第8章DA与AD转换电路.ppt

数字电子技术,第八章 D/A与A/D转换电路,本章要点 熟悉D/A转换器和A/D转换器的主要技术指标及影 响它们的主要因素；掌握D/A转换器（二进制权电阻网络、倒T型电阻 网络、权电流型）的电路结构及其工作过程；掌握A/D转换器的主要类型（并行比较型、逐次比 较型型、双积分型）及其工作过程；掌握D/A转换器和A/D转换器工作原理、输入与输 出关系的定量计算；掌握DA转换器与AD转换 器的使用方法。,8.1 概述,一、D/A与A/D转换电路的概念与特点 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC）；而能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC），A/D转换器和D/A转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路，是沟通模拟电路和数字电路的桥梁。,下图是用计算机来控制加热炉的工作示意图。,下图是计算机控制系统的一般结构：,二、数字电压表案例,数字电压表作为数字仪表的基础和核心，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的误差和视觉疲劳。,图8-3 数字电压表,8.2 D/A转换器,一、D/A转换器的基本原理,数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字模拟转换。这就是构成D/A转换器的基本思路。,图8-4所示是D/A转换器的输入、输出关系框图，D0Dn-1是输入的n位二进制数，vo是与输入二进制数成比例的输出电压。,图8-4 D/A转换器的输入、输出关系框图 图8-5 3位D/A转换器的转换特性,图8-5所示是一个输入为3位二进制数时D/A转换器的转换特性，它具体而形象地反映了D/A转换器的基本功能。,二、D/A转换器的构成,1.二进制权电阻网络D/A转换器,图8-6 二进制权电阻网络D/A转换器,不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。,2.倒T型电阻网络D/A转换器,图8-7 倒T型电阻网络D/A转换器,分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。,从参考电压端输入的电流为：,3.权电流型D/A转换器,尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。,(1)原理电路,图8-8 权电流型D/A转换器的原理电路,分析该电路可得出:,采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。,(2)采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器,为了消除因各BJT发射极电压VBE的不一致性对D/A转换器精度的影响，图中T3T0均采用了多发射极晶体管，其发射极个数是8、4、2、1，即T3T0发射极面积之比为8:4:2:1。流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1/2，各支路中电流分配比例满足8:4:2:1的要求。,图8-9 权电流D/A转换器的实际电路,基准电流IREF产生电路由运算放大器A2、R1、Tr、R和VEE组成，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。Tr的cb结，电阻R到VEE为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为：,由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为：,可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压,该电路特点为，基准电流仅与基准电压VREF和电阻R1有关，而与BJT、R、2R电阻无关。这样，电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求，对于集成化十分有利。由于在这种权电流D/A转换器中采用了高速电子开关，电路还具有较高的转换速度。采用这种权电流型D/A转换电路生产的单片集成D/A转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度较高。,三、D/A转换器的主要技术指标,1.转换精度,D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。,（1）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。,N位D/A转换器的分辨率可表示为,（2）转换误差D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是 指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A转换器的理论值与 实际值之差。该误差值应低于LSB/2。,2.转换速度,（1）建立时间（tset）指输入数字量变化时，输出电 压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的 数字量NB从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间表示。D/A转换器的建立时间较快，单 片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1S以内。,（2）转换速率（SR）大信号工作状态下模拟电压的变化率。,3.温度系数,指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。,四、集成D/A转换器及其应用,图8-10 是权电流型D/A转换器DAC0808的电路结构框图，图中D0D7是8位数字量输入端，IO是求和电流的输出端。,图8-10 权电流型D/A转换器DAC0808的电路结构框图,VREF+和VREF接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。COMP供外接补偿电容之用。VCC和VEE为正负电源输入端。用DAC0808这类器件构成的D/A转换器时需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1，如图8-11所示。,图8-11 DAC0808 D/A转换器的典型应用,在VREF=10V、R1=5k、Rf=5k的情况下，可知输出电压为,当输入的数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围为09.96V。,8.3 A/D转换器,一、A/D转换器的基本原理,四个步骤：采样、保持、量化、编码。模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。,图8-12 模拟量到数字量的转换过程,1.取样定理,取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs 2fmax,y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs（2.53）fmax。由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。,2.量化和编码,数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数 倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越 多（n越大），量化误差越小。,（a）量化误差大；（b）量化误差小,图8-14 划分量化电平的两种方法,3.采样-保持电路,图8-15 采样-保持原理图,t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。,二、A/D转换器的构成,1.并行比较型A/D转换器,3位并行比较型A/D转换原理电路如图8-16所示，它由电压比较器、寄存器和代码转换器三部分组成。,图8-16 并行比较型A/D转换器,单片集成并行比较型A/D转换器的产品较多，如AD公司的AD9012（TTL工艺，8位）、AD9002（ECL工艺，8位）AD9020（TTL工艺，10位）等。并行A/D转换器具有如下特点：（1）由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此转换速度最快。（2）随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。一个n位转换器，所用的比较器个数为 1，如8位的并行A/D转换器就需要 1=255个比较器。由于位数愈多，电路愈复杂，因此制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。（3）使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时，可以不用附加取样保持电路，因为比较器和寄存器这两部分也兼有取样保持功能。这也是该电路的一个优点。,2.逐次比较型A/D转换器,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。按照天平称重的思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如图8-17所示。,图8-17 四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路,逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度快，精度高的特点。常用的集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8）位、AD575（10位）、AD574A（12位）等。,3.双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行转换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。,图8-18是这种转换器的原理电路，它由积分器（由集成运放A组成）、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器/计数器（FF0FFn）等几部分组成。,图8-18 双积分型A/D转换器,电路工作过程分为以下几个阶段进行：,（1）准备阶段,（2）第一次积分阶段,（3）第二次积分阶段,由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。,在工业系统中经常碰到的是工频（50Hz）或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的是同一积分器。因此，在两次积分期间（一般在几十至数百毫秒之间），R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。,最后必须指出，在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回零。电路再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。单片集成双积分式A/D转换器有ADCEK8B（8位，二进制码）、ADCEK10B（10位，二进制码）、MC14433（3,位，BCD,码）等。,三、A/D转换器的主要技术指标,1.分辨率,A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V 20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V 1.22mV。,2.相对精度,在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。,3.转换速度,转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,四、集成A/D转换器ADC0804及其应用,1.ADC0804引脚及使用说明,ADC0804是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换器芯片。分辨率为8位，转换时间为100s，输出电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接到CPU的数据总线上，无需附加逻辑接口电路。,在使用时应注意以下几点：,（1）转换时序,（2）零点和满刻度调节,（3）参考电压的调节,（4）接地,2.ADC0804的典型应用,在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控（被测）对象数据以达到由计算机进行实时检测、控制的目的，常用微处理器和A/D转换器组成数据采集系统。单通道微机化数据采集系统的示意图如图8-23所示。,图8-23 单通道微机化数据采集系统示意图,该系统由微处理器、存储器和A/D转换器组成，它们之间通过数据总线（DBUS）和控制总线（CBUS）连接，系统信号采用总线传送方式。,8.4 数字电压表设计,一、系统总体设计要求,利用单片机AT89S51与ADC0809设计一个数字电压表，能够测量05V之间的直流电压值，四位数码显示。,目前数字万用表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本设计数字电压表 A/D转换器采用ADC0809对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89S51在对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号，并可以在LED上进行显示。,二、数字电压表硬件电路设计,图8-24 数字电压表的电路原理图,三、程序设计内容,1、由于ADC0809在进行A/D转换时需要有CLK信号，而此时的ADC0809的CLK是接在AT89S51单片机的P3.3端口上，也就是要求从P3.3输出CLK信号供ADC0809使用。因此产生CLK信号的方法就得用软件来产生了。2、由于ADC0809的参考电压VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。,