数模和模数转换

1、第第 十一十一 章章数模和模数转换 教学内容11.1 概述11.2 D/A转换器11.3 A/D转换器 教学要求教学要求 1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。 11.1 11.1 概述概述模数转换（模数转换（A/D转换）：转换）：将模拟信号转换为数将模拟信号转换为数字信号。实现字信号。实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器，简转换器，简写为写为ADC(Analog-Digital Converter)数模转换（数模转换（D/

2、A转换）：转换）：将数字信号转换为模将数字信号转换为模拟信号。实现拟信号。实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器，简转换器，简写为写为DAC(Digital-Analog Converter)用途用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制对象D/A温度时间要求要求:！精度！速度电加热炉热电偶 D/A转换器的任务是接收到一个数字量转换器的任务是接收到一个数字量(D)后，输出一个后，输出一个相应的电压相应的电压(A)。11.2 11.2 D/A转换器转换器将数字信号转换为模拟信号的电路将数字信号转换为模拟信号的电路。D00111111 D/A转换器转换器A(电压or电流

3、) ？电阻网络电阻网络求和放大求和放大器器参考电压参考电压一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器电子开关电子开关虚短虚短:V-V+=0电子开关由输入数电子开关由输入数字信号字信号D控制；控制；D=d3d2d1d0， ；当；当di=1时时Si接到接到VREF；当当di=0时时Si接到地。接到地。一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器虚短虚短:V-V+=033dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)(0123IIIIRiRvFFo)2222(2001122334ddddVvREFo42REFVD )22.22(200112211ddddVvn

4、nnnnREFo n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围输出电压的变化范围:REFnnV2120优点：优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。高的精度。二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 由于由于V-V+=0,所以无论开关所以无论开关S合到哪一边，都合到哪一边，都相当于接到了相当于接到了“地地” ，流过各，流过各支路的电流始终支路的电流始终不变。不变

5、。012316842dIdIdIdIiRVIREF)2222(2001122334ddddVRivREFo42REFVD n 位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，当反转换器，当反馈电阻取为馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：时，输出电压的计算公式：)22.22(200112211ddddVvnnnnnREFo优点：优点：（1）只有）只有R和和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。流建立时间，所以电路转换速

6、度高，使用广泛。CB7520电路原理图电路原理图0102REFVvD 习题习题3、4、5三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器恒流源恒流源32100321032102344()(2222 )22222FFFR IIIIIvi RRdddddddd 42FR ID 为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，转换器中，经常利用倒经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积按比例加大发射结的面积042FREFR IvD DAC0808电路结构框图电路结构框图已知已知VREF

7、=10V kRR5 kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022?当输入数字量有当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压也对应为极性时，希望输出的模拟电压也对应为。例：输入为三位二进制补码。最高位为符号位：正数为例：输入为三位二进制补码。最高位为符号位：正数为0，负数负数为为1补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器原码输入原码输入对应的对应的输出输出偏移后偏移

8、后的输出的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V* *将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入* *将输出偏移将输出偏移, ,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 01双极性输出双极性输出单极性输出单极性输出如何将单极性的如何将单极性的D/A转换器改造

9、成双极性转换器改造成双极性D/A转换器？转换器？接偏置电流接偏置电流符号位求反符号位求反* *将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入* *将输出偏移将输出偏移, ,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 0电路实现：电路实现：* *将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入* *将输出偏移将输出偏移, ,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 0电路实现：电路实现：偏移偏移-4V,使输入使输入D=100时时,v0=0V032REFBVvDI R 32BBREFVDVRR 02BREFBVRRV 2RBBEFVVRR 选择合适的选择合适的VB和和R

10、B可实现双极性输出可实现双极性输出习题习题6、7五、五、D/A转换器的主要参数转换器的主要参数（1 1）分辨率：）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。转换器理论上可达到的精度。 1. D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 分辨率也可用分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。例如：与最大输出电压的比值来表示。例如：10位位D/A转换器的分转换器的分辨率为：辨率为： 分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。 分辨率也可以用分辨率也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电转换器能够分辨出

11、来的最小输出电压表示（压表示（1LSB）。）。（2）转换误差：）转换误差： D/A转换器实际上能达到的转换精度（误差）转换器实际上能达到的转换精度（误差）。 可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用最低位有最低位有效值的倍数（效值的倍数（ m LSB ）表示。）表示。nnREFOnnREFOOREFDVVDVVVV22. 111 引引起起的的误误差差移移零零点点漂漂移移导导致致的的曲曲线线漂漂由由漂漂移移误误差差OpAV02. 2 电电阻阻网网络络的的偏偏差差引引起起，为为模模拟拟开开关关的的压压降降内内阻阻不不非非线线性性误误差差0. 303V （

12、1）建立时间）建立时间tset：指指输入数字量各位由全输入数字量各位由全0变为全变为全1或由全或由全1变为全变为全0时时,输出电压达到某一规定值所需输出电压达到某一规定值所需要的时间。要的时间。通常建立时间在通常建立时间在100 ns 几十几十 s之间。之间。2. D/A转换器的转换速度转换器的转换速度（2）转换速率）转换速率SR：习题习题13、1111.3 11.3 AD转换器转换器A/D转换器转换器 UI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量0 V 5 V0000000011111111一、一、A/D转换的基本原理转换的基本原理 dn-1 d1 d0 数 字 量 输 出 (n

13、位 ) A D C的 数 字化 编 码 电 路 CPS S C 采 样 -保 持 电 路 输 入 模 拟 电 压 ui(t) us(t) A/D转换的三个过程：转换的三个过程：采样量化编码采样量化编码 采样采样 采样是对模拟信号进行周期性地抽取样采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。值的过程。 把模拟信号把模拟信号 vI 转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟信号值的离散信号信号值的离散信号 vS 。采样定理：采样定理：fs2fi(max)输入模拟信号输入模拟信号中的最高频率中的最高频率采样频率采样频率由采样由采样-保持电路完成保持电路完成量化量化 将采

14、样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化将采样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化数值量化，简称简称量化量化。 量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为为编码编码。 将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小数量单位称为量化单位的最小数量单位称为量化单位(1LSB），用），用 表示。表示。编码编码 量化编码过程量化编码过程 采采样值样值 1.2 3.1 3.6 3.1 2.1 1.0 1.2

15、1.5 1.2 0.1 -1.2 -2.6 -3.4 -3.8 量化值量化值 1.0 3.0 3.5 3.0 2.0 1.0 1.0 1.5 1.0 0.0 -1.0 -2.5 -3.5 -4.0 码码编编输出输出 0010,0110, 0111,0110,0100,0010,0010,0011,0010, 0000, 1110,1011, 1001,1000 电平电平x(t)/V 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -3 -2.5 -3.5 -4 t 取量化间隔取量化间隔: =0.5V双极性信号量化编码过程双极性信号量化编码过程量化误差：量化误差：

16、111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）0V二、直接

17、二、直接A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型0viVREF/15时，时，7个比较个比较器输出全为器输出全为0 0，CP 到来后，到来后，7个触发器都置个触发器都置0 0。经编码器。经编码器编码后输出的编码后输出的二进制代码为二进制代码为d2d1d0000。时，时，7个比较器个比较器中只有中只有C1输出输出为为1，CP到来到来后，只有触发后，只有触发器器FF1置置1，其，其余触发器仍为余触发器仍为0。经编码器编码经编码器编码后输出的二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=001。15315REFiREFVuV时，比较器中时，比较器中C1、C2输出为输出为1，CP到来后，触到来后，触发器

18、发器FF1、FF2置置1，其余触发，其余触发器仍为器仍为0。经编。经编码器编码后输码器编码后输出的二进制代出的二进制代码为码为d2d1d0=011。155153REFiREFVuV* *快快: CP: CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十触发信号到达到输出稳定建立只需几十nsns* *精度精度: : 受参考电压、分压网络等因素影响受参考电压、分压网络等因素影响* *电路规模电路规模: n: n位需要位需要2n-12n-1比较器，触发器。比较器，触发器。并联比较型并联比较型特点特点逐次比较型逐次比较型AD转换器转换器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共其工作原理可用天平秤重作比喻。若

19、有四个砝码共重重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量克，可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论反馈比较型反馈比较型 ！电路不太复杂！较快反馈比较型反馈比较型 1 0 0 0 0逐次比较型逐次比较型

20、A/D转换器转换器电路原理图电路原理图0 0 000 0 01 11 0 0 0 03位：5个CPN位: ( n+2)个CP逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器电路原理图电路原理图0 0 000 0 01 110 1 0 0 00 0110三、间接三、间接A/D转换器转换器双积分型双积分型A/D转换器转换器又称为电压时间变换型（又称为电压时间变换型（VT变换型）变换型）IOTIIOIILVVVRCTdtVRCVVTTVSSV 10111101.)(, 1. 2. 1不不变变期期间间的的积积分分固固定定时时间间，积积分分器器作作第第一一步步，断断开开转转换换开开始始起起始始状状态态：计计数数器

21、器清清零零双积分型双积分型A/D转换器转换器0，t =T1时时IREFCCCCCVVTTfTD)fT(fT1221 则则脉脉冲冲计计数数，期期间间用用固固定定的的频频率率令令计计数数器器在在IREFIREFITREFOOREFIVVTTTRCVTRCVTRCVdtVRCVVVS1212100102 积分器作反相积分，至积分器作反相积分，至第二步：第二步：双积分型双积分型A/D转换器转换器IREFCIREFCCVVNDNTTVVTTfTD 112若若IREFnnVVDN22 ，则则取取 先将先将Vi转换成与之转换成与之成正比的时间信号，成正比的时间信号，然后在这个时间内用然后在这个时间内用固定频

22、率脉冲计数固定频率脉冲计数. .双积分型双积分型A/D转换器原理转换器原理:（VT变换型）变换型） A/D转换器转换器控制电路的实现控制电路的实现V-F 变换型变换型fout=k1vI ; 计数器在计数器在TG时间里对时间里对fout计数，计数，则则 D= TG fout = TGk1vID适合远距离传输适合远距离传输不同的不同的A/D转换器的比较转换器的比较四、四、A/D转换器的主要参数转换器的主要参数 A/DA/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位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。数越多，误差越小，转换精度越高。分辨率也可以用分辨率也可以用1

23、LSB的电压表示，是的电压表示，是 A/D转换器能够分辨转换器能够分辨出来的最小输出电压。出来的最小输出电压。例如：输入模拟电压的变化范围为例如：输入模拟电压的变化范围为0 05V5V，输出，输出1010位二进制位二进制数可以分辨的最小模拟电压为数可以分辨的最小模拟电压为5V2104.88mV。(1)分辨率：分辨率：1.A/D转换器的转换精度转换器的转换精度（2）转换误差）转换误差 通常以输出误差最大值的形式给出，通常以输出误差最大值的形式给出，2. A/D转换器的转换速度转换器的转换速度 A/DA/D转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从

24、接到模拟输入信号开始，到输出端得到稳定的数间是指从接到模拟输入信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。字输出信号所经过的这段时间。 A/D转换速度转换速度AD7767是高速、低功耗、单电源供电、高精度的是高速、低功耗、单电源供电、高精度的24位位AD转换转换器，它采用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，器，它采用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用于多通道系统中。其特点如下：此器件广泛的应用于多通道系统中。其特点如下： (1) 功耗为功耗为15mw，109.5dB动态范围，转换速率动态范围，转换速率128kbs。 (2) 高精度：高精度：24位內无误编码位內无