3、正確理解D/A、A/D轉換器的主要參數。1、掌握倒T形電阻網絡D/A轉換器(DAC)、集成D/A轉換器的工作原理及相關計算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉換器(ADC)的工作原理及其特點。本章要求1第一頁，共六十一頁。9.1D/A轉換器9.1.1D/A轉換的基本原理9.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器9.1.5D/A轉換器的技術指標9.1.3權電流D/A轉換器9.1.4D/A轉換器的輸出方式9.1.6D/A轉換器的應用2第二頁，共六十一頁。n位數字量DAC模擬量數/模轉換器:將數字量轉換為與之成正比模擬量。NBO=±KND

9.1.1D/A轉換的基本原理3第三頁，共六十一頁。基本思想：將輸入二進制數中為“1”每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的模擬量，從而實現數字量--模擬量的轉換。1、實現D/A轉換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋1×20將二進制數(11001)B＝ND轉換為十進制數。4第四頁，共六十一頁。2、實現D/A轉換的原理電路

基準電壓電子開關數字量輸入解碼網絡求和電路模擬量輸出5第五頁，共六十一頁。3、D/A轉換器的組成

用存放在數字寄存器中的數字量的各位數碼

由輸入數字量控制產生權電流

將權電流相加產生與輸入成正比的模擬電壓6第六頁，共六十一頁。4、D/A轉換器的分類:按解碼網絡結構分類T型電阻網絡DAC倒T形電阻網絡DAC權電流DAC權電阻網絡DAC按模擬電子開關電路分類CMOS開關型DAC雙極型開關型DAC電流開關型DACECL電流開關型DACD/A轉

換

器7第七頁，共六十一頁。9.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器Di=0,Si接運算放大器同相端，將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數4位倒T形電阻網絡D/A轉換器基準電壓8第八頁，共六十一頁。D/A轉換器的倒T形電阻網絡基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R9第九頁，共六十一頁。i＝I0D0+I1D1+I2D2+I3D310第十頁，共六十一頁。4位倒T形電阻網絡DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網絡DAC有：令：則O=–KND

在電路中輸入的每一個二進制數NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。11第十一頁，共六十一頁。關于D/A轉換器精度的討論(1)基準電壓精度高、穩定性好；(2)倒T形電阻網絡中R和2R電阻比值的精度要高；(4)每個模擬開關的開關電壓降要相等。為實現電流從高位到低位按2的整數倍遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按2的整數倍遞增。為進一步提高D/A轉換器的精度，可采用權電流型D/A轉換器。為提高D/A轉換器的精度，對電路參數的要求：(3)運放的零點漂移小；12第十二頁，共六十一頁。Di=1時，開關Si接運放的反相端;Di=0時，開關Si接地。9.1.3權電流D/A轉換器4位權電流D/A轉換器13第十三頁，共六十一頁。在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。14第十四頁，共六十一頁。8位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

MSB數字量LSB9.1.4D/A轉換器的輸出方式1.單極性電壓輸出15第十五頁，共六十一頁。1.單極性電壓輸出反相輸出16第十六頁，共六十一頁。1.單極性電壓輸出同相輸出17第十七頁，共六十一頁。常用雙極性編碼及輸出模擬量-1280000000000000001-128-1271000000010000001-127-11111111011111111-1000000001000000000110000001100000001126011111110111111012612711111111111111101270/VLSBD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7模擬量偏移二進制碼2的補碼十進制數2.雙極性電壓輸出18第十八頁，共六十一頁。

19第十九頁，共六十一頁。9.1.5D/A轉換器的主要技術指標分辨率也可用輸入數字量的位數n來表示，位數越多D/A轉換器的分辨率越高。分辨率還可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉換器的分辨率可表示為1、轉換精度分辨率——定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數，n位D/A轉換器最多有2n個不同的模擬量輸出，其分辨率為2n。分辨率反映了D/A轉換器輸入模擬量微小變化的分辨能力。20第二十頁，共六十一頁。產生原因：由于D/A轉換器中各元件參數值存在誤差，如基準電壓不夠穩定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉換誤差：有如比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差等。轉換誤差——轉換器實際能達到的轉換精度。指對給定的數字量，D/A轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。21第二十一頁，共六十一頁。2、轉換速度建立時間tset——是在輸入數字量各位由全0變為全1，或由全1變為全0，輸出電壓達到規定誤差范圍所需的時間。轉換速率SR——即輸入數字量的各位由全0變為全1，或由全1變為0時，輸出電壓vo的變化率。3、溫度系數指輸入信號不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產生的變化量。22第二十二頁，共六十一頁。AD7520D/A轉換器使用:1)要外接運放2)運放的反饋電阻可使用內部電阻，也可采用外接電阻10位CMOS電流開關型D/A轉換器

9.1.6集成D/A轉換器及其應用23第二十三頁，共六十一頁。9.1.6集成D/A轉換器及其應用AD7520的引腳圖24第二十四頁，共六十一頁。74163和與非門構成十進制計數器：0000~1001應用舉例1、鋸齒波產生電路25第二十五頁，共六十一頁。應用舉例2、數字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

26第二十六頁，共六十一頁。uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網絡

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

OVIAuu=根據虛短、虛斷有:27第二十七頁，共六十一頁。9.2.6集成A/D轉換器及其應用9.2A/D轉換器9.2.1A/D轉換的一般工作過程

A/D轉換器的主要技術指標

并行比較型A/D轉換器

逐次比較型A/D轉換器

雙積分式A/D轉換器28第二十八頁，共六十一頁。保持、量化取樣時間上離散的信號量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續數字信號時間上和量值上都離散9.2.1A/D轉換的一般工作過程

A/D轉換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。29第二十九頁，共六十一頁。1.取樣與保持

取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。

取樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的采樣頻率由取樣定理確定。

取樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimaxS(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開30第三十頁，共六十一頁。將取樣電路取得的信號轉換為數字信號需要一定時間，為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。取樣保持31第三十一頁，共六十一頁。2.量化與編碼量化：數字信號在數值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數字量只能是某個最小數量單位的整數倍。量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式；四舍五入的量化方式。量化單位Δ：最小數量單位。32第三十二頁，共六十一頁。（1）只舍不入量化方式把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。編碼：量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。33第三十三頁，共六十一頁。（2）四舍五入量化方式將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。34第三十四頁，共六十一頁。1.轉換精度

9.2.2A/D轉換器的主要技術指標分辨率:說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制(或十進制)數的位數表示。轉換誤差：表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。2.轉換時間

指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。35第三十五頁，共六十一頁。并行比較型逐次逼近型電壓-時間(VT)型——雙積分型A/D轉換器直接型間接型A/D轉換器的分類反饋比較型計數型電壓-頻率(VF)型36第三十六頁，共六十一頁。9.2.3并行比較型A/D轉換器電壓比較器輸入模擬電壓電阻分壓器基準電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數字量寄存器優先編碼器37第三十七頁，共六十一頁。1111000001vI=8.2VVREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15VREF=15V1V3V7V9V11V5V13V111100038第三十八頁，共六十一頁。I=8.2VVREF=15V量化方式：四舍五入法最大量化誤差為：輸出數字量：量化單位：Δ=2VREF/15

=2V對應模擬電壓：量化誤差：-0.2V39第三十九頁，共六十一頁。

vICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7D2D1D0

7VREF/15

vI<9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI<11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI<7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

<5VREF/15000001101011VREF/15

vI<13VR/15

011111111013VREF/15

vI<VREF

1111111111

VREF/15

vI<3VREF/15

0000001001

0vI<VREF/15

0000000000

三位并行A/D轉換器輸入與輸出關系對照表40第四十頁，共六十一頁。電路特點：在并行A/D轉換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發器、8個電阻。位數越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。41第四十一頁，共六十一頁。9.2.4逐次比較型A/D轉換器與用天平稱物重非常相似。第一次8g8g<mx，8g第二次第三次第四次轉換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克設待秤物體重量mx

=13克砝碼總重量暫時結果比較判斷保留8g+4g=12g12g<mx，12g保留8g+4g+2g=14g14g>mx，12g撤去8g+4g+1g=13g13g＝mx，13g保留42第四十二頁，共六十一頁。10001000I

>4V1I=5.52VVREF=8V第一個CP：4位逐次比較型模-數轉換器的原理電路vo,

=4V43第四十三頁，共六十一頁。0I=5.52V01001100I

<6V1VREF=8Vvo,

=6V10004位逐次比較型模-數轉換器的原理電路第二個CP：44第四十四頁，共六十一頁。0I=5.52V00101010I

>5V1VREF=8Vvo,

=5V14位逐次比較型模-數轉換器的原理電路第三個CP：45第四十五頁，共六十一頁。0I=5.52V00011011I

>5.5V1VREF=8Vvo,

=5.5V114位逐次比較型模-數轉換器的原理電路第四個CP：46第四十六頁，共六十一頁。1000I=5.52VVREF=8V10111100101010110.005.505.006.00

4.00CP

啟動脈沖

D3

D2D1D0vo,

8

7

654

3

2

10

轉換時間=4TCP

t/ms

(轉換誤差:–0.02V)只舍不入量化方式最大量化誤差為：最小量化單位：Δ=

VREF/1647第四十七頁，共六十一頁。電路特點：1、逐次比較型A/D轉換器輸出數字量的位數越多轉換精度越高；2、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與其位數n和時鐘脈沖頻率有關，位數愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短。48第四十八頁，共六十一頁。9.2.5雙積分式A/D轉換器轉換的基本思想：在某一固定的時間內，對輸入模擬電壓求積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔；然后利用時鐘脈沖和計數器測出此時間間隔，進而得到相應的數字量輸出。又稱為電壓－時間變換型(簡稱VT型)。49第四十九頁，共六十一頁。1、電路組成積分器過零比較器時鐘脈沖控制門計數器定時器50第五十頁，共六十一頁。0CR信號將計數器清零；開關S2閉合，待電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理（1）準備階段：0000051第五十一頁，共六十一頁。經過2n個CP(2)第一次積分：01152第五十二頁，共六十一頁。積分器輸出電壓O=0時，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數停止。(3)第二次積分：053第五十三頁，共六十一頁。T1=2nTC

T2=Tc

T2=t2t1

在計數器所計的數=Qn-1…Q1Q0，就是A/D轉換器得到的數字量。vG54第五十四頁，共六十一頁。電路特點：1.由于轉換結果與時間常數無關，因此R、C元器件參數的變化對轉換精度的影響基本可以忽略。2.由于雙積分A/D轉換器在T1時間內采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾的能力。3.只要求時鐘源在一個轉換周期時間內保持穩定即可。4.轉換速度慢,轉換時間幾百s~幾ms。55第五十五頁，共六十一頁。9.2.6集成A/D轉換器及其應用ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，ADC0809的主要特性：