第七章AD与DA转换器

1、中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)第七章第七章 A/D 与与 D/A转换器转换器 (A/D and D/A converter)7.17.1 概述概述7. 2 D/A转换器转换器7. 3 A/D 转换器转换器中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)7.1 概述概述A/D：模拟信号转换成数字信号，实现A/D转换的电路称为A/D转换器。D/A：数字信号转换成模拟信号，实现D/A转换的电路称为A/D转换器。7.2 D/A转换器7.2.1 D/A转换器及

2、主要参数1、D/A转换器的输入是数字量，输出是模拟量，输出模拟量与输入数字量之间应有这样的关系：数字量大，输出的模拟量也大，数字量小，输出的模拟量也小，即模拟量和输出量之间应满足如下关系：A=KD中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)那么怎样才能实现这一关系呢？我们把二进制数D按位权展开即：D=dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+d1*21+d 0*2 0A=K（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+d1*21+d 0*2 0）这就是D/A转换器的转换特性表达式。从转换特性表达式可看出，实现D/A转换的

3、组成部分如下： 1）求和运算放大器：实现求和。通常接成反相比例求和。2）模拟开关：控制d=0或d=1时，求和电路的项数。3）译码网络：用来实现2 n-1.20。4）基准电源：保证系数K的一致性，要求精度高。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)D/A转换器的主要技术指标1.转换精度 （1）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。电路所能分辨的最小输出电压ULSB（输入的数字代码最低有效位为1，其余各位都为0）与满刻度输出电压Um（输入的数字代码的各位均为1）之比，即分辨率=中北大学电子信息工程系数字电子技术第七

4、章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)例如，n=10的D/A转换器的分辨率为1/1023=0.000987 若Um=5V，则ULSB=5* 0.000987 =5mV。分辨率还可以直接用输入数字量的位数来表示。 输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示D/A转换器的分辨率。此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)（2）转换误差）转换误差绝

5、对误差和非线性误差绝对误差和非线性误差绝对误差输入端加满刻度的数字量时，D/A转换器输出的理论值与实际值之差，一般来说，绝对误差应低于USLB/2。其影响因素主要有电子开关导通的电压降、电阻网络阻值偏差、参考电压偏离、集成运放漂移产生的误差。非线性误差在满刻度范围内偏离转换特性的最大值称为非线性误差。它与满刻度之比称为非线性度，常用百分比表示。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)2.转换速度（1）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。（2）转换速率（SR）

6、在大信号工作状态下模拟电压的变化率。3. 温度系数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。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)根据译码网络的不同 权电阻网络型 T型电阻网络型 倒T型电阻网络型权电流型3、D/A转换器的分类中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)7.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器1 组成及其工作原理中北大学电子信息工程系数字电

7、子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)如果是n位的D/A转换器，则UO的表达式为：Uo=-VREF/2n（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+d1*21+d 0*2 0） 倒T型电阻网络D/A转换器的特点是：（1）模拟开关在地与虚地之间转换，不论开关状态如何变化，各支路的电流始终不变，因此，不需要电流建立时间。（2）各

8、支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态过程中传输电压的尖峰脉冲。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter) 以国产5G7520为例，n=10。采用倒T型电阻译码网络和CMOS模拟电子开关。反馈电阻RF=10K已集成在片内，求和运算放大器A，基准电源（-10V+10V）及模拟开关的电源（+5V+15V）均需外接。2.集成D/A转换器中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七

9、章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)7.2.3 CMOS 模拟电子开关1 、要求 在D/A转换器中使用的模拟电子开关是受输入数字信号的状态控制的，因为传输的是模拟信号，所以要求模拟开关应接近于理想开关，其接通和 断开应不影响被传送模拟信号的数值。CMOS电子开关双极型电子开关前面第二章讲双向模拟开关，但它能够传输的是电压信号，而我们现在需要传送的是电流信号。2、 分类3、 CMOS模拟电子开关中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)3.CMOS 模拟电子开关中北大学电子信息工程系数字电

10、子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)3.CMOS 模拟电子开关 若d1=1，则VN1 截止，VN2导通，流过2R的电阻流入反馈电阻。若d1=0，则 VN2 截止，VN1导通，流过2R的电阻流入地。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)D/A转换器8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于R2RT型电阻网络型。刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A conver

11、ter)7.3 A/D转换器转换器7.3.1 A/D转换器的步骤及分类A/D转换的一般步骤 模拟信号在时间上是连续的，我们不可能对所有的时间点的信号进行采样，只能在一系列选定的瞬间（即时间坐标轴上的一些规定点）对输入的模拟信号采样，将这些特殊点的模拟量转换成数字量。通常A/D转换须经过采样、保持和量化、编码这两大步骤完成。（1）采样、保持 到底采多少个点或者说隔多长时间采样一次，应以采样后的信号能不失真地反映原来的信号。对于一个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频率为max2iSff中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A conver

12、ter)其中fs为采样频率，fimax为输入模拟信号的上限值。通常选择采样频率fs=（2.53）fimax，应该是采样频率越高越好，但要付出代价，如外接的存储器的容量要大（1024*8，1024*8*2）。 由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲，而要把一个模拟采样信号 数字化需要一定的时间，因此在前后两次采样之间，应将采样的模拟信号保持下来，否则采样的模拟信号已发生了变化。可见，进行可见，进行A/D转转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。值。采样保持电路的电路图如下所示：采样保持电路的电路图如下所示：中北大学电子信息工程系数字

13、电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)还是上一个例子，这种方法产生的最大误差为1/15V。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)RRifIvLvTAChvoChULUIA1A2中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)步骤：步骤：（1）采样时，使）采样时，使UL为高电平，为高电平，S闭合，闭合，

14、UO=UI，此时，此时，UCH=UI。（2）采样结束时，）采样结束时，S断开，由于断开，由于A2的输入阻抗很高，的输入阻抗很高，Ch上的电压基本保持不变上的电压基本保持不变（3）当下一个采样控制信号到来后，）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合，电又闭合，电容容Ch上的电压又跟随此时的输入信号上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。而变化。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter) 采样保持电路的输出信号已成阶梯状，但阶梯幅值仍是连续可变的。要想变成数字量，就需要把幅值进行量化，就类似于用尺子去度量一根绳子，然后取整。量化就

15、是将离散的阶梯幅值转化为某规定的最小单位的整数倍。量化的方法有两种，一种是只舍不入，另一种是有舍有入。只舍不入的方法是：取最小量化单位 =Um/2n，将0 之间的模拟电压归并到0将 2 之间的模拟电压归并到1依次类推。这种方法产生的最大量化误差为 。（2）量化、编码中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)例：将01V的模拟电压转换成3位二进制数。按前面所讲 =Um/8。这种方法产生的最的误差为1/8V。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)有舍有入的

16、方法是：取最小量化单位 =Um/（2n-1），将0 /2之间的模拟电压归并到0 ，将 /2 3/2之间的模拟电压归并到1 ，依次类推，这种方法产生的最大量化误差为 /2。 中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)2. A/D转换器的分类A/D转换器的种类很多，但从转换过程看可以分为两大类： 并联比较型A/D转换器 直接型 反馈比较型 计数型 逐次渐进型 间接型 电压时间变换（U-T）型积分型 电压频率变换（U-F）型直接型特点：工作速度高，调整较方便。间接型特点：速度较慢，但精度可以做得较高，且抗干扰性强。中北大学电子信息

17、工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)学习目的：学习目的：逐次渐进型A/D转换器属直接型A/D，通过这部分内容的学习，同学们一要掌握A/D转换器的原理，二要掌握数字时序逻辑电路的的分析方法，为今后分析和设计更复杂的电路打基础。1、工作原理：类似天平称物体的原理。天平的一端放被称的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个 比一个小一半。称重时，将各种重量的砝码从大到小逐一放在天平上加以试探，经天平比较加以取舍，一直到天平基本平衡为止。这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。7.3.2 逐次渐进型A/D转换器中北

18、大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter) 顺序脉冲发生器:依次产生各种重量的砝码。组成：控制电路：决定本次所放砝码的取舍。 寄存器：把顺序脉冲发生器和控制电 路处理后的二进制数暂时存放起来。 D/A转换器：寄存器输出的数字量转换成模拟量。 电压比较器：将D/A转换器的输出电压与被 转换的电压进行比较，输出用来控制控制电路。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A co

19、nverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)结论：结论：3位A/D转换器转换完成用了5个CP脉冲，n位A/D转换器用n+2个脉冲。优点：优点：精度高，转换速度快，转换时间固定简化了与计算机同步，所以常常用作微机接口。2、常用的A/D转换器芯片有ADC0809、ADC0804、AD574A。仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D转换器外，还有8路模拟开关以及地址锁存与译码，有三条地址输入线ADDA、ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器。中北大学电子信

20、息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)UI3UI4UI5UI6UI7STARTEOCD3OECLKVCC+VREFGNDD1UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0-VREFD212345678910111213142827262524232221201918171615中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter) 它属于间接型。基本原理是：通过两次 积分，先把模拟电压UI转换成与之大小相对应 的时间T，再在时间间隔T内用计数频率不变的 计数器计数，计数器所计数字量就正比于输入模拟电压。7.3.3 双积分型A/D转换器中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)1、原理框图中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)2、工作原理uc中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章 A/D 与 D/A转换