第九章数—模和模—数转换PPT课件

1、第九章第九章 数数模和模模和模数转换数转换9.1 概概 述述模拟电路：模拟电路：处理连续变化信号的电路处理连续变化信号的电路数字电路：数字电路：处理数字信号的电路处理数字信号的电路模数转换（模数转换（A/D转换）：转换）：将模拟信号转换为数字信号将模拟信号转换为数字信号数模转换（数模转换（D/A转换）：转换）：将数字信号转换为模拟信号将数字信号转换为模拟信号模数转换举例：模数转换举例：模拟模拟信号信号数字显数字显示电路示电路数字数字信号信号模数模数转换转换数字电压表数字电压表控制器控制器 开开/关关播放播放/暂停暂停快进快进/快退快退 数模数模转换转换数字信号数字信号处理电路处理电路 激光头激

2、光头放大器放大器放大器放大器放大器放大器CD播放器播放器脉冲脉冲信号信号二进制二进制编码信号编码信号右声道右声道音频信号音频信号左声道左声道音频信号音频信号模拟模拟信号信号数模转换举例：数模转换举例：转换指标：转换指标：转换精度和转换速度转换精度和转换速度分类：分类：ADC直接转换直接转换ADC间接转换间接转换ADC并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型双积分型双积分型V-F变换型变换型逐次比较型逐次比较型计数比较型计数比较型DAC权电阻网络权电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流型权电流型DAC*权电容网络权电容网络DAC*开关树型开关树型DAC*按结构按结构并行输入型并行输

3、入型串行输入型串行输入型按输入按输入方式方式并行输出型并行输出型串行输出型串行输出型按输出按输出方式方式n位二进制数位二进制数dn-1dn-2d0的大小的大小 1000221122.22niiinnnnnddddD数模数模转换转换器器dn-1dn-2d0vO 102niiiOdkv数模转换电路输入输出的关系数模转换电路输入输出的关系9.2 D/A转换器转换器输入为二进制码，输出为模拟电压输入为二进制码，输出为模拟电压输出电压与输入的二进制码的值成正比输出电压与输入的二进制码的值成正比 D3D2D1D0 VO 0000 0V 0001 0.25V 0010 0.5V 0011 0.75V 010

4、0 1V 0101 1.25V 0110 1.5V 0111 1.75V 1000 2V 1001 2.25V 1010 2.5V 1011 2.75V 1100 3V 1101 3.25V 1110 3.5V 1111 3.75V例：例：ofviR ifVRR -VV 放大器原理放大器原理A为运算放大器为运算放大器与电阻配合构成反相比例运算电路与电阻配合构成反相比例运算电路理想运放的两个特点：理想运放的两个特点：-0ii A+-iV-V+RfvoRvii-i+虚短虚短虚断虚断由此推出：由此推出：-0VV 9.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器vORF(R/2) A-+23R 22

5、R 2RRI0I1I2I3d0d1d2d3i VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSB一、电路及工作原理一、电路及工作原理 权电阻网络权电阻网络模拟开关模拟开关求和放大器求和放大器由权电阻网络、由权电阻网络、模拟开关、模拟开关、求和放大器构成求和放大器构成权电阻网络确定每条支路电流的大小权电阻网络确定每条支路电流的大小模拟开关受每各位数码控制模拟开关受每各位数码控制求和放大电路把各支路电流求和并转换成电压求和放大电路把各支路电流求和并转换成电压Si：d=1时接时接VREF， d=0时接地时接地iREFiiRVdI ）（00112233422222ddddVRivREFFO 此式即表明模拟输

6、出与数字输入成正比。此式即表明模拟输出与数字输入成正比。转换原理转换原理vORF(R/2) A-+23R 22R 2RRI0I1I2I3d0d1d2d3i VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSB）（00112233330211203222222222ddddRVRVdRVdRVdRVdiREFREFREFREFREF 接接VREF时支路有电流，时支路有电流，接地时无电流接地时无电流每条支路上的电阻反映了该位每条支路上的电阻反映了该位的权，故称权电阻网络。的权，故称权电阻网络。改变改变RF可改变比例系数可改变比例系数nnREFnnnnnREFODVdddVv22222002211 ）（推广

7、：推广：n位数模转换器的输出位数模转换器的输出vORF(R/2) A-+23R 22R 2RRI0I1I2I3d0d1d2d3i VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSBiREFiiRVdI 电路缺点：电路缺点：当位数较多时，阻值相差太大。当位数较多时，阻值相差太大。9.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器一、电路及工作原理一、电路及工作原理基本思路：基本思路：将电阻放在横将电阻放在横向支路上，越低位经过的向支路上，越低位经过的电阻越多，电流越小电阻越多，电流越小由图可知不管开关接由图可知不管开关接左还是接右，支路电左还是接右，支路电流都不变，只是流都不变，只是接左接左流入

8、地流入地，接右流向接右流向R d0d1d2d3i VREFvOR A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI3I2I1I0I33221100IdIdIdIdi d0d1d2d3i VREFvOR A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI3I2I1I0I按接左求各支路电流：按接左求各支路电流：2100III 2211III 233III 2322III RVIREF 16I 8I 4I 2I ）（）（3322110043322110042222222222ddddVddddRIRivREFO ）（32108

9、4216ddddIi 33221100IdIdIdIdi VREF2R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI3I2I1I0I电阻支路为倒电阻支路为倒T型，故型，故名倒名倒T型电阻网络型电阻网络DACnnREFnnnnnREFODVdddVv22222002211 ）（推广：推广：n位数模转换器的输出位数模转换器的输出改变改变RF可改变比例系数可改变比例系数解决了解决了阻值相差太大的问题阻值相差太大的问题集成集成D/A转换器转换器AD7520简介简介 l10位数字输入，位数字输入，l模拟开关采用模拟开关采用CMOS电路构成电路构成 l需外接需外接运放运放、参考电压参考电压；l反馈电阻反馈电阻可

10、用内部电阻也可外接可用内部电阻也可外接 Vdd14Iout11MSB-14BIT-25Iout22BIT-36BIT-47BIT-58Rfb16BIT-69BIT-710BIT-811VrefIN15BIT-912LSB-1013 AD7520 VREFVoGND3 A9.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器解决措施：解决措施：将电阻换成恒流源。将电阻换成恒流源。模拟开关的问题：模拟开关的问题：若模拟开关的导通电阻不相等，则电流有误差，转换有误差。若模拟开关的导通电阻不相等，则电流有误差，转换有误差。恒流源的实现：恒流源的实现：三极管集电极电流。三极管集电极电流。 d0d1d2d3i V

11、REF（-）vORF A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S0I/16 I/8I/4I/2注意：注意：该电路参考电压为负值，该电路参考电压为负值，电流从运放负极流出电流从运放负极流出恒流源恒流源IB0用来为用来为T提供基极偏置电流，恒流源需要负电源提供基极偏置电流，恒流源需要负电源VEE ）（33221100422222ddddRVRvRREFFO A1与与TR构成基准电流发生电路，构成基准电流发生电路， 产生产生RREFREFRVI I/2I/4I/8I/16d3d2d1d0iOLSBMSBS0S1S2S3vORF A2-+VEE(-)+-IB0IECIE0IE1IE2IE32R2R2R2

12、R2RRRRRIREF A1RRVREFTRT3T2T1T0TC-+RREFREFRVI I注意该公式中无负号注意该公式中无负号具体电路具体电路权电流型集成权电流型集成D/A转换器转换器DAC0808简介简介 8位数字输入位数字输入 需外接运放、反馈电阻、参考电压。需外接运放、反馈电阻、参考电压。 Vcc=+5V A VREF=-10VRF vOVEE=-15VRR5K5K5KVcc13IO4MSBA15VR+15A26A37VR-14A48A59A610COMP16A711LSBA812VEE3 DAC0808nnRREFFODDRVRv882102 上述参数下：上述参数下：9.2.7 D/

13、A转换的转换精度与转换速度转换的转换精度与转换速度一、转换精度一、转换精度 以四位以四位DAC为例画出转换特性曲线为例画出转换特性曲线 级差越小，转换精度越高，输出越级差越小，转换精度越高，输出越接近于模拟（幅值上连续）信号；接近于模拟（幅值上连续）信号； 用与用与n有关的量来表示转换精度，称之为分辨率有关的量来表示转换精度，称之为分辨率 转换精度的概念：转换精度的概念：可以看出输出电压在幅值上是不连可以看出输出电压在幅值上是不连续的，一个级差为续的，一个级差为 421REFVLSB n位位DAC的的 ， n越大，转换精度越高。越大，转换精度越高。 nREFVLSB21 0000 0011 0

14、110 1001 1100 11111/163/165/167/169/1611/1613/1615/16REFOVv定义定义1：n最低位为最低位为1，其它位均为，其它位均为0时对应的输出电压称为时对应的输出电压称为1LSB，即，即nREFVLSB21 :01000121时时对对应应的的输输出出，故故 ddddnn输入全为输入全为1时对应的输出电压称为满刻度输出，用时对应的输出电压称为满刻度输出，用FSR表示，即表示，即:11110121时时对对应应的的输输出出，故故 ddddnn) 12(2)2222(200112211 nnREFnnnnnREFVddddVFSR定义定义2：121 n12

15、12) 12(21 nnnREFnREFVVLSB满满刻刻度度输输出出分辨率只反映了分辨率只反映了理论精度理论精度，实际精度实际精度与误差有关（例正向偏差与误差有关（例正向偏差使级差加大，精度减小）。使级差加大，精度减小）。转换误差转换误差 定义定义1： 定义定义2： 误差的来源误差的来源 VREF的波动；的波动；A的零漂，的零漂，S的导通电阻与压降；的导通电阻与压降；R的阻值偏差的阻值偏差 所谓所谓误差误差即指输出电压的即指输出电压的实际值与理论值的偏差实际值与理论值的偏差。LSB1偏偏差差实实际际值值与与理理论论值值的的最最大大单位：单位：LSB%100 FSR偏偏差差实实际际值值与与理理

16、论论值值的的最最大大二、二、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度指标：指标：建立时间建立时间tset定义：定义：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与 稳态值相差稳态值相差1/2LSB范围内的时间称为建立时间。范围内的时间称为建立时间。不包含运放的不包含运放的DAC中，中， tset可达可达0.1us包含运放的包含运放的DAC中，中， tset可达可达1.5us当需外加运放构成当需外加运放构成DAC时，应采用转换速率快的运放。时，应采用转换速率快的运放。9.3 A/D转换器转换器t D2D1D0 t1 000t2 010t3 100012

17、34567010100110110110101011010001010011011101110110110100000D2D1D0 VIADCtVl采样保持采样保持l量化量化l编码编码tV010010001100110111010000151413121110 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0l量化细一些，提高转换精度量化细一些，提高转换精度tV151413121110 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0l采样再细一些，更准确地反应变化规律采样再细一些，更准确地反应变化规律0000，0001，0100，0110，1000，1001，1100，1100，1110，1110，1101，1

18、100，1011，1001，0110，0101，0100，0011，0011，0011，0100，0100，0110，0110，0110，0110，1011，1011，1100，1110，1110，1101，1100，1011，0111。9.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理vIttvSA/D转换过程要经过转换过程要经过采样保持，量化编码采样保持，量化编码2个步骤个步骤一、采样保持一、采样保持采样：采样：即在不同的时间点上把信号采样下来，从而将在时间上连即在不同的时间点上把信号采样下来，从而将在时间上连续的模拟信号转换成在时间上离散的信号。续的模拟信号转换成在时间上离散的信号。保持：保

19、持：每次采样完毕要保持一段时间，每次采样完毕要保持一段时间，以供以供ADC将采样下来的信号进行转换。将采样下来的信号进行转换。过高，过高，保持时间短，不能保证保持时间短，不能保证ADC可靠转换可靠转换采样定理：采样定理：(max)2isff (max)53(isff 对采样频率的要求：对采样频率的要求：过低，过低，不能反映原始信号的变化规律。不能反映原始信号的变化规律。二、量化和编码二、量化和编码采样后的信号在数值上还是连续的，而数字信号在数值上是离散采样后的信号在数值上还是连续的，而数字信号在数值上是离散的，的，量化量化即是将数值上连续的信号变成数值上是离散的信号。即是将数值上连续的信号变成

20、数值上是离散的信号。量化即把采样信号表示为最小单位的整数倍，此最小单位叫做量化即把采样信号表示为最小单位的整数倍，此最小单位叫做量量化单位，化单位，用用表示。表示。把量化结果用代码表示出来，称为把量化结果用代码表示出来，称为编码编码，这些代码的输出就是这些代码的输出就是A/D转换的输出结果。转换的输出结果。例：例：把把01V的模拟电压转换成的模拟电压转换成3位二进位二进制代码，即用制代码，即用000111表示表示01V的电压的电压解：解：方法一方法一取最小量化单位为取最小量化单位为1/8 V，即，即 =1/8 V并规定：并规定：01/8V为为0 ， 1/82/8V为为1 ，1V7/8V6/8V

21、5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0V1111101011000110100010007=7/8V6=6/8V5=5/8V4=4/8V3=3/8V2=2/8V1=1/8V0=0V输入输入信号信号二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电压模拟电压则最大量化误差为则最大量化误差为1 =1/8V。方法二方法二取最小量化单位为取最小量化单位为2/15 V，即，即=2/15 V，并规定：并规定：01/15V为为0 ， 1/153/15V为为1 ， 3/155/15V为为2 ， 则最大量化误差为则最大量化误差为1/2 =1/15V。1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1

22、/15V1111101011000110100017=14/15V6=12/15V5=10/15V4=8/15V3=6/15V2=4/15V1=2/15V输入输入信号信号二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电压模拟电压0000=0V0V9.3.2 采样保持电路采样保持电路基本形式基本形式vL=0，S闭合闭合，C充电（充电（ =RCH），），vO=vI，采样。采样。vL=1，S打开打开，C无放电回路，无放电回路，vO保持。保持。_+ACHvOvLvI_+ASR集成采样保持器集成采样保持器LF1989.3.3 直接直接A/D转换器转换器输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，不需要中间变量。输入的模

23、拟电压直接转换为输出的数字量，不需要中间变量。一、并联比较型一、并联比较型思路：思路：用比较器实现量化，编码器实现数字量输出。用比较器实现量化，编码器实现数字量输出。电路：电路：比较器比较器C1C7：同相输入端接同相输入端接vI反相端接参考电压，反相端接参考电压，参考电压的大小由参考电压的大小由电阻分压得到。电阻分压得到。寄存器寄存器FF1FF7：暂存量化结果，等暂存量化结果，等待时钟到来，统一待时钟到来，统一送编码器编码。送编码器编码。Qn+1=Dn编码器：编码器：将量化结果进行编码，将量化结果进行编码，实现数字量输出。实现数字量输出。为为8/3线优先编码器。线优先编码器。优先权自上而下逐位

24、降优先权自上而下逐位降低。高电平有效。低。高电平有效。+_R+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1R/21DC1+_1111111C2C3C4C5C6C7C1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1d2d1d0MSBLSB(20)(21)(22)VREF153VREF1513VREF15VREFvICPR1DC18/3线优先编码器线优先编码器工作原理：工作原理：+_R+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1R/21DC1+_1111111C2C3C4C5C6C7C1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1d2d1d0MSBLSB

25、(20)(21)(22)VREF153VREF1513VREF15VREFvICPR1DC18/3线优先编码器线优先编码器当当vIVREF/15时，时，C1C7=0编码：编码：d2d1d0=000当当VREF/15 vI3VREF/15时，时，C2C7=0编码：编码： d2d1d0=001C1=1当当3VREF/15 vI5VREF/15时，时，C3C7=0编码：编码： d2d1d0=010C1C2=1当当13VREF/15 vIVREF时，时，编码：编码： d2d1d0=111C1C7=1以此类推以此类推l特点：特点：l速度快速度快l不用附加采样保持电路不用附加采样保持电路l所用器件多，所用

26、器件多，n位位D/A转换需转换需2n-1个比较器和触发器个比较器和触发器vIC7C6C5C4C3C2C1d2d1d0(01/15)VREF0000000000(1/153/15)VREF0000001001(3/155/15)VREF0000011010(5/157/15)VREF0000111011(7/159/15)VREF0001111100(9/1511/15)VREF0011111101(11/1513/15)VREF0111111110(13/151)VREF1111111111二、反馈比较型二、反馈比较型ADC基本思路：基本思路：取一个取一个数字量数字量加到加到D/A转换器转换器

27、上，于是得到一个对应的上，于是得到一个对应的输出模拟电压输出模拟电压。将这个模拟电压和。将这个模拟电压和输入的模拟信号输入的模拟信号电压电压相比较相比较，如，如果两者果两者不相等不相等，则，则调整调整所取得的数字量，直到两个模拟电压所取得的数字量，直到两个模拟电压相等相等为为止，最后所取得的数字量就是所求的止，最后所取得的数字量就是所求的转换结果转换结果。1.计数型计数型ADC方框图方框图DAC计数器计数器输出寄存器输出寄存器脉冲源脉冲源C-+vBvI模拟输入模拟输入并行数字输出并行数字输出MSBLSBLSBMSBvOCP&vLG控制转换信号控制转换信号计数器对脉冲源计数，其输出为数字

28、量，该数字量送入计数器对脉冲源计数，其输出为数字量，该数字量送入DAC，转，转换为模拟信号换为模拟信号vO，与，与vI比较，若比较，若vOvI，则计数器继续计数，则计数器继续计数，vO增增加，直至加，直至vO=vI，计数停止，此时的计数值就是，计数停止，此时的计数值就是A/D转换结果。转换结果。基本原理：基本原理：工作过程：工作过程：转换前，转换前， vL=0，门门G被封锁，计数器不工作，输出为被封锁，计数器不工作，输出为0，vOvI，vB=1。转换开始，转换开始，vL=1，门门G打开，计数器计数，计数值增加，打开，计数器计数，计数值增加，vO增加。增加。当当vOvI时，时，vB=0，门，门G

29、被封锁，计数器停止计数，这时计数器中所存数字被封锁，计数器停止计数，这时计数器中所存数字就是所求的输出数字信号。就是所求的输出数字信号。由于在转换过程中，计数器输出在不停地变化，所以不能将计数器的输出由于在转换过程中，计数器输出在不停地变化，所以不能将计数器的输出直接作为输出信号，为此，在输出端设置了输出寄存器，在每次转换完成直接作为输出信号，为此，在输出端设置了输出寄存器，在每次转换完成后，用转换信号的下降沿将计数器的输出置入输出寄存器中，而以寄存器后，用转换信号的下降沿将计数器的输出置入输出寄存器中，而以寄存器的状态作为最终的输出信号。的状态作为最终的输出信号。DAC计数器计数器输出寄存器

30、输出寄存器脉冲源脉冲源C-+vBvI模拟输入模拟输入并行数字输出并行数字输出MSBLSBLSBMSBvOCP&vLG控制转换信号控制转换信号特点：特点：电路简单，所用电路简单，所用器件不多；器件不多；转换速度慢，转换速度慢，n位位ADC最长的转换最长的转换时间为时间为(2n-1)TC转换转换TC2.逐次渐近型逐次渐近型ADC基本原理：基本原理：电平称重电平称重设设vI=5.3V，DAC输入输入 DAC输出输出100 4V5.3V101 5VvI，则，则C输出控制信号使寄输出控制信号使寄存器输出存器输出0100；若；若vO vI，则，则C输出控制信号使寄存器输出控制信号使寄存器去掉去掉第

31、二位第二位1，并使第三位置，并使第三位置1，若，若vO 0A_+S1S0RC积分器积分器比较器比较器-VREF0A_+S1S0RC积分器积分器比较器比较器-VREF0T2T1VO1vOtT2VO1vGvI=vItvGtvI=vI若取若取T1为为TC的整数倍，即的整数倍，即T1=NTC，则，则IREFvVND 特点：特点：稳定稳定R、C、TC的变化不会影响转换结果的变化不会影响转换结果抗干扰性强抗干扰性强若若vI引进对称干扰，在引进对称干扰，在T1期间积分值为期间积分值为0，故，故VO1不变，转换结果不变。不变，转换结果不变。常见干扰为常见干扰为50Hz干扰，故应取干扰，故应取TC为为0.02s

32、的整数倍。的整数倍。速度慢速度慢 最长积分时间：最长积分时间：2T1=2n+1TC由此也可得出该电路要求：由此也可得出该电路要求：vIVREF否则计数器计满值时，否则计数器计满值时，vO也不会上升到也不会上升到0，转而又对，转而又对vI积分积分IREFnvVD2 T2T1VO1vOt对称干扰对称干扰T1vItvOtT1T1二、二、V-F变换型变换型ADC在在TG时间里对时间里对vO进行计数，计数值正比于进行计数，计数值正比于vI特点：特点： 适于遥控遥测系统中，因适于遥控遥测系统中，因vO为调频信号，易于远距离传输为调频信号，易于远距离传输转换速度慢转换速度慢基本思路：基本思路：将电压将电压V转换成与之成正比的频率信号，并在固定时间内对其转换成与之成正比的频率信号，并在固定时间内对其进行计数，则计数结果进行计数，则计数结果(正比于电压正比于电压V)即为转换结果