电子技术基础第章数模与模数转换器

1、电子技术基础（电工季II）第13章数/栈与栈/数转换森成都理工丸学工程技术学隐自动化工程糸雷永铎2013第13章数/模与模/数转换器13.1数/模(D/A)转换器13.2模/数(A/D)转换器引言模拟信号n字信号:A/D转换器(ADCAnalog To Digital Converter)数字信号逹拟信号：D/A转换器(DAC Digital To Analog Converter)传感器模拟控制匸DAC数字信号数字计算亂数字控制13-1A/D和D/A转换器应用示意A/D转换器、D/A转换器的应用传感器（温度、压 力、流量、应力等）显示器计算机计算机进行各种 数字处理（如滤 波、计算）、数 据

2、保存、打印等符图 字、 示形 显图 示练等 显曲象J Rfu02R2oIIiti- dn-213-2权电阻网络D/A转换器II加di) (LSB)A +131数/模(D/A)转换器常用在电阻网络D/A转换器和T形电阻网络D/A转换器13.1.1权电阻网络D/A转换器权电阻网琢基 准电压源 和运算放 大器 価成。1. 电子开关的作用及其组成双向电子开关S,S”_2,A , So分别受输入二进制数码S，A d0的控制8/?67?rlo O(L13-3 5位二逬制数1101OD/A转换示意图电子开关由 晶体管或场 效应晶体管 构成2.权电阻网络：013-4晶体管双向电子开关权电阻网络的电阻取值也符合

3、二进制规律。由于电 阻阻值和每一位的权相对应,所以称为权电阻 网络3运算放大器运算放大器输入端的权电耳 络构成反相加法运算电路。这 样,就可以将权电阻网络所转 换得的各位模拟量相加,最后 获得D/A转换。D/A的组成电阻网络求和运算放大器2R 2R2R2R2RI- 3R/2So Si s2 j 汀 H，S3IISS3：V REF模拟电子开关精密参 D=0,S倒向地D D D2 D?考电压输入4位二进制数/D=l, S倒向 VrefD/A转换原理-当D3D2D1Do=OOOO 时RJ2RH 2R0!D。2R2R2ROiD2er0：D3Vref3R3R/2等效电路3R当 D3D2DxDo=OOOO

4、 时，S3S2SxSo都倒向地丄3RAv= -1+ +3R/2Uo=0VP/A转换原理（续T 当D3D2D1Do=1OOO002Ri_01 OiDo Di 当 D3D2DxDo=1OOO 时，s2sxs0OJ 向地， S3倒向VrefD23Rr/2Vref n等效电路D33R2RR 3R2RI I I I 1Vre2Av= -1I-3R/2 i=Uo=Vref/2当 DsDqDiDoZzOIOO 时3R/2Unr ：03r “丄0：oill 0 VrefD3D2Do D 当 D3D2D1Do=O1OO3R等效电路3R时，REFVref/4Av= -1J 3R/2D/A转换原理（续）:$ REF

5、D。 】D2 D3同理可推导，当。3。2。1。0=0010时，Uo= -Vref/8 当。3。2。1。0=0001 时，uo= -Vref/16D/A转换原理(续)。3。2。1。0=1000时，Uo= -Vref/2= -DsVreM21D3D2DiDo=O1OO时，Uo= -Vref/4= -D2Vref/22D3D2D1Do=OO1O时，Uo= -Vrep/8= -DxVref/23。3。2。山0=0001 时，Uo= -VreM 16二-DoVreM24根据叠加原理:Uo= 7D3V REF/2X+ D2V ref/22 + DXV ref/23 + D0V REF/24)=一(D/21

6、+ D2/22 + Dx/23 + Do/24) VREF=-(VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 Di + 2 Do)D/A转换原理（续）Uo = -（VREF /24） D3 + 22 D2+ 2i Di + 2 Do）此式表明:D/A电路输出模拟电压LI。与输入的数字量D3D2D1D0成正比例131设Ur二-10V ,试分别求出二进制数1010和1111相对应的模拟输出量。 解(1)当数字量为1010时( 1 0 1 、rl? ?V = 6.25V(2 )当数字量为1111时U1 22 23 24 JV = 9375V显然f输出楔 拟量专喻入薮 字量成正比权电阻网络

7、D/A转换器的优点：电路结构简单,可适用于各种有权码；缺点：阻值有一定的误差,且易受温度变化的影响”位数较多时,阻值分散性也很13.1.2 T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换器只采用了R. 2R两种阻值的 电阻,克服了权电阻网络D/A转换器的不足在集成 D/A转换芯片中得到更广泛的应用Ur/ 一 2/2”S-i/R R/22RR2R| 22R2Rs/S（）01a/o2DOO:A-Uo(MSB)d_idx o(LSB)图13-5 T形电阻网络D/A转换器基准电压源5输出的总电流是固定的,其大小为:/厶R输出电流和各支路电流的关系为：I I/o=尹“1+尹心一 2+L +0T形电阻网络D

8、/A转换器的输出模 拟电压Do与输入的数字量成正比二讐 +（4-! 2门 + dn_2 T-2 + L + 4 2。）因为乙=-1 输出模拟电压DoU。七第（如 2 + dn_2 T-2 + L + d。2。）K L（ 13-4 ）般取RF = Rf则式（13-4 ）可写成如下形式Uo =一牛凤a+dF +42。）TT n-1Z 匸0( 13 - 5)T形电阻网络D/A转换器的特点：电子开关Sk不管 是接地还是接虚地,流过各支路2R电阻中的电流 总是近似恒定值,在集成芯片中应用得最广泛13.1.3 D/A转换器主要技术指标 1.分辨率DAC电路所能分辨的最小输出电压増量Ulsb与 最大输出电压

9、Um之比称为分辨率,它是转换器 的一个重要参数,其表示式为：LSB1人212.线帼通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线 性度,并且把偏离理想的输入一输出特性的偏差 与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。3 绝对精度在D/A转换器中任何输入数码所对应的实际 模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义 为绝对精度,它描述了在整个工作区内实际的 输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差4.建立时间实际上D/A转换器内的电容.电感和开关电路均存在时间延迟,即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来,这段时间就是D/A转换器的 建立时间,它反映了D/A转换器的转换速度。13.1.4集成D/A转换器举

10、例集成D/A转换器芯片的型号繁多,按照输入二进制 数的位数分类有8位.10位.12位和16位等多种 8 位的如DAC0832. DAC0808 , 10位的如DA7533、 DA7520 , 12位的如DA7543等。CC7520集成D/A转换器（相应的国产型号为5G7520 ）outl Joui2 GNDD9 D8 Dy D6 DsDq D 151413 16U。fl3-6 CC7520集成D/A转换器CC752014 2312在其基本应用电路图136中,运算放大器的 输出电压为(P9.29 + Z)8.28+L +1.21+Z)0.20)dk数字输入VDZiV3V4V5I1V6HE| fI

11、 I R X R 2RV7A)2 A)i图13-7 CC7520的CMOS电子开关132模/数(A/D)转换器13.2.1 A/D转换器概述A / D转换器的作用是将输入的模拟电压数字化, 并转换成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接A / D转换器一类是间接A / D转毎A/D转换采样和保持采样一保持 电踣来完成量化和编码两大步骤A/D转换 器内实现si13-8模拟信号的采样将一个时间上和幅值上连续的模拟量Vi转换成时间上离散的模拟量vs的过程称为采样:采样后,V I被转 换成连续的相等 时间间隔的脉冲 信号,其幅值等 于采样时输入模 拟量的值采样后 的电压需要保持 段时间把耳 程叫做量

12、化:勺电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过 只舍不入用数字代码表示量化 结果的过程叫做编码有舍有入UN输入信息二进制编码7J=7/8V6zl=6/8V5J=5/8V4J=4/8V3zl=3/8V24 二 2/81J=1/8VOJ=OV代表的 模拟电平/V 7J=13/15V6J=11/15V54=9/15 V4J=7/15V34 =5/15 V24=3/15V1J=1/15VOJ=OV13-9划分量化电平的两种方法示意图）1322并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较器、寄存器和编码电路4部分组成。寄存器比较器编码器FLD编码电路图G10电路为2位二进制数输出的并联比

13、较型A/D转换器(I-i+uZ)/H/ = Z/V書曹盪沃凹回乙咸騙叩麟吐刃宙甜謝Y騎出OI-I圍1-EIB11IIIH/? ln 切厶/g01110爼 mnMmJE10100切厶/S*切厶/【00000切厶/InoPPFR躺廉Ifffl并联比较型A/D转换器（三位）原理（补充）精密参/Vr Ui-输入模拟电压考电压7Vr/86Vr/85Vr/84Vr/83Vr/82Vr/8Vr/85Vr/8时，输出=1UV Vr/8时，输出=0电压比较器D锁存器-I 57Vr/8时，输出=1X-iQa +| Uv7VJ8时，输出=0Ui6Vr/8时，输出=1Uy6Vd/8时，输出=0 二Q|D2D1D0并联

14、比较型A/D转换器中的编码器真值表Qa Qb Qc Qd Qe Qf QgD? D DoVR Uj 7Vr/811111111117Vr/8 Uj 6Vr/801111111106Vr/8 Uj 5Vr/800111111015Vr/8 Uj 4Vr/800011111004Vr/8 Uj 3Vr/800001110113Vr/8 Uj 2Vr/800000110102Vr/8 Uj Vr/80000001001Vr/8 Uj 00000000000根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）13.2.3逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近型A/D转换的过程 与天平称物重量的过程相似逐次逼近型A/D转换器被转换 的电压相当于天平所称的物体 重量,而所转换的数字量相当 于在天平上逐次添加磁码所保 留下来的磁码重量逐次逼近型A/D转换器的基本电路a)b e m m nn e rri rvi mQa-II1 IQb1 IQcQ oQe13-11 3位逐次逼近型A/D转换器2. 逐次逼近型A/D转换器的工作原理输入的模拟电压5,经采样一保持电路得到的采 样电压,设为硏二4.65V作用在比较器的同相输入端,而三位D/A转换