第7章模数与数模转换(4h)

1、1宋绍民宋绍民第第7章章 数模与模数转换数模与模数转换勤学勤学 务实务实 园融园融 卓越卓越数字电子技术数字电子技术2本章内容提要本章内容提要u 数模、模数转换概述数模、模数转换概述u 数数-模转换器模转换器(DAC, Digital - Analog Converter)u 模模-数转换器数转换器(ADC, Analog - Digital Converter )数字电子技术数字电子技术3一、用途与要求一、用途与要求1、A/D与与D/A转换器概述转换器概述p ADC用于将模拟量转换成数字量，用于将模拟量转换成数字量，DAC用于将数字量转换成模拟量。用于将数字量转换成模拟量。p ADC和和DA

2、C是联系数字系统与模拟系统的桥梁。是联系数字系统与模拟系统的桥梁。p 实际应用中，对实际应用中，对A/D和和D/A转换过程一般都有精度和速度两方面的要求。转换过程一般都有精度和速度两方面的要求。 温温度度时间时间传感器传感器 放大器放大器 A/D 转换转换 微型计算机微型计算机 控制控制 对象对象 D/A 转换转换 电加热炉电加热炉 热电偶热电偶 执行机构执行机构 电炉电炉温度计算机控制系统温度计算机控制系统 数字电子技术数字电子技术4二、种类二、种类1、A/D与与D/A转换器概述转换器概述DACDACD/AA/DDACVTDACVFDAC权权电电阻阻网网络络并并联联比比较较型型倒倒T T形形

3、电电阻阻网网络络直直接接型型反反馈馈比比较较型型权权电电流流型型变变换换型型间间接接型型开开关关树树型型变变换换型型权权电电容容网网络络数字电子技术数字电子技术5一、基本原理一、基本原理2、D/A转换器转换器输入数字量：输入数字量： D/A 转换器转换器 -1Dn-2Dn1D0Dou数数字字输输入入 模拟输出模拟输出 结论结论：输出模拟量：输出模拟量 uo 与输入数字量与输入数字量 D 成正比。成正比。式中，式中，是是 DAC能输出的最小电压值，称为能输出的最小电压值，称为 DAC的的单位量化电压单位量化电压，它等，它等于于 D 最低位最低位(LSB)为为 1、其余各位均为、其余各位均为 0

4、时的模拟输出电压时的模拟输出电压(用用 ULSB 表示表示)。-1-1020D(DD )D2ninii 输出模拟量：输出模拟量：-10DD2nioiiu 注意注意：有些：有些DAC以电流作为模拟量输出以电流作为模拟量输出 ，称为电流型，称为电流型DAC。数字电子技术数字电子技术6二、电路实现方案二、电路实现方案2、D/A转换器转换器p 电路结构：电路结构： 1、权电阻网络、权电阻网络DAC 权电阻网络权电阻网络 模拟电子开关，模拟电子开关，Si受输入数字受输入数字di控制：控制：di=0 时时 Ii0；di1 时时Ii流入求和放大器。流入求和放大器。 理想求和放大器，运算放大器理想求和放大器，

5、运算放大器满足虚短和虚断原则。满足虚短和虚断原则。 数字电子技术数字电子技术72、D/A转换器转换器p 转换原理：转换原理： , , REFREF0132REFREF2310VVII2 R2 RVVII2 R2 R：权权电电流流0I00I，iiiidd 时时时时流流向向 点点 () OF3210REF321032104RVR(IIII )2V22222：输输出出电电压压 idddd 数字电子技术数字电子技术82、D/A转换器转换器p 权电阻网络权电阻网络DAC的特点：的特点： 权电阻权电阻 D/A 转换器的优点是电路转换器的优点是电路简单简单，转换，转换速度速度也比也比较快较快；它的缺点是各个

6、；它的缺点是各个电阻的电阻的阻值相差很大阻值相差很大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，随之增加，难以保证电阻精度难以保证电阻精度的要求，这给电路的的要求，这给电路的转换精度带来很大影响转换精度带来很大影响，也也不利于集成化不利于集成化。 数字电子技术数字电子技术92、D/A转换器转换器p 电路结构：电路结构： 2、倒、倒T形电阻网络形电阻网络DAC倒倒 T 型电阻网型电阻网络，电阻种类减络，电阻种类减少至两种少至两种。 1) 无论无论开关倒向开关倒向如何如何，从从 A、B、C、D 往左看，往左看，各点对地的各点对地的等效电

7、阻都是等效电阻都是 R。 2) 无论开关倒向如何，总电流无论开关倒向如何，总电流 I 总保持总保持I=VREF/R 不变。不变。 数字电子技术数字电子技术102、D/A转换器转换器p 转换原理：转换原理： 3210REFREF32103210441IIIII248160IVV1VRR(2222 )DR22，时时流流入入时时流流入入地地端端 iiiiodiidddddidddd1REFREF=0REFVVV2D22D22VV2 nioinninnondREFoVV“ ”“”取取 负负 则则为为 正正推广至推广至n位输入，则有：位输入，则有： 数字电子技术数字电子技术112、D/A转换器转换器p

8、原理：以输入为原理：以输入为3位二进制补码为例位二进制补码为例(最高位为符号位最高位为符号位,正数为正数为0,负数为负数为1) 3、具有双极性输出的、具有双极性输出的DAC提出背景：当输入数字量有提出背景：当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压也对应有极性时，希望输出的模拟电压也对应有。 补码输入补码输入 D2 D1 D0 对应的对应的 十进制十进制 要求的要求的 输出输出 0 1 1 +3 +3V 0 1 0 +2 +2V 0 0 1 +1 +1V 0 0 0 0 0V 1 1 1 -1 -1V 1 1 0 -2 -2V 1 0 1 -3 -3V 1 0 0 -4 -4V 原码输入原码输入

9、 D2 D1 D0 对应的对应的 输出输出 偏移后偏移后 的输出的输出 1 1 1 +7V +3V 1 1 0 +6V +2V 1 0 1 +5V +1V 1 0 0 +4V 0V 0 1 1 +3V -1V 0 1 0 +2V -2V 0 0 1 +1V -3V 0 0 0 0V -4V 比较后发现，通过两步即可实现双极性输出：比较后发现，通过两步即可实现双极性输出：1)将输出偏移将输出偏移4V，使输入为，使输入为100时的输出为时的输出为0；2)将补码的最高位将补码的最高位(符号位符号位)取反作为高位输入。取反作为高位输入。 数字电子技术数字电子技术122、D/A转换器转换器p电路实现：电

10、路实现： 符号位取反符号位取反作高位输入作高位输入REFB210B2103BREFB210REFB2103BVR VVR II(222 )2RVV8V8VIV(222 )VR2R2：，oodddddd 电电路路输输出出若若设设则则 实现输出偏移实现输出偏移例如，分别输入补码例如，分别输入补码011和和111时，对应的输出电压分别为时，对应的输出电压分别为+3V和和1V。数字电子技术数字电子技术13三、三、DAC的主要性能参数的主要性能参数2、D/A转换器转换器p DAC转换精度的表示方法转换精度的表示方法 1) 理论精度：即理论精度：即DAC的分辨率，指的分辨率，指DAC能够能够 输出的最小模

11、拟量。通常用输入数字量的二输出的最小模拟量。通常用输入数字量的二 进制数码位数表示。进制数码位数表示。 2) 实际精度：指实际精度：指DAC实际输出的模拟量与理实际输出的模拟量与理 想情况下输出模拟量之差。通常用最低有效想情况下输出模拟量之差。通常用最低有效 位的倍数来表示，但有时也用绝对误差与输位的倍数来表示，但有时也用绝对误差与输 出电压满刻度的百分数来表示。出电压满刻度的百分数来表示。1、DAC的转换精度与误差分析的转换精度与误差分析数字电子技术数字电子技术142、D/A转换器转换器2、DAC的转换速度的转换速度p DAC误差分析误差分析 1) 参考电压误差：参考电源输出电压不稳而引起的

12、误差；参考电压误差：参考电源输出电压不稳而引起的误差； 2) 漂移误差：运算放大器零点漂移而引起的误差；漂移误差：运算放大器零点漂移而引起的误差； 3) 非线性误差：模拟开关导通电阻不为非线性误差：模拟开关导通电阻不为0和电阻网络的阻值偏差与阻值不和电阻网络的阻值偏差与阻值不 一致而引起的误差。一致而引起的误差。 4) 以上误差合成后，造成了以上误差合成后，造成了DAC的实际输出与理想输出不符。的实际输出与理想输出不符。p DAC的转换速度通常用其建立时间来表示。的转换速度通常用其建立时间来表示。p 建立时间是指从数字量输入开始，到获得稳定的模拟量输出为止所需要建立时间是指从数字量输入开始，到

13、获得稳定的模拟量输出为止所需要 的时间。的时间。p 建立时间越短，建立时间越短，DAC转换速度越快。转换速度越快。数字电子技术数字电子技术15一、一、A/D转换过程转换过程3、A/D转换器转换器p A/D转换过程：完成一次转换过程：完成一次A/D转换转换通常需要经历采样通常需要经历采样(Sample)、保持、保持(Hold)、量化量化(Quantify)和编码和编码(Encode)四个过程。四个过程。 p 采样保持采样保持(S/H)与采样定理：与采样定理： Sfif 采样采样/保持的作用：将连续变化的模拟输入保持的作用：将连续变化的模拟输入转换成脉冲序列转换成脉冲序列输出；输出； 采样采样/保

14、持的要求：根据脉冲序列能实现对原模拟输入的不失真还原。为此，保持的要求：根据脉冲序列能实现对原模拟输入的不失真还原。为此，香农提出了著名的采样定理：香农提出了著名的采样定理： 。一般取。一般取S(max)2iff (max)(3 5)Siff数字电子技术数字电子技术163、A/D转换器转换器采样采样/保持芯片保持芯片LF198内部结构图内部结构图引脚接线图引脚接线图数字电子技术数字电子技术173、A/D转换器转换器p 量化与编码：量化与编码：1) 量化：将采样电压表示为最小数量单位量化：将采样电压表示为最小数量单位()的整数倍的过程。的整数倍的过程。2) 编码：用代码编码：用代码(二进制，二十

15、进制二进制，二十进制)来表示量化结果的过程。来表示量化结果的过程。3) 量化误差：当采样电压不能被量化误差：当采样电压不能被整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差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

16、=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）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

17、（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）1量量化化编编码码方方法法( )( )2量量化化编编码码方方法法( )( )数字电子技术数字电子技术18二、直接型二、直接型A/D转换器转换器3、A/D转换器转换器p 电路结构：电路结构：1) 8个电压比较器实现量化；个电压比较器实现量化；2) 8位寄存器保存量化结果；位寄存器保存量化结果；3) 8-3线编码器实现编码。线编码器实现编码。1、并联比较型、并联比较型ADC (以以8位为例位为例)RV151RV153RV155RV157RV159RV151

18、1RV1513p 转换过程：输入转换过程：输入量化量化 编码。例如，编码。例如， RRI1111VV15150111111110：v输输入入量量化化结结果果编编码码输输出出数字电子技术数字电子技术193、A/D转换器转换器p 特点：特点：1)快：快：CP触发信号到达到输出触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒；稳定建立只需几十纳秒；2)精度：受参考电压、分压网精度：受参考电压、分压网络等因素影响；络等因素影响；3)有存储器，不需要有存储器，不需要S/H电路；电路；4)电路规模：电路规模：n位需要位需要2n-1个比个比较器和触发器。较器和触发器。数字电子技术数字电子技术203、A/D转换器转换器

19、p 计数型计数型ADC：2、反馈比较型、反馈比较型ADC转换原理转换原理：取一个：取一个“D”加到加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，此时的的大小，到相等为止，此时的D即即为所求值。为所求值。特点特点：1) 简单；简单；2) 慢，转换一次最多需要慢，转换一次最多需要2n-1个个TCP。数字电子技术数字电子技术213、A/D转换器转换器p 逐次逼近型逐次逼近型ADC：特点特点：1) 电路不太复杂；电路不太复杂； 2) 转换速度较快，转换速度较快， 最多只需比较最多只需比较n次。

20、次。转换原理转换原理：类似天平称重：类似天平称重1)先将最高位置先将最高位置12) 再将次高位置再将次高位置1，重复，重复 以上步骤。以上步骤。3)如此循环，直到所有位如此循环，直到所有位比较完毕。比较完毕。,OIOIVV1VV10则则 保保留留若若则则去去 为为数字电子技术数字电子技术223、A/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型ADC实例：实例：100003位：位：5个个CPn位位: ( n+2)个个CP数字电子技术数字电子技术23三、间接型三、间接型A/D转换器转换器3、A/D转换器转换器p 电路原理：电路原理：1、双积分型、双积分型(V-T变换型变换型)ADCp 转换思想：先将转换思想

21、：先将V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后用这个时间控转换成与之成正比的时间宽度信号，然后用这个时间控制计数器对固定频率脉冲进行计数。制计数器对固定频率脉冲进行计数。p 转换过程：转换过程：1) 起始状态：计数器清零，起始状态：计数器清零，S0闭合；闭合；2) 用用VL断开断开S0，开始转换：，开始转换： 第一步：控制第一步：控制S1VI的时间固定为的时间固定为T1,并保持并保持T1期间内期间内VI不变，则积分器此期不变，则积分器此期间内的输出：间内的输出： 第二步：控制第二步：控制S1VREF让积分器作反让积分器作反向积分，直到向积分，直到Vo0。积分器输出：。积分器输出：1TI1oI0I

22、VT1VRV()VCRC dt数字电子技术数字电子技术243、A/D转换器转换器p 转换过程：转换过程：2TREFI1o12I0REFVVT1VT0 TVCRRCVdt1) 起始状态：计数器清零，起始状态：计数器清零，S0闭合；闭合；2) 用用VL断开断开S0，开始转换：，开始转换： 第一步：控制第一步：控制S1VI的时间固定为的时间固定为T1,并保持并保持T1期间内期间内VI不变，则积分器此期不变，则积分器此期间内的输出：间内的输出： 第二步：控制第二步：控制S1VREF让积分器作反让积分器作反向积分直到向积分直到Vo0，实现，实现V-T转换。此转换。此期间内积分器输出：期间内积分器输出：1

23、TI1oI0IVT1VRV()VCRC dt若在若在S1VREF让积分器作反向积分的同时，启动计数器对频率为让积分器作反向积分的同时，启动计数器对频率为fCP的时钟脉冲进的时钟脉冲进行计数，直到积分器输出行计数，直到积分器输出Vo0止，则止，则T2期间内的计数结果：期间内的计数结果：12CPICPREFTDTVT Vf数字电子技术数字电子技术253、A/D转换器转换器p 工作波形：工作波形：IoVVRC t12CPICPREFTDTVT VfREFIo1VVVTRCRCt1CPIREFNTNTDVV，若若令令则则数字电子技术数字电子技术263、A/D转换器转换器p电路实现：电路实现：1CPIR

24、EF2T2 TDVVnn数字电子技术数字电子技术273、A/D转换器转换器2、 V-F变换型变换型ADCoutIV f outIIGoutVDVDT ff数字电子技术数字电子技术28四、四、ADC的主要性能指标的主要性能指标3、A/D转换器转换器p 用转换时间来表示。用转换时间来表示。p 转换时间是指从开始转换到获得稳定数字转换结果为止所经历的时间。转换时间是指从开始转换到获得稳定数字转换结果为止所经历的时间。p 转换速度与转换速度与ADC的电路结构类型有关：的电路结构类型有关： 1) 并联比较型：并联比较型：1微秒微秒; 2) 逐次渐近型：逐次渐近型：10100微秒微秒/次次; 3) 双积分

25、型：几十毫秒双积分型：几十毫秒/次次.1、转换速度、转换速度2、转换精度、转换精度p 有理论精度和实际精度之分。有理论精度和实际精度之分。p 理论精度：即理论精度：即ADC的分辨率。的分辨率。 1) 分辨率指分辨率指ADC所能分辨的最小模拟输入或输出变化所能分辨的最小模拟输入或输出变化1LSB时的模拟输入。时的模拟输入。 2) 通常用通常用ADC的数字量位数表示。位数越多，分辨率越低，精度越高。的数字量位数表示。位数越多，分辨率越低，精度越高。数字电子技术数字电子技术293、A/D转换器转换器2、转换精度、转换精度p 有理论精度和实际精度之分。有理论精度和实际精度之分。p 理论精度：即理论精度

26、：即ADC的分辨率。的分辨率。 1) 分辨率指分辨率指ADC所能分辨的最小模拟输入或输出变化所能分辨的最小模拟输入或输出变化1LSB时的模拟输入。时的模拟输入。 2) 通常用通常用ADC的数字量位数表示。位数越多，分辨率越低，精度越高。的数字量位数表示。位数越多，分辨率越低，精度越高。p 实际精度：也称转换误差。实际精度：也称转换误差。 1) 转换误差即实际输出数字量与理论输出数字量之间的差别。转换误差即实际输出数字量与理论输出数字量之间的差别。 2) 通常用输出误差最大值的形式表示。通常用输出误差最大值的形式表示。30宋绍民宋绍民数字电子技术数字电子技术31本章小结本章小结 本章对联系数字系统与模拟系统的两种器件本章对联系数字系统与模拟系统的两种