AD-DA模擬數字轉換電路

第6章模擬數字轉換電路掌握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應用。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。正確理解D/A、A/D轉換器的主要參數。教學基本要求

隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，數字技術滲透到各個技術領域，各種以數字技術為基礎核心的裝置和系統(tǒng)層出不窮，如數字儀表、數字控制、數字通信、數字電視等。但是自然界中大多數物理信號和需要處理的信息卻以模擬信號的形式出現，如語音、溫度、位移、壓力等。所以，要想用數字技術對這些信號進行處理和加工，就必須首先把模擬信號轉換成數字信號，這就是模數轉換（ADC）；另一方面，在許多情況下為了顯示直觀或便于控制，必須將數字量轉換成模擬量，這就是數模轉換（DAC）。概述模擬量與數字量模擬量——連續(xù)變化的物理量數字量——時間和數值上都離散的量模擬/數字轉換器ADCDAC數字/模擬轉換器模擬輸入輸出系統(tǒng)示意圖數字信號模擬信號現場信號1現場信號2現場信號n微型計算機放大器放大器放大器多路開關低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉換器采樣保持器數字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉換器放大驅動電路…傳感器將各種現場的物理量測量出來并轉換成電信號（模擬電壓或電流）

放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比多路開關把多個現場信號分時地接通到A/D轉換器采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，并在A/D轉換期間保持不變利用D/A轉換、A/D轉換的系統(tǒng)想一想：你身邊有哪些電子產品內需要A/D轉換器和D/A轉換器？

檢測電路模擬電信號A/D轉換數字電路或計算機系統(tǒng)D/A轉換喇叭、顯像管等聲音、圖像等利用D/A轉換、A/D轉換的系統(tǒng)

模擬信號模擬信號數字信號數字信號

數/模與模/數轉換器是計算機與外部設備的重要接口,也是數字測量和數字控制系統(tǒng)的重要部件。隨著電子技術的發(fā)展，數/模與模/數轉換器的應用領域越來越廣，對數/模與模/數轉換器的要求也越來越高，新型的數/模與模/數轉換器也不斷地涌現。模擬信號數字信號：A/D轉換器(ADC－AnalogDigitalConverter)數字信號模擬信號：D/A轉換器(DAC－DigitalAnalogConverter)6.1

D/A轉換器工作原理DAC數字/模擬轉換器模擬量數字量一、D/A功能:將數字量成正比地轉換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數字量模擬量0~5V或0~10V6.1D/A轉換器

D/A功能(續(xù))4位數據:00000V11115V分辨率:5V/15=0.333V/每1個最低有效位8位數據:000000000V111111115V分辨率:5V/255=0.0196V/每1個最低有效位二、D/A轉換的轉換特性數字量→按權相加→模擬量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13Vout＝－（D/2n）×VREF三、D/A轉換器結構及工作原理由三部分電路組成電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器1加權電阻網絡D/A變換器

這種變換器由“電子模擬開關”、“權電阻求和網絡”、“運算放大器”和“基準電源”等部分組成。

電子模擬開關(S0-S3)動作受二進制數d0-d3

控制。當dK

＝1時，則相應的開關SK

接到位置1上，將基準電源UR經電阻Rk引起的電流接到運算放大器的虛地點（如圖中S0、S1）；當dk＝0時，開關Sk接到位置0，將相應電流直接接地而不進運放。根據反相比例運算公式可得：顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入二進制數的大小成正比，從而實現了數字量到模擬量的轉換。這種轉換器用到的權電阻規(guī)格太多，不易采用集成技術制造。2、T型R-2R電阻網絡電路Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網絡基準電壓電子開關D/A轉換器的原理圖（2）Iout2Iout1RfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R運算放大器虛地D/A轉換器的原理圖（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vc/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vb/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Va/2R＝VREF/（1×2R）D/A轉換器的原理圖（4）Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3

＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb

＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF三、DAC的主要性能參數及選用方法

指輸入數字量的最低有效位（LSB）變化1個字所引起的輸出電壓變化值相對于滿刻度值（最大輸出電壓）的百分比。實際使用時，常用輸入數字量的位數來表示分辨率高低。一、轉換精度1、分辨率分辨率的表示：

分辨率用輸入二進制數的有效位數表示。如10位二進制D/A轉換器，其分辨率為10位。分辨率也可以用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉換器的分辨率為：位數越高，分辨率越高。2、轉換誤差轉換誤差有絕對誤差和相對誤差兩種表示方法。對于某個輸入數字，實測輸出值與理論輸出值之差稱為絕對誤差。對于某個輸入數字，實測輸出值與理論輸出值之差同滿刻度之比稱為相對誤差。3、線性誤差通常用線性誤差的大小表示D/A變換器的線性度。把偏離理想的輸入－輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數定義為非線性誤差（FSR）。

建立時間定義為：從輸入數字量發(fā)生變化開始到輸出進入穩(wěn)態(tài)值±0.5LSB范圍之內所需要的時間。電流輸出DAC建立時間較短，電壓輸出DAC建立時間較長。

DAC的轉換速度也稱轉換時間或建立時間，主要由DAC轉換網絡的延遲時間和運算放大器的電壓變化率SR來決定。4、轉換速度

5.D/A轉換器輸入/輸出特性

輸入特性

（1）輸入緩沖能力（2）輸入數據寬度：8位、10位、12位（3）輸入碼制：DAC能接收哪些碼制的數字量輸入。單極性輸出接收二進制或BCD碼；雙極性輸出接收補碼。

輸出特性（4）輸出電流型、電壓型（5）單極性還是雙極性輸出四、集成電阻網絡D/A轉換器的應用D/A轉換器與微處理器接口設計方法

接口任務：解決數據緩沖及數據寬度匹配。

接口形式：直接與主機相連；

通過三態(tài)門或寄存器與主機相連；

利用可編程并行接口；

通過可編程邏輯器件PAL/GAL、CPLD、EPLD。

D/A轉換器在實際電路中應用很廣，它不僅常作為接口電路用于微機系統(tǒng)，而且還可利用其電路結構特征和輸入、輸出電量之間的關系構成數控電流源、電壓源、數字式可編程增益控制電路和波形產生電路等。

1、8位集成數模轉換器DAC0832DAC0832帶有兩個輸入數據緩沖寄存器，是一種單電源（+5~+15V）的CMOS型器件。其參考電壓VREF可在-9V~+9V范圍內選擇，轉換速度約為1μs。（1）DAC0832的內部結構LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE＝1，直通（輸出等于輸入）LE＝0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數字數據直接進入D/A轉換器LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝1兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)能夠對一個數據進行D/A轉換的同時；輸入另一個數據LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1（2）單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF

（3）D/A轉換器的接口電路設計要求：采用DAC0832設計一個能產生任意波形（如正弦波、三角波等）的函數波形發(fā)生器。分析：DAC0832是分辨率為8位、芯片內部帶有兩級緩沖器的D/A轉換器。輸入無三態(tài)鎖存器，接口中要加三態(tài)鎖存器或并行接口。設計（1）硬件連接。采用8255A作為DAC與CPU之間的接口芯片，A端口用來數據輸出，B端口用來輸出控制信號。（2）軟件編程。

片內有輸入鎖存器（DAC0832與CPU接口）DAC0832的應用電路思考：要求輸出電壓的最大值為10V，分辨率為10mV，則最少應選用多少位的DAC？

2、12位D/A轉換器要求：對片內有輸入緩沖器的12位D/A轉換器設計接口，要求轉換的數據按“左對齊“格式傳送。分析：由于該D/A分辨率為12位（數據線有12條），且片內有兩級鎖存器，所以不必外加鎖存器，可與CPU直接相連，但CPU的字長為８位，因此需傳送兩次。設計

片內有輸入鎖存器（DAC1210與CPU接口）D/A轉換器的接口電路設計D/A轉換器的接口電路設計硬件連接：

DAC1210高8位DI11~DI4連到數據線D7~D0，低4位DI3~DI0連到數據線的D7~D4，實現左對齊。高低字節(jié)鎖存過程：高低字節(jié)控制端口地址分別為340H（Y0=0）、341H（Y1=0），第二級鎖存地址為342H（Y2=0）。當Y0=0時，BYTE1/BYTE2=1，此時若IOW有效（WR1=0），其上升沿鎖存高8位數據。當Y1=0時，BYTE1/BYTE2=0，此時若IOW有效（WR1=0），其上升沿鎖存低4位數據。當Y2=0時，此時若IOW有效（WR1=0），其上升沿將12位數據鎖存到12為DAC寄存器，開始D/A轉換。

MOVDX，340HMOVAL，DATALMOVAL，DATAH OUTDX，ALOUTDX，AL MOVDX，342HINCDXOUTDX，AL

本節(jié)小結

D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根據工作原理基本上可分為二進制權電阻網絡D/A轉換器和T型電阻網絡D/A轉換器兩大類。由于T型電阻網絡D/A轉換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉換器普遍采用這種電路結構。

如果輸入的是n位二進制數，則D/A轉換器的輸出電壓為：6.2A/D轉換器模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經數字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數輸出。一、A/D轉換的基本原理A/D轉換的信號處理過程

二、A/D轉換的基本概念A/D轉換過程包括取樣、保持、量化和編碼四個步驟，前兩步在取樣-保持電路（S/H）中完成，后兩步在A/D轉換電路中完成。采樣定理：fs>=2fmax（理論計算）

fs>=（4~5）fmax（實際應用）采樣-保持：將采樣后的值保存下來，并在采樣脈沖結束之后到下一個采樣脈沖到來之前保持不變，保證ADC在此期間將樣值轉換成數字量。其原理與峰值檢測電路相同，電路有LF198等。量化與編碼1、采樣保持原理（1）采樣和保持

采樣：把在時間上是連續(xù)的輸入模擬信號ui轉換成在時間上是斷續(xù)的信號，輸出脈沖波的包絡仍反映輸入信號幅度的大小。

取樣定理，采樣信號的頻率fs和輸入模擬信號的最高頻率fimax之間必須滿足下述條件:fs≥2fimax

因為每次把取樣電壓轉換為相應的數字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。采樣保持電路采樣保持電路的組成：模擬開關模擬信號存儲電容緩沖放大器A/D轉換——將模擬信號變換為數字信號若參考量為R，則D≈A/R?2、

量化和編碼量化：將A/D轉換器中取樣—保持輸出的階梯離散電平都統(tǒng)一歸并到最臨近的指定電平上的過程。量化單位

量化誤差——因mmin不能是無窮小而帶來的誤差。量化誤差是不可消除的。劃分量化電平的兩種方法●量化誤差問題：采用了A/D轉換器，會不會使整個系統(tǒng)處理數據的精度降低？三、A/D轉換器的分類與原理可分成并行比較型、逐次逼近型和積分型分類特點應用并行比較型速度最快(轉換時間10ns~1us)，但設備成本較高，精度也不易做高數字通信技術和高速數據采集技術逐次逼近型工作速度中等(轉換時間幾us~100us)，精度也較高，成本較低中高速數據采集系統(tǒng)、在線自動檢測系統(tǒng)、動態(tài)測控系統(tǒng)積分型精度可以做得很高，抗干擾性能很強，速度很慢(轉換時間幾百us~幾ms)數字儀表（數字萬用表、高精度電壓表）和低速數據采集系統(tǒng)1、并聯(lián)比較型ADC

電路由三部分組成:分壓器、比較器和編碼器。

這種A/D變換器的優(yōu)點是轉換速度快，但其電路規(guī)模隨著分辨率的提高呈指數增長（2n-1）,且多個比較器的亞穩(wěn)態(tài)和失配引起的閃爍碼造成輸出不穩(wěn)定，功耗和體積較大，價格昂貴比較器輸入E>ux

>7E/87E/8>ux

>6E/86E/8>ux>5E/85E/8>ux

>4E/84E/8>ux

>3E/83E/8>ux

>2E/82E/8>ux

>1E/81E/8>ux

>0ABCDEFGD2D0D1編碼器輸出輸入電壓ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000邏輯狀態(tài)關系表2、逐次逼近型ADC

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測重量Wx

，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx

，故保留砝碼總重>待測重量Wx

，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx

，故保留暫時結果8克12克12克13克

結論di1有效0無效逐次漸近型A/D轉換器的電路結構框圖－＋＋10001000D/Aux(待轉換的模擬電壓)uouc控制邏輯數碼寄存器移位寄存器時鐘清0、置數清0、置數CP、(移位命令)“1”狀態(tài)是否保留控制端原理框圖電壓值和過程分析假設該A/D轉換器所用D/A轉換最大輸出電壓為1.0V，設輸入電壓為0.625V。3位數碼從左到右排列分別為高位、次高位、低位，若為1時所對應的電壓值如表:二進制代碼“1”所在位置高位次高位低位相對應電壓值（V）0．50.250.125逐次逼近過程發(fā)析如表:

即當0.625V電壓輸入該D/A轉換器，相應輸出的數字信號從最高位到最低位排列是101。

順序順序脈沖發(fā)生器數碼逐次逼近寄存器數碼uA（V）與輸入電壓比較結果比較后逐次逼近寄存器鎖存結果（啟動脈沖）000000

時鐘脈沖11001000．50．625>0.5100時鐘脈沖21101100.750.625<0.75100時鐘脈沖31111010.6250.625=0.625101時鐘脈沖4輸出EOC

輸出鎖存結果1013位逐次逼近型A/D轉換器

逐次逼近輸出示意圖3、

雙積分型ADC雙積分型ADC是一種電壓-時間間接型模數轉換器。其轉換原理如下圖所示，主要有積分器、比較器、計數器和控制電路組成，其工作過程由對基準源和樣值兩次積分完成。

雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖采樣階段結束時，積分器輸出電壓為

比較階段結束時，積分器輸出電壓為

計數器記錄的脈沖數N2便表示了被測電壓ui在T1時間內的平均值，從而實現了A/D轉換。轉換前，控制電路使計數器清零，積分器輸入端接地，使電容C放電至零。

采樣脈沖到來時，轉換開始，模擬開關使輸入信號ui被采樣加到反相積分器輸入端，以ui

/RC速率在固定時間T1內向電容器C充電，使積分器輸出端電壓uC從0開始增加（極性與ui相反），同時啟動計數器對時鐘脈沖從零開始計數。當到達預定時間T1時，計數器的計數值表示為N1，采樣階段結束。

計數器發(fā)出溢出脈沖使計數器復零，控制電路根據ui的極性，將與ui極性相反的基準電壓uref（或-uref

）加到反相積分器輸入端，積分器對uref（或-uref

）以固定速率反向積分，其輸出端電壓從uC向零電平方向斜變，與此同時計數器重新開始計數，進入比較階段。當uC下降到零，過零比較器輸出端發(fā)出關門信號，關閉計數門停止計數，此時計數器值為N2，對應時間間隔為T2。至此一次轉換過程結束。四、A/D轉換器應用1.A/D轉換器主要參數（1）分辨率

A/D轉換器可轉換的二進制位數。（2）轉換時間輸入啟動轉換信號到轉換結束，最后得到穩(wěn)定的數字量輸出所需的時間。

2.A/D轉換器外部特性

(1)啟動線：由系統(tǒng)控制器或通過接口發(fā)出的一種控制信號，此信號一到，A/D轉換器立即開始。

(2)轉換結束線：轉換完畢由A/D轉換器發(fā)出的一種狀態(tài)信號，由它申請中斷、DMA傳送和中斷查詢用。

(3)模擬信號輸入線：來自被轉換的對象，有單通道、多通道。3、A/D轉換器接口基本原理與方法

(4）數字量輸出線：由ADC將數字量送給CPU。

連接特性：（1）啟動信號是電平還是脈沖；（2）芯片內是否有三態(tài)門輸出鎖存器，若有可直接與CPU數據線相連，否則要外加鎖存器；（3）輸出數字量的形式，是二進制還是BCD碼。五、A/D轉換器與微處理器接口方法

1.A/D轉換器與CPU的連接（1）A/D轉換器的分辨率與CPU的數據總線的位數關系；轉換結束后存放數據時有“左對齊”和“右對齊”之分，左對齊就是一個數據的最高位放在最左邊，缺位在右邊，并以0補齊。右對齊就是一個數據的最低位放在最右邊，缺位在左邊，并以0補齊。（2）A/D轉換器的輸出鎖存器；若A/D轉換器內無數據鎖存器，則A/D接口電路中應設有數據鎖存器方可與數據總線相連。

A/D轉換器接口基本原理與方法

(3）A/D轉換轉換器的啟動信號。有電平啟動和脈沖啟動之分，如AD570是低平啟動，AD574、