AD_DA原理及主要技术指标
AD-DA
A/D和D/A工作原理一般A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的。
即首先对输入的模拟电压信号采样，采样结束后进入持续时间，在这段时间内将采样的电压量转化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果，然后开始下一次采样。
1.采样定理：为了正确无误地用采样信号vs表示模拟信号vi，必须满足：fs>=2Fimax（5.2.1）式中fs为采样频率，fimax为输入信号vi的最高频率分量的频率。
在满足采样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号vs还原为vi，这个低通滤波器的电压传输系数|A(f)|在低于fimax的范围内应保持不变，而在fs-fimax以前应迅速下降为零，因此采样定理规定了A/D转换的频率下限。
不能无限制的提高采样频率，通常取fs=（3~5）fimax已经能够满足要求。
进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次采样结束时的vi值。
2.量化和编码在用数学量表示采样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整数倍，这个转化过程叫做量化。
所规定的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。
显然数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于△。
把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。
这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。
直接A/D转换器：能把输入的模拟电压直接转换成输出的数字量而不需要经过中间变量。
常用的电路：并行比较型和反馈比较型。
（1）并行比较型三位并行比较型电路是由电压比较器、寄存器和代码转换器三部分组成。
特点：1、并行转换，转换速度快；2、随着分辨率提高，元件数目要按几何级数增加。
一位n位转换器，比较器个数为2n-1；3、使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时，不用附加采样—保持电路。
因为比较器和寄存器这两部分也兼有采样—保持电路。
缺点：需要更多的电压比较器和触发器。
并行产品：AD公司AD9012（8位）、AD9002（8位）、AD9020（10位）等。
（2）反馈式比较型A/D转换器构思：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压，将这个模拟电压和输入的模拟电压信号比较，如果两者不相等，则调整所取得数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得这个数字量就是所求的转换结果。
5_AD及DA工作原理及应用
R 2R
R 2R
R 2R b1 R b0 + 运算放大器 Rf Vout 模拟量输出
b2
A
二进制数据输入
T型电阻网络D/A转换器
Vout=-Vref· 4· Rf/2 R（b3· 3+b2· 2+b1· 1+b0· 0） 2 2 2 2
D/A转换器的主要技术指标
1. 分辨率 指D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值。
3. 建立时间
建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入 数字量变化到输出达到终值误差±（1/2）LSB（最低有效 位）所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度. 转换器的输出形式为电流时，建立时间较短；输出形式为 电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因 此建立时间要长一点。
DAC0832与AT89C51的接口
DAC0832与AT89C51可以有三种连接方式：直通方式、 式、单缓冲方式和双缓冲方式。 ① 直通方式：若 LE1 和 LE2 均为高电平，则DI7～DI0 输入的数据便可直通地到达8位DAC寄存器进行D/A转换。 因此，只要将ILE 接+5V，/CS、/XFER、/WR1和/WR2接 地，DAC0832便工作于直通方式。直通方式常用于不需要
(2) 引脚功能
① DI0～DI7：8位转换数字量输入端。 ② ILE：输入锁存允许端，高电平有效 ③ /CS ：片选信号，低电平有效。 ④ /WR1：输入寄存器写信号，低电平有效 。
⑤ /WR2：DAC寄存器写信号，低电平有效。
⑥ /XFER ：数据传输控制信号，输入低电平有效。 ⑦ IOUT1：电流输出引脚1。与外接运放器反相输入 端相连 当输入数据为全“1”时，输出电流最大，当 输入数据为全 “0”时，输出电流最小。
AD_DA原理及主要技术指标
AD_DA原理及主要技术指标AD/DA原理是指模拟信号与数字信号之间的转换过程，其中AD （Analog to Digital）指模拟信号转换为数字信号的过程，DA（Digital to Analog）指数字信号转换为模拟信号的过程。
AD转换过程主要包括采样、量化和编码三个阶段。
首先，采样是将连续的模拟信号按照一定的时间间隔进行离散化处理，其中的模拟信号也被称为连续时间信号。
采样频率是指每秒对模拟信号进行采样的次数，常用单位为Hz。
接下来是量化，即将连续的模拟信号转换为离散的数字量，其精度由量化位数决定，量化位数越高，精度越高。
最后是编码，将量化后的数字信号通过编码器转换为二进制码，以便能够在数字系统中进行传输和处理。
DA转换过程主要包括解码和重构两个阶段。
首先，解码是将二进制码转换为离散的数字量，采用解码器进行解码。
接下来是重构，即将离散的数字量转换为连续的模拟信号，其精度由重构位数决定，重构位数越高，精度越高。
最后通过滤波器对重构后的模拟信号进行滤波处理，以去除可能产生的噪声和失真。
主要技术指标包括采样频率、量化位数、重构位数和信噪比等。
采样频率是指每秒对模拟信号进行采样的次数，频率越高，能够更准确地还原原始模拟信号，但也需要更高的系统性能和硬件成本。
常用的采样频率有8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz等。
量化位数是指将模拟信号转换为数字信号时，对信号幅值的离散级数。
例如，8位的量化位数可以表示256个离散级数，12位的量化位数可以表示4096个离散级数。
量化位数越高，数字信号的分辨率越高，能够更准确地还原原始信号。
重构位数是指将数字信号转换为模拟信号时，对数字量的精度。
与量化位数类似，重构位数越高，模拟信号的分辨率越高，能够更准确地还原原始信号。
信噪比（SNR）是模拟信号与数字信号之间的噪声水平，表示了有效信号与噪声之间的相对强度。
信噪比越高，数字信号的质量越好，表示数字信号中噪声所占比例较小。
《AD及DA转换》课件
一、AD及DA转换简介1.1 AD转换概述模拟信号与数字信号的概念模拟信号转换为数字信号的意义1.2 DA转换概述数字信号转换为模拟信号的意义DA转换的基本原理1.3 AD及DA转换的应用领域电子秤工业控制音频处理二、AD转换器（模数转换器）2.1 AD转换器的工作原理采样保持量化和编码2.2 AD转换器的类型逐次逼近型（SAR）双积分型流水线型2.3 AD转换器的主要性能指标分辨率和量化误差转换时间和转换速率动态范围和线性范围三、DA转换器（数模转换器）3.1 DA转换器的工作原理数字到模拟的转换过程D/A转换器的类型及特点3.2 DA转换器的主要性能指标分辨率转换误差转换速度3.3 DA转换器的应用实例音频DAC视频DAC通信系统中的DA转换应用四、AD及DA转换器的选择与评估4.1 AD及DA转换器的选择依据精度要求转换速度要求成本和功耗考虑4.2 AD及DA转换器的评估方法测试转换特性分析转换误差对比不同转换器的性能4.3 AD及DA转换器的应用案例分析模拟信号采集与数字处理数字信号调节与模拟输出五、AD及DA转换技术的未来发展5.1 高速AD及DA转换技术亚微米和深亚微米工艺并行处理技术5.2 高精度AD及DA转换技术低噪声和低功耗设计温度补偿技术5.3 集成AD及DA转换技术片上系统（SoC）混合信号集成技术5.4 新型AD及DA转换技术展望生物医学信号处理领域无线通信和物联网应用领域六、模拟信号的采样与保持6.1 采样定理奈奎斯特采样定理采样频率的选择6.2 采样保持电路采样保持电路的工作原理采样保持电路的设计要点七、模拟信号的量化与编码7.1 量化过程量化的概念与过程量化误差7.2 编码方法二进制编码格雷码编码八、逐次逼近型AD转换器（SAR ADC）8.1 SAR ADC的工作原理转换过程解析转换速率与功耗8.2 SAR ADC的设计要点模拟开关的选择基准电压源的设计九、双积分型AD转换器9.1 双积分型ADC的工作原理转换过程解析转换时间与精度9.2 双积分型ADC的应用场景电流传感器压力传感器十、流水线型AD转换器10.1 流水线型ADC的工作原理转换过程解析转换速率与功耗10.2 流水线型ADC的设计要点级间匹配与补偿模拟开关的选择十一、DA转换器（数模转换器）的类型及原理11.1 权电阻网络DA转换器工作原理分辨率和线性度11.2 电压反馈型DA转换器工作原理特点和应用11.3 电流反馈型DA转换器工作原理特点和应用十二、DA转换器的性能指标及评估12.1 分辨率数字位数的含义分辨率与精度的关系12.2 转换误差静态误差动态误差12.3 转换速度转换时间更新速率十三、DA转换器的应用实例13.1 音频DAC音频信号的数字到模拟转换音频DAC芯片的选择13.2 视频DAC视频信号的数字到模拟转换视频DAC芯片的选择十四、AD及DA转换器的接口技术14.1 模拟接口差分信号传输阻抗匹配14.2 数字接口SPI接口I2C接口USB接口十五、AD及DA转换器的实际应用问题与解决方案15.1 噪声问题模拟噪声的来源数字噪声的来源降噪技术15.2 匹配问题内部组件匹配外部组件匹配匹配技术15.3 温度补偿温度对AD及DA转换器的影响温度补偿技术重点和难点解析本文主要介绍了AD及DA转换的相关概念、原理、性能指标、应用实例以及接口技术，重点内容包括：1. AD及DA转换的基本原理：理解模拟信号与数字信号的转换过程，掌握AD 及DA转换的意义和应用领域。
AD-DA原理及主要指标
AD/DA原理及主要指标A是ANALOG，模拟；D是DIGITAL，数字。
A/D转换1 A/D转换定义AD转换是指模数转换，即将模拟信号转换为数字信号. 主要包括积分型，逐次逼近型，并联比较型/串联并联型数模转换芯片的转换速率，调制型，电容器阵列逐次比较型和电压-频率转换型.2 A/D转换原理输入端输入的模拟电压，经采样、保持、量化和编码四个过程的处理，转换成对应的二进制数码输出。
采样就是利用模拟开关将连续变化的模拟量变成离散的数字量。
由于经采样后形成的数字量宽度较窄，经过保持电路可将窄脉冲展宽，形成梯形波。
量化就是将阶梯形模拟信号中各个电压值转化为某个最小单位的整数倍，便于用数字量来表示。
编码就是将量化的结果（即整数倍值）用二进制数码来表示。
这个过程就实现了模/数转换。
3 AD转换器主要指标（1）分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。
分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。
（2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。
采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。
为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。
因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。
（3）量化误差(Quantizing Error)由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。
通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。
（4）偏移误差(Offset Error)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
（5）满刻度误差(Full Scale Error)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
DA与AD转换器的基本原理
DA与AD一、D/A转换器的基本原理1、分辨率分辨率是指输入数字量的最低有效位（LSB）发生变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量。
它反映了输出模拟量的最小变化值。
分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成FS / 。
FS表示满量程输入值，n为二进制位数。
对于5V的满量程，采用８位的DAC时，分辨率为5V/256＝19.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则为5V/4096＝1.22mV。
显然，位数越多分辨率就越高。
2、线性度线性度（也称非线性误差）是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。
常以相对于满量程的百分数表示。
如±１％是指实际输出值与理论值之差在满刻度的±１％以内。
3、绝对精度和相对精度绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。
绝对精度是由DAC的增益误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全０时，DAC 的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。
绝对精度（即最大误差）应小于1个LSB。
相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。
应当注意，精度和分辨率具有一定的联系，但概念不同。
DAC的位数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。
但其它误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使DAC的精度变差。
DAC0832与80C51单片机的接口１、单缓冲工作方式此方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。
双极性模拟输出电压：双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。
2、双缓冲工作方式多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式。
3、直通工作方式当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接＋5V时，DAC0832芯片就处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标AD和DA转换器（Analog-to-Digital and Digital-to-Analog converters）是电子设备中常用的模数转换器和数模转换器。
AD转换器将连续的模拟信号转换成对应的离散数字信号，而DA转换器则将离散的数字信号转换成相应的连续模拟信号。
本篇文章将介绍AD和DA转换器的分类以及它们的主要技术指标。
一、AD转换器分类AD转换器主要分为以下几个类型：1.逐次逼近型AD转换器（Successive Approximation ADC）逐次逼近型AD转换器是一种常见且常用的AD转换器。
它采用逐渐逼近的方法逐位进行转换。
其基本原理是将模拟输入信号与一个参考电压进行比较，不断调整比较电压的大小，确保比较结果与模拟输入信号的差别小于一个允许误差。
逐次逼近型AD转换器的转换速度相对较快，精度较高。
2.模数积分型AD转换器（Sigma-Delta ADC）模数积分型AD转换器是一种利用高速和低精度的ADC与一个可编程数字滤波器相结合的技术。
它通过对输入信号进行高速取样并进行每个采样周期的累积和平均，降低了后续操作所需的带宽。
模数积分型AD转换器具有较高的分辨率和较好的线性度，适用于高精度应用。
3.并行型AD转换器（Parallel ADC）并行型AD转换器是一种通过多个比较器并行操作的AD转换器。
它的转换速度较快，但其实现成本相对较高。
并行型AD转换器适用于高速数据采集和信号处理。
4.逐渐逼近型AD转换器（Ramp ADC）逐渐逼近型AD转换器是一种通过线性递增电压与输入信号进行比较的转换器。
它利用逐渐逼近的方法寻找与输入信号最接近的电压值，然后以此电压值对应的时间来估计输入信号的值。
逐渐逼近型AD转换器转换速度较慢，但精度较高。
5.其他类型AD转换器除了上述几种常见的AD转换器类型外，还有其他一些特殊的AD转换器类型，如比例调制型AD转换器、索耳转换器等。
AD与DA转换器得分类及其主要技术指标
1、AD转换器得分类下面简要介绍常用得几种类型得根本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比拟型/串并行型、2-△调制型、电容阵列逐次比拟型及压频变换型.1〕积分型〔如TLC7135〕积分型AD工作原理就是将输入电压转换成时间〔脉冲宽度信号〕或频率〔脉冲频率〕,然后由定时器/计数器获得数字值.其优点就是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点就是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低.初期得单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比拟型已逐步成为主流.2〕逐次比拟型〔如TLC0831〕逐次比拟型AD由一个比拟器与DA转换器通过逐次比拟逻辑构成从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比拟,经n次比拟而输出数字值.其电路规模属于中等.具优点就是速度较高、功耗低,在低分辩率〔＜12位〕时价格廉价,但高精度〔＞12 位〕时价格很高.3〕并行比拟型/串并行比拟型〔如TLC5510〕并行比拟型AD采用多个比拟器,仅作一次比拟而实行转换,又称FLash 〔快速〕型.由于转换速率极高,n位得转换需要2n-1个比拟器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高得领域.串并行比拟型AD结构上介于并行型与逐次比拟型之间,最典型得就是由2个n/2位得并行型AD转换器配合DA转换器组成用两次比拟实行转换所以称为Half flash〔半快速〕型.还有分成三步或多步实现AD转换得叫做分级〔Multistep/Subrangling期AD,而从转换时序角度又可称为流水线〔Pipelined建AD,现代得分级型AD中还参加了对屡次转换结果作数字运算而修正特性等功能.这类AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小.4〕｛△〔Sigma/ONT>delta〕调制型〔如AD7705〕才△型AD由积分器、比拟器、1位DA转换器与数字滤波器等组成.原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间〔脉冲宽度〕信号, 用数字滤波器处理后得到数字值.电路得数字局部根本上容易单片化因此容易做到高分辨率.主要用于音频与测量.5〕电容阵列逐次比拟型电容阵列逐次比拟型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式, 也可称为电荷再分配型.一般得电阻阵列DA转换器中多数电阻得值必须一致,在单芯片上生成高精度得电阻并不容易.如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉本钱制成高精度单片AD转换器.最近得逐次比拟型AD转换器大多为电容阵列式得.6〕压频变换型〔如AD650〕压频变换型〔Voltage-FrequencyConverter就是通过间接转换方式实现模数转换得.其原理就是首先将输入得模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量.从理论上讲这种AD得分辨率几乎可以无限增加,只要采样得时间能够满足输出频率分辨率要求得累积脉冲个数得宽度.其优点就是分辩率高、功耗低、价格低,但就是需要外部计数电路共同完成AD转换.2、AD转换器得主要技术指标1)分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号得变化量,定义为满刻度与2n得比值.分辩率又称精度,通常以数字信号得位数来表示.2)转换速率(Conversion Rate就是指完成一次从模拟转换到数字得AD 转换所需得时间得倒数.积分型AD得转换时间就是毫秒级属低速AD,逐次比拟型AD就是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD 可到达纳秒级.采样时间那么就是另外一个概念,就是指两次转换得间隔.为了保证转换得正确完成,采样速率(Sample Rate)、须小于或等于转换速率.因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也就是可以接受得.常用单位就是ksps与Msps表示每秒采样千/百万次(kilo / Million Samples per Second)3)量化误差(Quantizing Error)由于AD得有限分辩率而引起得误差,即有限分辩率AD得阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD(理想AD)得转移特性曲线(直线)之间得最大偏差.通常就是1个或半个最小数字量得模拟变化量,表示为1LSR 1/2LSB.4)偏移误差(Offset Error)输入信号为零时输出信号不为零得值, 可外接电位器调至最小.5)满刻度误差(Full Scale Error)满度输出时对应得输入信号与理想输入信号值之差6〕线性度〔Linearity〕实际转换器得转移函数与理想直线得最大偏移不包括以上三种误差.其它指标还有：绝对精度〔Absolute Accuracy〕,相对精度〔Relative Accuracy〕微分非线性,单调性与无错码,总谐波失真〔Total Harmonic Distotortion缩写THD〕与积分非线性.3、DA转换器得分类DA转换器得内部电路构成无太大差异,一般按输出就是电流还就是电压、能否作乘法运算等进行分类.大多数DA转换器由电阻阵列与n个电流开关〔或电压开关〕构成.按数字输入值切换开关,产生比例于输入得电流〔或电压〕.此外也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部得.一般说来,由于电流开关得切换误差小,大多采用电流开关型电路,电流开关型电路如果直接输出生成得电流,那么为电流输出型DA转换器,此外,电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器.1〕电压输出型〔如TLC5620〕电压输出型DA转换器虽有直接从电阻阵列输出电压得,但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出.直接输出电压得器件仅用于高阻抗负载,由于无输出放大器局部得延迟,故常作为高速DA转换器使用.2〕电流输出型〔如THS5661A〕电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出,大多外接电流一电压转换电路得到电压输出,后者有两种方法：一就是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流一电压转换,二就是外接运算放大器.用负载电阻进行电流一电压转换得方法,虽可在电流输出引脚上出现电压,但必须在规定得输出电压范围内使用 ,而且由于输出阻抗高,所以一般外接运算放大器使用.止匕外,大局部CMOS DA转换器当输出电压不为零时不能正确动作,所以必须外接运算放大器.当外接运算放大器进行电流电压转换时,那么电路构成根本上与内置放大器得电压输出型相同,这时由于在DA转换器得电流建立时间上参加了达算放入器得延迟,使响应变慢.此外,这种电路中运算放大器因输出引脚得内部电容而容易起振,有时必须作相位补偿.3〕乘算型〔如AD7533〕DA转换器中有使用恒定基准电压得,也有在基准电压输入上加交流信号得,后者由于能得到数字输入与基准电压输入相乘得结果而输出,因而称为乘算型DA转换器.乘算型DA转换器一般不仅可以进行乘法运算,而且可以作为使输入信号数字化地衰减得衰减器及对输入信号进行调制得调制器使用.4〕一位DA转换器一位DA转换器与前述转换方式全然不同,它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制得输出,然后用数字滤波器作平均化而得到一般得电压输出〔又称位流方式〕,用于音频等场合.4、DA转换器得主要技术指标1〕分辩率〔Resolution〕指最小模拟输出量〔对应数字量仅最低位为‘1’〕与最大M对应数字量所有有效位为11'〕之比.2〕建立时间〔Setting Time〕就是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需得时间也可以认为就是转换时间.DA中常用建立时间来描述其速度,而不就是AD中常用得转换速率.一般地,电流输出DA建立时间较短,电压输出DA那么较长.其它指标还有线性度〔LineaHty〕转换精度,温度系数/漂移.。
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一.产生原因随着现代科学技术的迅猛发展特别是数字系统已广泛应用于各种学科领域及日常生活微型计算机就是一个典型的数学系统。
但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理其输出信号也是数字信号。
而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模仿量如温度、压力、流量、速度等这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。
为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。
即经常需要将模拟量转换成数字量简称为AD转换完成这种转换的电路称为模数转换器(Analog to Digital Converter) 简称ADC;或将数字量转换成模拟量简称DA转换完成这种转换的电路称为数模转换器(Digital to Analog Converter) 简称DAC图1是某微机控制系统框图。
二.ADC和DAC基本原理及特点2.1 模数转换器(ADC)的基本原理模拟信号转换为数字信号一般分为四个步骤进行即取样、保持、量化和编码。
前两个步骤在取样-保持电路中完成后两步骤则在ADC中完成。
常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ -Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。
下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点:1）积分型(如TLC7135) 。
积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间或频率，然后由定时器/计数器获得数字值。
其长处是用简朴电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依靠于积分时间因此转换速率极低。
初期的单片ADC大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。
双积分是一种常用的AD 转换技术具有精度高，抗干扰能力强等优点。
但高精度的双积分AD芯片价格较贵，增加了单片机系统的成本。
2）逐次逼近型(如TLC0831) 。
逐次逼近型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成从MSB开始顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低在低分辨率( 12位)时价格很高。
3）并行比较型/串并行比较型(如TLC5510) 。
并行比较型AD采用多个比较器仅作一次比较而实现转换又称FLash型。
由于转换速率极高n位的转换需要2n - 1个比较器因此电路规模也极大价格也高只适用于视频AD 转换器等速度非凡高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间最典型的是由2个n /2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成用两次比较实行转换所以称为Halfflash型。
二.4）Σ-Δ调制型(如AD7701) 。
Σ- Δ型ADC以很低的采样分辨率( 1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。
Σ-Δ型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。
5）电容阵列逐次比较型。
电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式也可称为电荷再分配型。
一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致在单芯片上生成高精度的电阻并不轻易。
假如用电容阵列取代电阻阵列可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。
最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。
6）压频变换型(如AD650) 。
压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。
其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率然后用计数器将频率转换成数字量。
从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加只要采样的时间能够满意输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是分辨率高、功耗低、价格低但是需要外部计数电路共同完成AD转换。
2.1 数模转换器(DAC)的基本原理DAC的内部电路构成无太大差异一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。
大多数DAC由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。
按数字输入值切换开关产生比例于输入的电流(或电压) 。
此外也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。
DAC分为电压型和电流型两大类电压型DAC有权电阻网络、T型电阻网络和树形开关网络等;电流型DAC有权电流型电阻网络和倒T型电阻网络等。
1）电压输出型(如TLC5620) 。
电压输出型DAC虽有直接从电阻阵列输出电压的但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。
直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载由于无输出放大器部分的延迟故常作为高速DAC使用。
2）电流输出型(如THS5661A ) 。
电流输出型DAC很少直接利用电流输出大多外接电流- 电压转换电路得到电压输出后者有两种方法:一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流- 电压转换二是外接运算放大器。
3）乘算型(如AD7533) 。
DAC中有使用恒定基准电压的也有在基准电压输入上加交流信号的后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出因而称为乘算型DAC。
乘算型DAC一般不仅可以进行乘法运算而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。
4）一位DAC。
一位DAC与前述转换方式全然不同它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出用于音频等场合。
三.ADC和DAC的主要技术指标1 ADC分辨率指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。
2 ADC的精度决定于量化误差及系统内其他误差之总和。
一般精度指标为满量程的±0. 02% 高精度指标为满量程的0. 001%。
3 转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD逐次比较型AD是微秒级属中速AD全并行/串并行型AD可达到纳秒级。
4 量化误差由于AD 的有限分辨率而引起的误差即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD (理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。
通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量表示为1LSB、1 /2LSB。
DAC的主要技术指标1）分辩率指输出模拟电压的最小增量即表明DAC输入一个最低有效位(LSB)而在输出端上模拟电压的变化量。
2）建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间也可以认为是转换时间。
DA中常用建立时间来描述其速度而不是AD中常用的转换速率。
一般地电流输出DA建立时间较短电压输出DA则较长。
3）精度是指输入端加有最大数值量时DAC的实际输出值和理论计算值之差它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差。
4）线性度在理想情况下DAC的数字输入量作等量增加时其模拟输出电压也应作等量增加但是实际输出往往有偏离。
四.ADC和DAC的发展趋势和应用前景自电子管ADC面世以来经历了分立半导体、集成电路数据转换器的发展历程。
ADC和DAC的生产已进入全集成化阶段同时在转换速度和转换精度等主要指标上有了重大突破还开发了一些具有与计算机直接接口功能的芯片。
在集成技术中又发展了模块、混合和单片机集成数据转换器技术。
对高速ADC和DAC的发展策略是在性能不受影响的前提下尽量提高集成度为最终用户提供产品的解决方案。
对ADC和DAC的需求大量增加而且要求性能指标有较宽覆盖面以便适应不同场合应用的要求。
ADC主要的应用领域不断拓宽阔泛应用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域。
对不同的领域的不同要求例如接口、电源、通道、内部配置的要求每一类ADC都有相应的优化设计方法;同时用户不仅要考虑到ADC本身的工艺和电路结构而且还应考虑到ADC的外围电路如相应的信号调理电路等模拟电路的设计。
随着通信事业、多媒体技术和数字化设备的飞速发展信号处理越来越趋向数字化促进了高速DAC 有了长足进步牵动着DAC制造商研制出许多新结构、新工艺及各种特别用途的高速DAC。
高速DAC的应用领域主要有三个方面:数字化仪器包括波形重建和任意波形发生器;直接数合成(DDS) 包括接收器本机振荡器、跳频无线电设备、通信系统、正交调制(QAM)系统和雷达系统;图形显示系统包括失量扫描和光栅扫描。
数据转换器技术是模拟信号和数字信号之间的重要桥梁低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是ADC /DAC转换器发展的趋势。
同时ADC /DAC转换器的效率和密度也在不断增加。
除此以外通信与网络设备的集成化趋势需要ADC /DAC转换器集成更多的功能同时具有更宽的输出电压或多路输出。
近年来转换器产品已达到数千种ADC和DAC的市场呈稳步增长的发展趋势它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要性。
DAC和ADC测试规格DAC和ADC芯片必须执行一些特定的静态和动态参数检测。
下一面一一介绍这些指标：DAC静态参数指标分辨率(Resolution)是指DAC输出端所能变化的最小值。
补充：分辨率表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。
也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小电压与最大电压之比给出分辨率。
满量程范围(FSR), 是指DAC输出信号幅度的最大范围，不同的DAC有不同的满量程范围。
该范围可以是正和/或负电流，正和/或负电压。
最小有效位(LSB)大小是指输入代码变化最小数值时输出端模拟量的变化。
差分非线性度(DNL)用于测量小信号非线性误差。
计算方法：本输入代码和其前一输入代码之间模拟量的变化减去1个最小有效位(LSB)大小。
单调性是指如果增加输入代码其输出模拟量也会保持相应的增加或反之的特性。
该特性对使用在反馈环电路之中的DAC非常重要，它能保证反馈环不会被死锁在两个输入代码之间。
整体非线性度(INL)是指对一个输入代码所有非线性度的累计。
这一参数可以通过测量该代码相应的输出模拟量与起终点间直线之间的偏差来完成。
偏差(offset)是指DAC的输入代码为0时DAC输出模拟量与理想输出的偏差。
增益误差(gain error)是指DAC的输入代码为最大时DAC实际输出模拟量与理想输出的偏差。
精度(accuracy)是指DAC的输出与理想情况的偏差，包括了所有以上的这些错误，有时用百分比来表示。
一般情况不直接测量该参数，通过静态错误的计算而得出其结果。
ADC静态参数规格满量程范围(FSR)的定义与DAC的一样。
偏差(offset error)是指保证输出代码为0时的理想输入模拟量与实际输入模拟量的偏差。
计算方法：输出第一个代码发生变化时ADC的实际输入模拟值减去1/2个最小有效位(LSB)大小再减去理想的0代码输入模拟值。
ADC的增益误差(gain error)是指满量程输入时输出代码的误差。
计算方法：满量程输出代码加上1 1/2最小有效位(LSB)时输入值与满量程输出代码时输入之间的差值，再加上偏差(offset error)。
最小有效位(LSB)大小是通过测量最小的和最大的转换点后计算得到的。