AD與DA轉換器課件

§1D/A轉換器(DAC)完成從數字信號（抽象的有限精度的數字，通常是定點二進制數）到模擬信號（具體的物理量，如電壓、電流……）的轉換。基本工作原理圖：n位數字量輸入Din模擬量輸出UA基準電壓Uref數碼

寄存器n位

模擬開關解碼

網絡求和

電路DAC的轉換特性000001010011100101110111DinUAUOMUO1UO2圖中，一個3-bit二進制數字對應一個具體的電壓，這些電壓是平均分布的。按解碼網絡分類：T形電阻網絡DAC倒T形電阻網絡DAC權電流電阻網絡DAC權電阻網絡DAC分段式DAC乘法式DAC倒T形電阻網絡DAC4位DAC的轉換原理數字值輸入模擬電壓輸出解碼網絡倒T形電阻網絡DACDi=1：Si接運放反相端；Di=0：Si接運放同相端電位為0電位為0電阻兩端電壓恒定，流經電阻的電流也恒定。倒T形電阻網絡DAC數字值輸入模擬電壓輸出dcba等效

電阻：Rd=RRc=RRb=RRa=RI3I2I1I0I∑I設數字值各位用Di表示，代入得（Di=0或1）輸出模擬電壓n位DACkB倒T形電阻網絡D/A計算（0）（1）（1）（0）dcbaI3I2I1I0I∑I例：n位DAC的模擬輸出電壓VO

=-k·B輸入最大數字值B為全1時，有最大模擬電壓輸出（亦稱滿量程輸出值）例：已知4位倒T型DAC，輸入數字量為1101，VREF=-8V，Rf=R，則輸出模擬量VO=?解：輸入1個LSB時，電壓輸出主要技術指標（1）轉換精度（常用分辨率和轉換誤差來描述）①分辨率：D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數。用輸入數字量的位數表示，如8位，10位……。或用表示，即②分辨力：DAC分辨最小電壓（電流）的能力，即輸入變化1LSB所對應輸出的電壓或電流的變化量。最小輸出電壓最大輸出電壓12n-1例：某倒T型DAC的滿度輸出電壓UOM為10V，試問需要多少位代碼，才能使最小分辨力達到2mV。（設Rf/R為1）解：取上限，n=13主要技術指標③轉換誤差：含比例系數誤差、失調誤差、非線性誤差（2）轉換速度建立時間：輸入數字量變化到輸出模擬電壓穩(wěn)定所需的時間。轉換速率：大信號工作狀態(tài)下，模擬電壓的變化率表示。D/A轉換器的輸出方式常用D/A轉換器絕大部分是數字電流轉換器，輸出量是電流（即只有解碼網絡和模擬開關）。應用時增加輸出電路將電流轉換成電壓。（運放）①單極性電壓輸出vO=-i∑·Rf倒T型電阻網絡D/A轉換器Vref－+Rfi∑D0D1Dn-1vO…單極性電壓輸出—反相輸出，輸入數字量采用自然二進制碼時，對應的輸出電壓從0V到負的滿度值變化倒T型電阻網絡D/A轉換器Vref－+R2i∑D0D1Dn-1vO…R1RvO=i∑R·(1+R2/R1)單極性電壓輸出—同相輸出，輸入數字量采用自然二進制碼時，對應的輸出電壓從0V到正的滿度值變化②雙極性電壓輸出若輸入是正負數字量，就要求對應正負電壓輸出，常用編碼有：2的補碼，偏移二進制碼及符號-數值碼（SM碼）……數字值與模擬量的對應關系（8位）雙極性電壓輸出—數字與模擬量的關系十進制數2的補碼偏移二進制碼模擬量D7D6……D0D7D6……D0vO/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128……………………VLSB=Vref/2560值從0偏移至80H，>128的是正數，<128的是負數。單極性8位D/A轉換器的輸出電壓減去（Vref/2），可得正確的偏移二進制碼輸出。典型器件AD7520——典型10bitDAC·采用CMOS電子開關·與TTL電平兼容·電源電壓范圍：5～15V·采用R-2R電阻網絡

D/A轉換器在波形發(fā)生中的應用

10可逆計數器AD7520D0D1D9Vref－+vO1…RfIOUT1IOUT2AD7520D0D1D9Vref－+vO2…RfIOUT1IOUT2Q0Q1……Q9CPUP/DNUP/DN控制CLK10§2A/D轉換器(ADC)多數信號處理電路都需要將輸入的模擬信號轉換為數字信號處理。功能框圖采樣保持量化編碼模擬信號輸入數字信號輸出采樣和保持vI(t)vO(t)S(t)fs≥2fimax

fimax—輸入信號中的最高頻率分量時間離散的模擬量時間幅度連續(xù)的模擬量S采樣過程采樣及保持原理框圖保持的目的是為了后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值。采樣保持電路一般是一體的。原理圖前置電路vIS開關驅

動電路后續(xù)電路CHvO保持電容采樣保持量化與編碼量化：將采樣—保持電路的輸出電壓按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。編碼：量化后的數值須通過一個編碼過程用代碼表示出來。（二進制編碼）

VrefVID0D1D(n-1)編碼…VOVref：參考電壓，被等分成2n份，每一份是一個量化單位，用Δ表示，對應于數字值00……01，也稱1個LSB。（此處參考電壓是單極性，即輸入電壓范圍為０～Vref）VI：采樣保持輸出電壓，在量化電路中與量化單位比較，歸化為用m個Δ表示的量化值，編碼電路求出m對應的二進制編碼。量化量化方式（1）截斷式：舍去量化計算后的結果的小數部分（2）舍入式：對量化值小數部分<（Δ/2）的舍去，≥（Δ/2）的按1個Δ處理。0Δ2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7Δ3Δ4Δ2ΔVO0Δ2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7Δ3Δ5Δ2ΔVO量化誤差：-1Δ量化誤差：±(1/2)Δ采樣—保持信號uO量化電平uq……截斷式量化采樣—保持信號uO量化電平uq……最大量化誤差當n較大時，舍入式量化編碼一個量化值對應一個數字量，量化等級有2n，則數字量是n位。設用舍入方式，量化等級為8，數字值為3位。2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7ΔΔ000001010011100101110111量化值編碼量化特性曲線例：某10位ADC的分辨率（Δ）是4.88mV，請問輸入模擬電壓3.2V的數字量是多少？（設采用舍入量化方式）解：10位ADC的量化等級是1024級，從0Δ~1023Δ，3.2V÷4.88mV=655.7按照舍入式量化，結果是656Δ，對應的數字量是1010010000ADC分類按照工作原理分類：

①直接A/D轉換器：可將模擬信號直接轉換為數字信號，轉換速度快，典型電路有并行比較型A/D轉換器、逐次比較型A/D轉換器。②間接A/D轉換器：先將模擬信號轉換成某一中間變量（時間或頻率），然后再將中間電量轉換為數字量輸出，速度慢典型電路有雙積分型A/D轉換器、電壓頻率轉換型A/D轉換器。③軟硬件結合的A/D轉換技術：∑—Δ轉換器，分辨率可達24位以上。逐次比較型A/D轉換器轉換原理：將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉換所得的數字量在數值上逐次逼近輸入模擬量對應值。移位寄存器數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIvo’VrefCLKDn-1Dn-2D1D0模擬量輸入數字量輸出啟動脈沖vCvM逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLK（CP）Dn-1Dn-2D1D0模擬量輸入數字量輸出啟動脈沖vCvM10……00

CP1，先將移位寄存器的最高位置1202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-1Dn-2D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM10……00若vI>vO’，則vC=1202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-1=1Dn-2D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM10……00若vI>vO’，則vC=1202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-1=0Dn-2D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM00……00若vI<vO’，vC=0202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-1=1Dn-2=1D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM11……00若vI>vO’，vC=1CP2，將移位寄存器的第n-2位置1（vI

>?Vref）202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-1=1Dn-2=0D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM10……00CP2（vI

>?Vref）若vI<vO’，vC=0202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-2=1D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM01……00

CP2（vI

<?Vref）若vI>vO’，vC=1Dn-1=0202n-1逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-2D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM01……00若vI<vO’，vC=0Dn-1=0202n-1

CP2（vI

<?Vref）逐次比較型A/D轉換器移位寄存器

數據寄存器D/A轉換器控制邏

輯電路電壓

比較器·········vIVrefCLKDn-2=0D1D0模擬量輸入啟動脈沖vCvM00