ad和da轉(zhuǎn)換簡介

1、1,A/D與D/A轉(zhuǎn)換,Digital Electronics Technology,2,問題的提出,,當(dāng)計算機用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的時候，采集對象往往是連續(xù)變化的物理量（如溫度、電壓、電流等），但計算機處理的是離散的數(shù)字量，因此需要對連續(xù)變化的物理量（模擬量）進(jìn)行采樣、保持，再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量交給計算機處理、保存等。計算機輸出的數(shù)字量有時需要轉(zhuǎn)換為模擬量去控制某些執(zhí)行元件（如聲卡播放音樂等）。A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量→數(shù)定量的轉(zhuǎn)換

2、，D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量→模擬量的轉(zhuǎn)換。,傳感器(溫度、電壓、電流等模擬量）,A/D,計算機（數(shù)字量）,顯示器,D/A,執(zhí)行部件（模擬量控制）,打印機,,,,,,,能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。,能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。,A/D和D/A是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口.,3,A/D轉(zhuǎn)換電路,工 作 原 理,電

3、 路 類 型,技 術(shù) 指 標(biāo),1,2,3,4,工作原理,模擬量輸入,數(shù)字量輸出,A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程由采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。,Vin,采樣,保持,量化,編碼,,,,,,Dout,5,,工作原理,采樣是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。,采樣脈沖,輸入模擬信號,采樣輸出信號,1.采樣和保

4、持,采樣過程,6,工作原理,模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。,①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內(nèi)，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣,②采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為

5、止。－－保持,取樣保持電路及輸出波形,7,工作原理,輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。,2.量化和編碼,將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化,指定的離散電平稱為量化電平Uq ,用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位Δ

6、，位數(shù)越多，量化等級越細(xì)，Δ就越小。取樣保持后未量化的 Uo 值與量化電平 Uq 值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差ε，即 ε=Uo-Uq。,量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。,8,工作原理,1)只舍不入法 當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ時，舍尾取整。這種方法ε總為正值，εmax＝ Δ 。,2)有舍有入法 當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ/2時，舍尾取整；當(dāng)Uo的尾數(shù)≥Δ/2時，舍尾入整。這種方法ε可正可負(fù)，但是|ε max|= Δ /2

7、。因此，它的誤差要小。,9,電路類型,A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有并行比較型、逐次逼近型、計數(shù)型等。間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時間 t 或頻率 f , 然后再將 t 或 f 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強。

8、間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。,10,電路類型,（1）并行比較型,寄存器：由七個D觸發(fā)器構(gòu)成。在時鐘脈沖CP的作用下，將比較結(jié)果暫時寄存，以供編碼用。,編碼器：由六個與非門構(gòu)成。將比較器送來的七位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼D2、D1、D0。編碼網(wǎng)絡(luò)的邏輯關(guān)系為：,并行ADC原理圖,11,電路類型,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系,12,電路類型,例如：假設(shè)模擬輸入UIN=3.8V，UR=8V。當(dāng)模擬輸入UIN=3.8V加到

9、各級比較器時，由于,因此，比較器的輸出C6~C0為0001111。在時鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：D2D1D0=100。,優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度很快。,缺點：電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度較低。,,,適用于高速， 精度較低的場合,13,電路類型,,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖,（2）逐次逼近型,14,電路類型,①轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器SAR清“0”；②開始轉(zhuǎn)換以后，第一個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸

10、出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，經(jīng)偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比較器中與uI′進(jìn)行比較。若uI′＜uo′，說明數(shù)字過大，故將最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。③然后，按同樣的方法將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，SAR中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的

11、工作原理：,,15,電路類型,例：若UREF＝4V，n＝4。當(dāng)采樣保持電路輸出電壓uI′=2.49V時，說明逐次逼近型ADC電路的A/D轉(zhuǎn)換過程。,解：量化單位為,偏移電壓為Δ/2＝0.125V,轉(zhuǎn)換的結(jié)果為：d3d2d1d0＝1010。,16,電路類型,DAC的輸出電壓隨著計數(shù)器所計數(shù)字的增加而增加。當(dāng)DAC輸出電壓vO剛剛超過輸入電壓vI時，比較器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，與門被禁止，計數(shù)器停止計數(shù)。此時計數(shù)器所計數(shù)字恰好與輸入電壓

12、vI相對應(yīng)，在比較器輸出由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，計數(shù)器的輸出被送入８位D觸發(fā)器。這時，８位D觸發(fā)器的輸出就是與輸入模擬電壓vI相對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)輸出量。,（3）計數(shù)型,17,基于雙因子對角加載的自適應(yīng)波束形成(DFDL),（4）雙積分型,積分ADC屬于電壓—時間變換的間接A/D轉(zhuǎn)換器。其對一段時間內(nèi)的輸入電壓及參考電壓進(jìn)行兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時間間隔；在這個時間間隔里對固定頻率的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模

13、擬信號的數(shù)字信號輸出。,18,技術(shù)指標(biāo),分辨率=,1. 分辨率 分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為 （滿量程輸入的1/2n）。,例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V，則其分辨率為,19,2. 轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始

14、，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。①雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；②逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；③并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時間。,技術(shù)指標(biāo),20,3. 轉(zhuǎn)換誤差 它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表

15、示。,例如，轉(zhuǎn)換誤差≤ 。就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。,例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對16個熱電偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0～25mV（對應(yīng)于0～450℃溫度范圍），需分辨的溫度為0.1℃，試問應(yīng)選擇幾位的A/D轉(zhuǎn)換器？其轉(zhuǎn)換時間為多少？,解：,分辨率=,12位ADC的分辨率=,故需選用13位A/D轉(zhuǎn)換器。,轉(zhuǎn)換時

16、間=,技術(shù)指標(biāo),21,D/A轉(zhuǎn)換電路,,,,工 作 原 理,電 路 類 型,技 術(shù) 指 標(biāo),1,2,3,22,工作原理,D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。 D/A轉(zhuǎn)換器實質(zhì)上是一個譯碼器（解碼器），其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關(guān)系，UREF為參考電壓。,uO＝DnUREF,23,工作原理,D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)、參考電壓、解碼

17、網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。,數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。,24,電路類型,,1. 權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,,模擬開關(guān)，受Di控制。 Di =1時，模擬開關(guān)左撥； Di =0時，模擬開關(guān)右撥。,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò),求和放大器,MSB,LSB,25,電路類型,虛斷,運算放大器總的輸入電流

18、為,運算放大器輸出電壓為,令 RF=R/2 ，則,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,26,電路類型,因而uO的變化范圍是,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點,①優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，電阻元件數(shù)較少；②缺點：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。,27,電路類型,,2. 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,模擬量輸出,求和點,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖,電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中，電阻只有R和2R兩種，并構(gòu)成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。

19、當(dāng)di=1時，相應(yīng)的開關(guān)Si接到求和點；當(dāng)di=0時，相應(yīng)的開關(guān)Si接地。由于虛短，求和點和地相連，所以不論開關(guān)如何轉(zhuǎn)向，電阻2R總是與地相連。這樣，倒T型網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點向上看和向右看的等效電阻都是2R，整個網(wǎng)絡(luò)的等效輸入電阻為R。,28,電路類型,參考電壓UREF供出的總電流為：,分流：流入求和點的各支路電流為：,29,電路類型,流入求和點的電流為：,虛斷，運算放大器的輸出電壓為：,30,電路類型,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：

20、 ①優(yōu)點：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。 ②應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。,令 RF=R ，則,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,31,技術(shù)指標(biāo),分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化的敏感程度。,分辨率,分辨率越高，

21、轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。 而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。,①D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)－－可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；②可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。,1. 分辨率,32,基于雙因子對角加載的自適應(yīng)波束形成(DFDL),2. 轉(zhuǎn)換精度,D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。,3. 轉(zhuǎn)換速度,