第九章DA和AD转换器
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《数字电子技术》第9章 DA转换器和AD转换器课件
第9章 D/A转换器和A/D转换器
内容提要：
（1）D/A、A/D转换器的概念、基本工作原理。 （2）集成D/A、A/D转换器的应用 。
1
9.1 概述
主要内容：
D/A、A/D转换器的概念 D/A、A/D转换器的实际举例
2
1．D/A、A/D转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，
简称A/D转换器或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，
简称D/A转换器或DAC。
2．D/A、A/D转换器的实际举例
如图为 一个锅 炉加热 信号采 集和控 制系统
3
4
9.2 D/A转换器
主要内容
D/A转换器的电路结构框图
二进制权电阻网络D/A转换器
倒T型电阻网络D/A转换器
D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系
D/A转换器的3个主要技术参数
集成ADC0832及其应用
9
I0
U REF 8R
I1
U REF 4R
I2
U REF 2R
I3
U REF R
i
I 0 D0
I1D1
I2D2
I3D3
U REF 8R
D0
U REF 4R
D1
U REF 2R
D2
U REF R
D3
U REF 23 R
(23
D3
22
D2
21
D1
20
D0 )
10
i
I 0 D0
I1D1
I 2 D2
32
2．常用A/D转换器的工作特点
转换速度最高的是：并联比较型ADC； 转换速度最低的是：双积分型ADC； 转换精度最高的是：双积分型ADC； 转换精度最低的是：并联比较型ADC； 转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC
内容提要：
（1）D/A、A/D转换器的概念、基本工作原理。 （2）集成D/A、A/D转换器的应用 。
1
9.1 概述
主要内容：
D/A、A/D转换器的概念 D/A、A/D转换器的实际举例
2
1．D/A、A/D转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，
简称A/D转换器或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，
简称D/A转换器或DAC。
2．D/A、A/D转换器的实际举例
如图为 一个锅 炉加热 信号采 集和控 制系统
3
4
9.2 D/A转换器
主要内容
D/A转换器的电路结构框图
二进制权电阻网络D/A转换器
倒T型电阻网络D/A转换器
D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系
D/A转换器的3个主要技术参数
集成ADC0832及其应用
9
I0
U REF 8R
I1
U REF 4R
I2
U REF 2R
I3
U REF R
i
I 0 D0
I1D1
I2D2
I3D3
U REF 8R
D0
U REF 4R
D1
U REF 2R
D2
U REF R
D3
U REF 23 R
(23
D3
22
D2
21
D1
20
D0 )
10
i
I 0 D0
I1D1
I 2 D2
32
2．常用A/D转换器的工作特点
转换速度最高的是：并联比较型ADC； 转换速度最低的是：双积分型ADC； 转换精度最高的是：双积分型ADC； 转换精度最低的是：并联比较型ADC； 转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC
第九章 DA、AD转换器及其与CPU的接口
第九章 D/A、A/D转换器
9.3 A/D转换器芯片
1、采样过程：将时间上连续变化的模拟量转变为时间上断续变化的模拟量。 采样频率f0大于等于输入信号最高频率fm的2倍。 2、保持过程：将采样得到的模拟量的值保持下来。为保证采样精确度，要求 在A/D转换期间，保持输入模拟量的信号不变。 3、量化过程：以一定的量化单位，把离散的模拟信号转化为离散的阶跃量的
二、D/A的主要技术指标
第九章 D/A、A/D转换器
分辨率:
• 是指最小输出电压（ 对应的输入二进制数为1 ）与最大
输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。
分辨率=1/（2n-1） 例如十位数模转换器的分辨率为： 2110-1≈0.001
• 可用输入数字量的位数来表示，如8位、10位等。
二、应用举例
第九章 D/A、A/D转换器
例1 对模拟通道IN0进行A/D转换，采样一个点。
采用查询方式的程序如下：
OUT 50H，AL ；选通IN0，
；启动A/D转换
NOP；避开刚开始的EOC状态
W：IN AL，40H ；输入EOC标志
TEST AL，01H
JZ W
；未结束，返回等待
IN AL，48H ；结束，
第九章 D/A、A/D转换器
9.3.1 A/D工作原理
原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的 累积重量去逼近被称物。
逐次变换
寄存…器SAR …
时序及控制逻辑
Vi
+
┇
D/A
VC
比较器
-
} ┇
数字量输出
9.3.2 A/D的技术指标
分辨率 量化误差 转换速度 精度
9.3.3 ADC0809 一、原理框图
第9章 DA转换和AD转换20101112版
基本概念
AD转化过程：采样－量化－编码
模拟量的获取
计算机
数/模转换（D/A）
数/模转换（D/A）
数/模转换（D/A）
DAC0832
DAC0832
DAC0832内部结构：二级缓冲机制
DAC0832与CPU的接口
DAC0832工作方式【二级缓冲机制】
双缓冲方式
成的系统，
双缓冲方式
DAC0832构成的3路D/A系统
步送数据;
步进行转换。
单缓冲方式
处
或
选
直通方式
DAC7520：10位数字量输入
10位D/A转换接口——AD7520
DAC1210：12位数字输入
DAC1210：与CPU的接口
AB0：区分高8位和低4位
DAC应用——函数波形发生器
DAC 应用——函数波形发生器
示波器
t
υ
函数波形发生器
函数波形发生器
函数波形发生器
函数波形发生器
；方式字
l ADC0809
ADC0809
A/D转换器与CPU接口方式
l ADC通过8255A与CPU连接。
课后习题答案第9章_AD转换和DA转换
第9章 A/D转换与D/A转换9-1 一个8位D/A转换器的分辨率为多少？解答：n位D/A转换器的分辨率为，因此8位D/A转换器的分辨率为。
9-2 图9-27所示电路为3位T形电阻D/A转换器。
（1）试分析其工作原理，求出v O的表达式；（2）如果已知n=8位的D/A转换器中，V REF=-10V，R f=3R，输入D=11010100时，输出电压v O=？（3）如果R f=2R，对应（2）中的输出电压v O又是多少？解答：（1）S3、S2、S1、S0为模拟开关，分别受输入代码d3、d2、d1、d0的状态控制，也就是说输入代码的高低电平状态可控制流入集成运放A反相输入端的电流，也就控制了输出电压的大小。
从而使得输出电压与输入的数字代码成比例关系。
输出电压表达式为：（2）如果已知n=8位的D/A转换器中，V REF=-10V，R f=3R，输入D=11010100时，同理可推出n=8位的D/A转换器的输出电压，即。
（3）如果R f=2R，对应（2）中的输出电压为。
9-3 在图9-8所示的倒T形电阻D/A转换器5G7520的应用电路中，若n=10，V REF=-10V，R f=R，输入D=0110111001时，输出电压v O=？解答：输出电压为9-4 一个8位D/A转换器的最小输出电压增量V LSB为0.02V，当输入代码为01001101时，输出电压v O为多少？解答：输出电压为9-5 不经过采样、保持可以直接进行A/D转换吗？为什么？在采样保持电路，选择保持电容C h时，应考虑哪些因素？解答：A/D转换时，由于输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，因此A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。
采样就是把连续变化的模拟信号在一段时间内的信号用选定的瞬间点对应的值来表示，此值经量化/编码，便得到其对应的数字代码；采样的值是瞬时的，在下一个采样时刻到来之前这个值必须保持，否则对其操作的控制器来说则读不到转换器的输出值。
第9章 AD与DA转换
3. AD574转换程序设计举例 【例题9-2】要求AD574进行12位转换， 单片机对转换结果读入，高8位和低4位分别 存于片内RAM的51H和50H单元，编写其相 应的转换子程序。
ADTRANS： MOV R0，#7CH ；7CH地址使AD574的 CS=0、A0=0、=0 MOV R1，#51H ；R1指向转换结果的送存单元地址 MOVX @R0，A ；产生有效写信号，启动AD574为 12位工作方式 MOV A，P1 ；读P1口，检测STS的状态 WAIT： ANL A，#01H JNZ WAIT ；转换未结束，等 待，转换结束则进行如下操作 INC R0 ；使CS=0、A0=0、=1 MOVX A，@R0 ；读取高8位转换结果
；****************************中断服务程序 ************************ ORG 1000H ZDFW： SETB P3.2 ；设P3.2为 输入模式 POLL： JB P3.2，POLL ；查询转换 是否结束 MOVX A，@DPTR ；读取转换结果 MOVX @R1，A ；结果送入数据存储区的单元 中 INC DPTR ；指向下一个模拟信号通道 INC R1 ；修改数据存储区的地址 DJNZ R2， INT0 ；8路未转完，则转INT0继续。 CLR EA ；已转完，关中断。 CLR EX0 INT0： MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换器的下一个通 道 RETI ；中断返回
INC DPTR ；指向 下一个模拟信号通道 INC R1 ；修改 数据存储区的地址 DJNZ R2，LOOP ；若未转换完 8路通道的信号则继续。 以上程序仅对8路通道的模拟量进行了一次 A/D转换，实际应用中则要反复多次或者定 时的检测并转换。
第9章 AD转换和DA转换
第9章 A/D转换与D/A转换
19
例9-1：下图中反馈电阻Rf=100k。 试计算当输入从全0变为全1时电压放大倍数的 变化范围是多少？
输出电压
vO
iIRf
mVREF 210
D
所以
vO
10vI 210
D
当输入从全0变为全1时 放大倍数的变化范围为
则可得
Av
vO vI
0
10
0
1
当di输入端为高电平时，V1 P3、VN4组成的反相器 输出高电平，VP4、VN5组成的反相器输出低电平， 从而使得VN1截止，VN2导通，电流流入IOUT2。
当di为低电平时，电流流入IOUT1 。
第9章 A/D转换与D/A转换
10
3. 集成运算放大器
集成运放的逻辑符号、简化的集成运放低频等 效电路及其电压传输特性
8
2. 模拟开关
模拟开关又称为模拟电子开关。 在D/A转换器中使用的模拟开关受输入数字信号
的控制。 模拟开关分为CMOS型和双极型两类。 CMOS型模拟开关转换速度较低，转换时间较
长，但其功耗低 。
第9章 A/D转换与D/A转换
9
5G7520D/A转换器采用的CMOS型模拟开关
1
拟信号，送回物理系统，对系统物理量进行调 节和控制。
第9章 A/D转换与D/A转换
4
基本概念
模/数转换（ADC ）：模拟信号到数字信号的转换 模/数转换器 （ADC）：完成模/数转换功能的电路 数/模转换 （DAC）：数字信号到模拟信号的转换 数/模转换器 （DAC）：完成数/模转换功能的电路
23
第9章AD与DA转换
例如，满量程值为10V时，n位D/A转换器的 精度为±1/2 LSB，则其最大可能误差为：
精度为±0.05%表示最大可能误差为：
（3）转换速率 转换速率是指大信号工作时，模拟输出电压 的最大变化速度，单位为V/μs （4）建立时间 建立时间指的是，当输入数值满量程后，输 出模拟值稳定到最终值的±1/2LSB时所需要 的时间。该时间是表征D/A转换器性能的重要 指标，显然建立时间越大，转换速率越低。
DI7~ DI0：8位数据输入端，与CPU数据总线 相连。 CS：片选信号，输入，低电平有效，与ILE 配合决定WR1是否起作用。 ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有 效。
WR1 ：写信号1，将数据8位输入数据锁存到输入寄 存器中，低电平有效。此信号必须同CS、ILE同时 有效，即当CS和WR1同时为低电平、ILE为高电平时， 输入数据不锁存；当WR1变为高电平、ILE变为低电 平时，输入数据被锁存在输入寄存器中。 WR2 ：写信号2将锁存在输入寄存器中的数据送到8 位DAC寄存器中进行锁存，低电平有效。当WR2与传 送控制信号XFER同时为低电平时，DAC寄存器中的 数据不锁存；当WR2 或XFER变为高电平时，输入寄 存器中的数据被锁存在DAC寄存器中。
1．ADC0809引脚
ADC0809是28引脚的双列直插式芯片，如 图9-15所示。各引脚的定义及功能如下。
IN7~IN0：8路模拟电压输入端。 D7~D0：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB和ADDC：地址输入端， 它们的不同组合可用来选择不同的模拟 输 入 通 道 ， 编 码 000~111 分 别 对 应 IN0~IN7，如表9-1所示。 START：启动转换的控制信号，输入， 高电平有效。
数字电子技术基础第九章DA和AD转换电路
D2
VREF 22 R
D1
VREF 23 R
D0
VREF 23 R
(D3 23
D2 22
D1 21
D0 20 )
VREF
23 R
3 i0
Di 2i
i (0,1,2,3)
11
对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为：
i
VREF 2n1 R
n1 i0
Di 2i
求和放大器输出电压为：vo iR f
数字量D成正比关系。V=KD，K为常数。
6
一、基本原理
输入是 n位二
D0 D1
进制数
Dn-1
n1
vO (iO ) k Di 2i 位权值
D/A
i (0,1,2,3i0 n 1)
k:转换比例系数
输出模拟电压（或模拟电流）与输入数字量
成正比关系。
假设：转换比例系数K=1,输入数字量n=3
输出模拟电压（或模拟电流）为：
进制数码为0000~1111,基准电压
00000
VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。 并画出输出VO波形。
0 0 0 1 0.5 00101 0 0 1 1 1.5
VREF R f 2n1 R
n1
Di 2i
i0
输出模拟电压VO的大小与输 入的二进制数码的数值大小
成正比。
－ 2Rf
R
VREF 2n
n1
Di 2i
i0
同时还与量化级有关。
量化级
★ 输入二进制数码位数越多，量化级越小，D/A输 出电压越接近模拟电压。
12
例1：设4位权电阻D/A转换器输入二进制数 码D3D2D1D0=1101,基准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。
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建立时间
从数字信号输入DAC起,到输出电流达到稳态值所需要的时间,一般在1微妙之内.
3
§9.3 模-数转换器 (ADC)
模-数转换:模拟信号转换位数字信号. 9.3.1 工作原理
四个步骤: 采样 保持 量化 编码
1. 采样和保持
Ui (t)
采样:
t
将时间上连续变化的信号转换 为时间上离散的信号.
S( t )
•在 τ 之后,充电结束,由于运放的输入阻抗很大,相当于开路,使得存储在C上的电荷保持 不变,直到下一个采样脉冲.
2. 量化和编码
量化: 用离散量标定采样信号的大小. 如何用二进制的整数表示采样信号(十进制数)的大小. 采样保持信号
6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5 4 3 2 1 0
000 000 011 101 100 001 011 011
200
192
176
Ui
168 164
163 163
160
128
160
162
120
80
40
1 01 000 11
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
特点: 速度较慢,转换精度取决于SAR的位数.
7
3. 双积分型A/D转换器
+ Ui S Us
C
R − +A
Ui
比较器: U0 ≤ 0 时 UC = 1计数器工作 U0 > 0 时 UC = 0 计数器停止 0
第九章 数-模转换和模-数转换 §9.2 数-模转换器 (DAC)
1
数-模转换:数字信号转换成模拟信号,简称D/A转换(Digital to Analog) 1.权电阻网络D/A转换器
D0 D1
D n −1
S0
I0
R 0 = 2n−1R
S1
I1
R1 = 2n−2 R
反向负反馈运算放大器 R F I′
I 2n
=
I 2n
n−1
Di 2i
i=0
U
= −IΣ RF
= − IRF 2n
n−1
Di 2i
i=0
令: RF = R 并将 I = UR / R 代入
U
=
−
UR 2n
n −1
∑
Di
2i
i=0
3. D/A转换器的主要技术指标
分辨率
分辨率
=
ΔU 最大输出电压
=
Dn−1Dn−2 " D1D0 Dn D −1 n−2 " D1D0
≤
UIN
<
1 16
UR
00 0 00 0 0
1 16
UR
≤
U IN
<
3 16
UR
0
0
0
00
0
1
3 16
UR
≤
U IN
<
5 16
UR
0
0
0
00
1
1
5 16
UR
≤
U IN
<
7 16
UR
0
0
0
01
1
1
7 16
UR
≤
U IN
<
9 16
UR
0
0
0
11
1
1
9 16
UR
≤
U IN
<
11 16
UR
0
0
1
11
1
1
11 16
n−1
Ii =
i=0
UR 2n−1 R
2i
Di
=
UR 2n−1 R
n−1
Di 2i
i=0
∑ 输出电压:
U
=
−I
⋅ RF
=
−
RFU R 2n−1 R
⋅
n−1 i=0
Di 2i
问题:最小输出电压,最大输出电压各是多少? 为什么称为权电阻网络D/A转换器?
若令: RF = R / 2
U
=
−
UR 2n
⋅
n −1
U0 −
UC
+A
0
t
− UR t
− UR
FFn Qn J
CK
K
FFn −1
Q n −1J CK
K
FF1
Q1 J CK
K
FF0
Q0 J CK
CP0
K
D n −1
积分器:
D1
D0
Qn = 0 时 S = +Ui
积分器对输入电压 + Ui 正向积分(电容C充电) Qn =1 时 S = −UR
积分器对输入电压 − UR 负向积分(电容C放电)
I i− −
U
P+
Sn−1
I n −1
R n−1 = 20 R
UR
Si 开关,由 Di 的取值控制
Di
=
⎧0 ⎩⎨1
接地 接UR
RF I′
i− = 0 ⇒ I = I′
R
I
i− −
U
P+
UR
U
=
−UR R
•
RF＝－IRF
U− 虚地 (P点)
D0 D1
D n −1
UR
S0
I0
R 0 = 2n−1R
S1
I1
R F I′
R1 = 2n−2 R
I i− − P+
U U = −I ⋅ RF
Sn −1
In−1
R n−1 = 20 R
Si 开关,由 Di 控制
Di
=
⎧0 ⎩⎨1
接地 接UR
支路电流:
Ii
=
UR 2n−1−i R
Di
=
UR 2n−1 R
2i
Di
(Di =1或0)
总电流:
∑ ∑ ∑ n−1
I=
i=0
Ui
0
t
U′R < Ui 时,电压比较器输出 UC = 1 计数器计数; U′R > Ui 时,电压比较器输出 UC = 0 计数器停止计数; 计数器停止计数时,其所处的计数状态即为模拟信号 Ui 的数字量代码.
2. 逐次逼近式A/D转换器
Ui − +
U0
由高位到低位依次确定SAR 中的各位数码 是1还是0.
∑ Di
2i
i=0
可看出U和输入的二进制数的大小成正比.
2
2. 倒T型电阻网络D/A转换器
权电阻网络D/A转换器优点简单直观,缺点需要的权电阻种类多,精度受影响.
D0
D1
Dn−2
D n −1 I∑
RF IF
−
IΣ = IF
P+
U
S0
2R 2R I 2n R
S1
2R I
2n−1 R
Sn−2
2R I 22
UR
≤
U IN
<
13 16
UR
0
1
1
11
1
1
13 16
UR
≤
U IN
<
UR
11 1 11 1 1
速度快,精度较低.
D2
D1 D0
000
001
010
011
100
101
110
111
9.3.3 A/D转换器的主要技术指标
分辨率： A/D转换器对模拟信号的分辨能力，即：可区输入分模拟电压的最小差异 n位的二进制输出的A/D转换器能区分的输入的模拟电压的2n 个不同量级.
21 00 00 00 00 00 00 10 11
十进制 读数 128 192 160 176 168 164 162 163
比较判别
Ui ≥ U0 Ui < U0 Ui ≥ U0 Ui < U0 Ui < U0 Ui < U0 Ui ≥ U0 Ui = U0
结果
留 去 留 去 去 去 留 留
mV
6
5 4 3 2 1 0
000 001 100 110 100 010 100 011
只舍不入法
四舍五入法
精度有什么不同? 两者的最大量化误差:分别是:1V和V/2
5
9.3.2 A/D转换器的主要工作形式 1. 计数斜波式A/D转换器
U′R
CP
Ui
Dn −1 Dn−2
D0
0
t
UC
UC
A− U′R
+
= 000"001时的输出电压 = 111"111时的输出电压
U
=
−
UR 2n
n −1
∑
Di
2i
i=0
分辨率 = −(U R / 2n ) ⋅1 = 1 −(UR / 2n ) ⋅ (2n −1) 2n −1
转换精度
实际输出和理论计算值之间的差值. 电阻值的偏差,参考电压的偏离,运算放大器零点的偏移等因素造成.
2
13UR − C6
UIN
16 +
D 6
R
11UR − C5
16
+
D
5
R
9UR
− C4
16
+
D
4
R
7UR
− C3
16
+
D
3
R
5UR 16
− C2 +
D
2
R
3UR 16
− C1 +