数模及模数转换课程课件

1、第十章 数 / 模 、 模 / 数 变换器10. 1 概述10. 2 数 / 模转换器10. 3 模 / 数转换器 10.1 概述计算机模拟信号模拟信号A / DD / AA / D ：Analog to DigitalD / A ：Digital to Analog 10. 2 数 / 模 转换器 ( DAC )10. 2. 3 T型电阻网络型 10. 2. 1 权电阻网络型 10. 2. 2 权电流型 10. 2. 4 D/A变换器的主要技术指标10. 2. 5 集成 DAC 0832及其应用10. 2. 1 权电阻网络型 D / A 转换器 ：VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2

2、I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3所谓“权电阻”， 是指电阻值的大小， 与有关数字量的权重密切相关。10. 2. 1 权电阻网络型 D / A 转换器 ：VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3电子开关 ：Dn = 1 时，Sn 接VREF ；Dn = 0 时，Sn 接地端 。 T2 管饱和导通，T1T2SDa模拟电子开关的简化原理电路 当 D = 1 时，1T2Sa0T1S S 点与 a 点相通 ，T1 管截

3、止 ， 而 a 点在电路中和VREF连 。 T2 管截止，T1T2SDa模拟电子开关的简化原理电路 当 D = 0 时，0T2Sa T1 管饱和导通，1T1SS 点与地相通 。VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)23R22R21R20RVREFI1 = 2I0 I2 = 4I0I3 = 8I0当 D3D2D1D0 = 1111时 ：S0S1S2S3D3D2D1D0(LSB)(MSB)I = I0 + I1 + I2 + I3最低位最高位I0 =VREF23 R参考电压VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R

4、21R20RIR / 2(MSB)(LSB)I = I0 + I1 + I2 + I3=VREF23R( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 )VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)uo = - IR / 2 VREF24= - ( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 )10. 2. 2 权电流网络型 D / A 转换器 ：+-uoR- VREFI/16I / 8I / 4I / 2S0S1S2S3iID0D1D2D3uo I R24( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 )= 每

5、个支路电流的大小，与有关数字量的权重密切相关。10. 2. 3 T形解码网络D / A转换器( 以4位为例 )+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0IABCD通过详细的推导分析， 即可获得模拟输出电压 uo 与数字量以及电路中其它参数的关系。I = I3 + I2 + I1 + I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=UR RF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR

6、3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0IABCD URRRR2R2R2R2R+-AuoS2S3S1S0RFI2RI / 8I / 4I / 2iII 16I 16D0D1D2D3倒T型电阻网络D / A转换器10. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标一、分辨率 用输入数字量的有效位数来表示分辨率。此外， 也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压 (此时输入的数字代码只有最低有效位为 1，其余各位都是 0 ) 与最大输出电压 (此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比来给出分辨率 。例如，对一个十位D/A转换器来说 ，210 1110231 0. 0

7、01 二、转换误差7. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标 转换误差通常用输出电压满刻刻度FSR ( Full Scale Range ) 的百分数表示 。 例如 ，给出转换误差为 LSB ，21 这就表示输出模拟 电压的绝对误差等于输入数字代码为 0001 时输出电压的一半 。 造成转换误差的原因主要有 ：参考电压 VREF的波动 ；运算放大器的零点漂移 ；模拟开关的导通内阻和导通电压 ；电阻网络中的电阻值偏差 ；.10. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标三、D/A转换器的转换速度 为了便于定量地描述D/A转换器的转换 速度 ， 定义了建立时间 tS 和转换速率 SR两 个参数 。1.

8、 建立时间 tS 通常以大信号工作情况下 ( 输入由全 0 变为全 1 或者由全 1 变为 全 0 )输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间 tS 。 建立时间最短的可达 0. 1s 。 这个参数的值越小越好 。10. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标三、D/A转换器的转换速度2. 转换速率 SR 转换速率 SR 以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示 。 D/A转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升(或下降)时 间两部分 ， 它的最大值为TTR(max) = tS + VO(max) / SR其中 VO(max) 为输出电压的最大值 。10. 2. 5 集成

9、 DAC 0832及其应用 D/A转换器集成电路有多种型号。下面仅以DAC0832为例来介绍集成电路 D/A 变换器。 它是八位的 D/A 转换器，即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。 下图是它的封装管脚图和内部电路图：CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDLCEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC 0832 管脚分布图八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)DAC八位变换器URRIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA

10、/DD7D0.11ADC 0832 简化电路框图八位变换器A/DRf BIout1Iout2AGNDDGNDURD7D0.八位寄存器(1)输入寄存器八位(2)DACCSWR1ILEXFERWR2VCCuo运放需要外接八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)DAC八位变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11八位寄存器(1)输入寄存器八位(2)DACD7D0. 输入数据先存放在寄存器(1) 中， 而输出的模拟值由存 放在寄存器(2)内的数据决定。 当把数据由输入寄存器(1)转存到DAC寄存器 (2)以后， 输入寄存器(1)就可以

11、接受新数据而不影 响模拟输出值。该结构便于多路DAC同时工作。八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)DAC八位变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11CSWR1ILE当这三个控制端均有效时，LE1LE1端才有效 ， 否则 就不随数据总线而变化 。WR1变高时 ，八位输入寄存器便将输入数据锁存 。 寄存器(1)的输出随其输入变化， 八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)DAC八位变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11CSWR1ILELE1XFERWR2

12、当这两个控制端均有效时，LE2端才有效 ，WR2变高时 ，八位DAC寄存器便将输入数据锁存 。LE2 寄存器(2)的输出随其输入变化， 例. 单步输入操作 - 适用于单个DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-+.1(a)D7 D0CSWR1数据存入数据 锁定( b)10. 3 模 / 数 转换器 ( ADC ) 10. 3. 2 并联比较型 10. 3. 3 逐次逼近型 10. 3. 4 A / D 转换器的主要技术指标 10. 3. 5 集成 ADC0804 及其应用 10. 3. 1 采样定理 因为输入的模拟量在时间上是连续的， 10. 3. 1 采样

13、定理 在A / D转换中， 而输出的数字信号是离 散量， 所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间 (亦即瞬间坐标轴上的一些规定点) 对输入的模拟信号采样， 然后再把这些采样值转换为输出的数字量 。A / D 转换过程应包括 ：采样、保持、量化、编码 这四个步骤 。0tui1. 采样定理0tui 为了保证能从采样信号将原来的被采样信号恢复，必须满足fS 2 f i maxfS ： 采样频率 。 f i max ： ui 的最高频分 量的频率 。2. 量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且，数值大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最 小数量单位的整数倍。因此

14、 ， 在进行 A / D 转换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的整数倍。这个转化过程就叫做 “量化”， 所取的最少数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位的 1 代表的数量 大小就等于 。 把量化的结果用代码 (二进制或二 十 进制 )表示出来，称为 “ 编码 ” 。3. 采样 保持电路T+-uouiULR1RFCF当 UL为高电平时，MOS管T导通，ui 经电阻 R1和管T向电容 CF充电 。当 UL为低电平时，MOS管T截止，忽略各种漏电流，电容CF上的电压得以保持 。 10. 3. 2 并联比较型-+-+-+-+-+-+-+uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出AG

15、FECDB编码器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8 电路如左图所示， 它由三部分组成： 这种A/D 变换器的优点是转换速度快，缺点 是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。 分压器、ERRRRRRRR7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8比较器、和编码器。D2D1D0数字输出AGFECDB编码器+-+-+-+-+-+-+-+ux比较器输出E ux 7E / 87E / 8 ux 6E / 86E / 8 ux 5E / 85E / 8 ux 4E / 84E / 8 ux 3E / 83E / 8 ux 2E / 82E / 8 ux 1E / 81E /

16、8 ux 0ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表 设待秤重量 Wx = 13克， 10. 3. 3 逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。 若有四个砝码共重15克，每个重量分别为 8、4、2、1克 。 可以用下表步骤来秤量 ：砝码重暂时结果 结 论第一次8 克砝码总重 待测重量Wx ，8 克第二次加4克砝码总重仍 待测重量Wx ，12 克第四次砝码总重 待测重量Wx ，加1克13 克 故保留 故保

17、留 故撤除 故保留1000移位寄存器1000数码寄存器A / Duo清 0、置数控制逻辑ux(待转换的模拟电压)uc时钟清 0、置数“1”状态是否保留控制端CP、(移位命令)逐次逼近型 ADC工作过程展示 10. 3. 4 A / D 转换器的主要技术指标 一、分辨率： 以输出二进制代码的位数表示分辨率。 位数越多，量化误差越小，转换精度越高。 二、转换速度： 完成一次 A / D转换所需要的时间， 即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。 三、相对精度： 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。 四、其它： 功率、 电源电压、 电压范围等。 10. 3. 5 集成 ADC

18、0804 及其应用 A / D转换组件有多种型号可供选择， 如：高速的， 高分辨率的， 高速且高精度的等等。 使用者可根据任务要求进行选择。 下面以 ADC0804 为例 ， 介绍集成电路 A / D 变换器。 ADC 0804 是分辨率为八位的模数转换组件， 采用逐次逼近型工作原理。D7D0+-控制逻辑时 钟CP电阻网络及电子开关数据寄存器移位寄存器八位三态输出锁存器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND+-WRCSINTRRDCS11ADC0804 内部电路框图电压跟随器电压比较器.CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1234567891019181716