(10010821330REFfOiiiDRURu权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大,特别是当分辨率较高时,电阻值的范围会大得难以实现。UREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010101010Dn-1Dn-2DiD1D0Rf12nR22nRiR22RR2、R-2R网络型D/A转换器虚地2R2RR对地电阻为2R2RR对地电阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010101010Dn-1Dn-2DiD1D0IREF2/IREF2/IREF)1,0(,2210REFiiniinDDIiiRIUREFREF)1,0(,2210fREFfoiiniinDDRRUiRu与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有R、2R两种阻值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。3、集成D/A转换器及其应用DAC0832DAC0832的R-2R网络DAC0832功能框图有双缓冲、单缓冲、直通型工作方式片选输入选通写入数据传递例：分析图，回答问题。（1）DAC0832属于哪种工作方式？（2)解释此电路功能。DAC0832DD0-D7+∞uiuoUREFRFBIOUT1IOUT2ILECSXFERWR1WR2+5V10kΩ解:（1）直通型工作方式。（2）DKuuDuuDURiuiiiiiiio708io708REFfOUT1o,22,22DAC电路称为乘法DAC，简写MDAC一、A/D转换的基本原理A/D转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号的编码过程。若模拟参考量为R，则输出数字量D和输入模拟量A之间的关系为D≈A/RDA/D转换器AR（UREF）A/D转换A/D转换类似用天平测量质量质量天平仪mX质量天平仪mX质量天平仪mXmmin数字D永远不能精确地表示被测物体质量mx，而只能以一个最小砝码mmin的精度去逼近。第二节A/D转换的基本原理和A/D转换器mmin称为量化单位。无论mmin多小，总不能是无穷小，由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。量化误差是不能消除的。但A/D转换得出的数字量可以提供较模拟量更多的有效数字，使得数据处理的总体精度大大提高。△DAOLSB二、A/D转换器的主要技术参数分辨力：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。分辨率：A/D转换器的二进制位数。量化误差：量化误差通常是指1个LSB的输出变化所对应模拟量的范围。转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化误差，而是由多种因素决定的。A/D转换器的转换精度一般表示为γ±nLSB。转换时间：完成一次转换所用的时间。转换速率：每秒转换的次数。转换速率与转换时间不一定是倒数关系。两次转换过程允许有部分时间的重叠，因而转速率大于转换时间的倒数，这称作管线（pipelining）工作方式。例如：三、类型：结论：种类多，新器件不断出现，但基本转换原理不变。学习基本转换原理和典型电路。A/D并行比较型A/D转换器串行比较型A/D转换器并-串行比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器双积分型A/D转换器1)并行比较型A/D转换器优点:转换速度较高;易受干扰。缺点:所需要比较器的数目较多，。2)逐次比较型A/D转换器特点所用器件较少,转换速度也不太慢。目前应用比较广泛。3）双积分型A/D转换器特点（间接转换）精度高，抗干扰能力强，转换速率低。适用低速场合。常用的三种A/D转换器的优缺点A/D转换器经过取样、保持、量化和编码。A/D转换的过程就是用模拟量A与参考量R比较的过程，因此，电压比较器就成了A/D转换器中重要部件。比较器的输出为REFXREFX01UuUuD∞+DuXUREFREFXUu0REFXUu11、A/D转换器的关键部件——比较器三、A/D转换的一般工作过程tf(t)O模拟信号2、取样—保持电路所谓取样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。根据取样定理，每经过一定时间间隔TS取出信号的一个值，只要TS≤（fm为信号频带中的最高频率），这些取样值就可以无损失地表达原模拟信号。m21ftf*(t)O76543211TS2TS取样信号3TS4TS5TS6TS7TS8TS由于对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，所以为保证转换精度，在转换（即量化）时间内应使取样点的函数值保持不变。这种暂时保持由瞬时取样得到的模拟信号的电路，就是取样—保持电路。右图是一种常用的取样—保持电路。uIS(t)∞+uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO=-uC+-10tWS(t)TS-tW在取样脉冲S（t）持续时间tw内，T导通。输入信号uI经开关T对电容C进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间tw，则输出信号uO就能跟踪输入信号uI的变化。当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管T关断，因而电容器上电压uC无泄放回路，保持不变，则uO=-uC也保持不变。3、量化及量化误差•量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。•在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。•量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。•两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。•只舍不入量化方式:量化中把不足1个量化单位的部分舍弃；•最大量化误差为：LSB1max•四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为2LSBmax两种量化方式V8701VV86V85V84V83V82V811111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号编码模拟电平01VV1513V1511V159V157V155V153V151110101100011010001000输入信号编码模拟电平0Δ=0v1Δ=2/15v2Δ=4/15v3Δ=6/15v4Δ=8/15v5Δ=10/15v6Δ=12/15v7Δ=14/15v111DAOLSB△ADAOLSB△A量化误差为1LSB量化误差为±0.5LSB由分压器、电压比较器、编码器三部分组成。(一)分压器(二)电压比较器(三)编码器1、并行比较型A/D转换器四、A/D转换器LSB假定被转换的模拟输入电压uI在0～UREF范围内变化。取3位二进制数代表模拟输入uI的数字输出。采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段（量化阶梯），位数越多，精度越高。UR1=UREF141R2R2RRRRRRUR2=UREF143UR3=UREF145UR4=UREF147UR6=UREF1411UR5=UREF149UR7=UREF1413UREFLSB/2二进制数输出其中6段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过(1/14)UREF。010011100101110111001是在(1/7)UREF时的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之间的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF，因此，最大量化误差不会超过(1/14)UREF。000001R8R1参考电压模拟输入电压uIUREF141UREF143UREF145UREF147UREF1411UREF149UREF1413R2R2RRRRRR分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI