A-D与D-A转换

1DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)补充：数/模（D/A）转换电路模/数（A/D）转换电路2随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术渗透到各个技术领域，各种以数字技术为基础核心的装置和系统层出不穷，如数字仪表、数字控制、数字通信、数字电视等。但是自然界中大多数物理信号和需要处理的信息却以模拟信号的形式出现，如语音、温度、位移、压力等。所以，要想用数字技术对这些信号进行处理和加工，就必须首先把模拟信号转换成数字信号，这就是模数转换（ADC）；另一方面，在许多情况下为了显示直观或便于控制，必须将数字量转换成模拟量，这就是数模转换（DAC）。引言DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)3数/模与模/数转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。随着电子技术的发展，数/模与模/数转换器的应用领域越来越广，对数/模与模/数转换器的要求也越来越高，新型的数/模与模/数转换器也不断地涌现。模拟信号数字信号：A/D转换器(ADC－AnalogDigitalConverter)数字信号模拟信号：D/A转换器(DAC－DigitalAnalogConverter)4数模转换电路（DAC或D/A）基本DAC电路常用DAC芯片及其应用DAC的主要性能参数及芯片选用的方法DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)5(1)D/A功能:将数字量成正比地转换成模拟量D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10VD/A转换器原理DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)6D/A功能(续)4位数据:00000V11115V分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据:000000000V111111115V分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)7(2)D/A的组成由三部分电路组成电阻网络模拟电子开关求和运算放大器DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)8权电阻D/A变换器这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。9电子模拟开关(S0-S3)由电子器件构成，其动作受二进制数D0-D3控制。当DK＝1时，则相应的开关SK接到位置1上，将基准电源UR经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中S0、S1）；当Dk＝0时，开关Sk接到位置0，将相应电流直接接地而不进运放（如图中S2、S3）。10T1T2SDa电子模拟开关的简化原理电路当D=1时，T2管饱和导通，T1管截止，则S与a点通；当D=0时，T1管饱和导通，T2管截止，则S被接地。前者相当于开关S接到“1”端，后者则相当于开关S接到“0”端。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)11Uo=-URRFR（）D3D0D1D223202122＋＋＋根据反相比例运算公式可得：显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。12T形解码网络D/A变换器(以4位为例)由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中D、C、B、A四点的电位逐位减半.和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少，只有R、2R两种，电路构成比较方便。13UD=URUC=UR/2UB=UR/4UA=UR/8即：因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。14I=I3+I2+I1+I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+++=UR16R(8D3+4D2+2D1+1D0)=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo-15权电流型DAC转换器（本小段内容自学为主，讲解从略）和权电阻网络相比，权电流DAC仅将VREF和电阻的组合变成了基准电流源的2的负整数次幂的组合，其它关系未发生任何变化，电路构成比较简单。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)16DAC的主要性能参数及选用方法指输入数字量的最低有效位（LSB）变化1个字所引起的输出电压变化值相对于满刻度值（最大输出电压）的百分比。有时也用输入数字量的有效位数（n）来表示分辨率。一、转换精度1、分辨率DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)172、转换误差转换误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之差称为绝对误差。对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之差同满刻度之比称为相对误差。3、线性误差通常用线性误差的大小表示D/A变换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差（FSR）。二、转换速度DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)18建立时间定义为：从输入数字量发生变化开始到输出进入稳态值±0.5LSB范围之内所需要的时间。含运算放大器的DAC其建立时间一般小于1.5μS，不含运算放大器的DAC其建立时间一般小于100nS。DAC的转换速度也称转换时间或建立时间，主要由DAC转换网络的延迟时间和运算放大器的电压变化率SR来决定。19模数转换电路（ADC或A/D）A/D转换的基本概念基本ADC电路ADC的主要性能参数及芯片选用DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)20A/D转换的基本概念A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤，前两步在取样-保持电路（S/H）中完成，后两步在A/D转换电路中完成。采样定理：fs=2fmax（理论计算）fs=（4~5）fmax（实际应用）采样-保持：将采样后的值保存下来，并在采样脉冲结束之后到下一个采样脉冲到来之前保持不变，保证ADC在此期间将样值转换成数字量。其原理与峰值检测电路相同，电路有LF198等。量化与编码DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)21基本ADC电路并行比较型ADC特点:转换速度快,转换时间10ns~1s逐次逼近型ADC特点:转换速度中,转换时间几s~100s双积分型ADC特点:转换速度慢,转换时间几百s~几msDigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)22并行比较型ADC-++-++-++-++-++-++-++uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出AGFECDB编码器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8电路由三部分组成:分压器、比较器和编码器。这种A/D变换器的优点是转换速度快，缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。23比较器输入Eux7E/87E/8ux6E/86E/8ux5E/85E/8ux4E/84E/8ux3E/83E/8ux2E/82E/8ux1E/81E/8ux0ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)24逐次逼近型ADC其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重待测重量Wx，故保留砝码总重仍待测重量Wx，故保留砝码总重待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克结论DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)25－＋＋10001000D/Aux(待转换的模拟电压)uouc控制逻辑数码寄存器移位寄存器时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端原理框图26双积分型ADC双积分型ADC是一种电压-时间间接型模数转换器。其转换原理如下图所示，主要有积分器、比较器、计数器和控制电路组成，其工作过程由对基准源和样值两次积分完成。27ADC的主要性能参数及芯片选用一、分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。三、转换速度：完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。二、转换误差：转换结果相对于理论值的误差。常用LSB的倍数表示。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)28ADC芯片的选用方法：选用ADC芯片应以上述的主要性能参数为依据，兼顾如输入通道、输出编码方式、输出逻辑电平、与微机接口的形式（并行或串行）、接口的匹配等要求。四、其它：功率、电源电压、电压范围等。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)