数电第8数模和模数转换器

1、概述第 8 章数模和模数转换器 本章小结A/D 转换器D/A 转换器 8.1 概述 主要要求： 理解数模和模数转换器的概念和作用。 一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。 模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器 Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。 模拟量数字量 模拟量数字量传感器

2、被控对象 自然界物理量为何要进行数模和模数转换？ 二、数模和模数转换器应用举例数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器生 产 控 制 对 象 DACADC二、数模和模数转换器应用举例 主要要求： 了解数模转换的基本原理。 了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。 了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的电路与工作原理。 8.2 D/A 转换器 一、数模转换的基本原理 输出模拟电压 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0

3、 20 ) 可见，uO D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn 位二进制数输入模拟电压输出一、数模转换的基本原理 LSB Least Significant Bit 输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。组成：1）求和运算放大器：2）模拟开关：3）译码网络：4）基准电源：实现求和。通常接成反相比

4、例求和。控制d=0或d=1时，求和电路的项数。用来实现2 n-1.20。保证系数的一致性，要求精度高。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR (一) 电路组成与转换原理 二、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC 由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称 I/U 转换电路)组成。模拟开关 Si 打向“1”侧时，相应 2R 支路接虚地；打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22R

5、I3RRRABC从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 模拟开关 Si 受相应数字位 Di 控制。当 Di = 1 时，开关合向“1”侧，相应支路电流 Ii 输出；Di = 0 时，开关合向“0”侧， Ii 流入地而不能输

6、出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0对 n 位 DAC， uO= - D 若取 RF = R， 则uO= - D n 位 DAC 将参考电压 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。调节 VREF 可调节 DAC 的输出电压。uO= - D 三、常用 DAC 的类型和主要参

7、数 (一) 常用 DAC 的类型 常用 DAC 主要有权电阻网络 DAC、 R - 2R T 形电阻网络 DAC、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换精度高，性能最佳。 (二) 主要参数 1. 分辨率 DAC 的最小输出电压变化量，也即 DAC 的最小输出电压值 表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均为 1例如，一个 10

8、位的 DAC，分辨率为 0.000 978。DAC 的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。 3. 转换时间指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。2. 转换精度 指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。 通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。四、模拟电子开关1 、

9、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。2、 分类CMOS电子开关双极型电子开关3、 CMOS模拟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。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。四、集成 DAC应用举例五、集成 DAC 应用举例1. 集成 DAC 简介 常用集成 DAC 有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，

10、常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。 2. 8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7524 简介数据锁存器20 k20 k20 k20 k20 k10 k10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端 VREF 可正可负 片选控制端 电源电压范围 + 5 V + 15 V 8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。MSB 表示最高位，

11、LSB 表示最低位。接地端 内部反馈电阻 RF 的引出端 两个输出端，一般将 OUT2 接地，OUT1 接运放反向端。 写信号控制端 例右图为 CDA7524 的单极性输出应用电路。图中电位器 R1 用于调整运放增益，电容 C 用以消除运放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，试求满度输出电压及满度输出时所需的输入信号。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR解： 当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时

12、，输出为满度值。uO = - UFSR - 9.961 V。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。主要要求：了解模数转换的基本原理。了解 A/D 转换器的主要参数。 了解常用 A/D 转换器。8.3 A/D 转换器 一、A /D 转换的基本原理和一般步骤 “ ”表示取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输入信号n 位二进制数输出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。采样

13、：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。A /D 转换的一般步骤 uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量ChULUIA1A2步骤：（1）采样时，使UL为高电平，S闭合，UO=UI，此时，UCH=UI。（2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高，Ch上的电压基本保持不变。（3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合，电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。采样信号是否会丢失原信号的信息呢？对信

14、号进行量化会引起误差吗？量化误差大小与 ADC 的位数、基准电压 VREF 和量化方法有关。 采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。 量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB 整除， 量化时舍去余数而引起的误差。 划分量化电平的两种方法最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 =

15、7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V只舍不入VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000000000u

16、I电阻构成分压器 VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000001001uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000011010uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000111011uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1

17、D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0001111100uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0011111101uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0111111110uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 1

18、111111111uI三、常用 ADC 的类型和主要参数 (一)常用 ADC 的类型 常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。 A/D转换器直接型间接型并联比较型反馈比较型计数型逐次渐进型电压时间变换型积分型(U-T)电压频率变换型(U-F)指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。 (二) 主要参数 2. 相对精度(又称转换误差) 指 ADC 输出数字量的最低位变化一个

19、数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率 例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。 例如 转换误差不大于 1/2 LSB，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过 1/2 LSB。 3. 转换时间 转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型 双积分型 数十 ns 数十 s 数十 ms 指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。四、逐次渐进型A/D转换器学习目的：逐次渐进

20、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。组成：顺序脉冲发生器:依次产生各种重量的砝码。 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

21、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。 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：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。UI3UI4UI5UI6UI

22、7STARTEOCD3OECLKVCC+VREFGNDD1UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0-VREFD212345678910111213142827262524232221201918171615五 双积分型A/D转换器它属于间接型。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，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。2、工作原理1）初始化：令US=0。则Fn-1F n-1.F1F0FC=00000；D1=1，计数器不工作；D2=1，开关S0闭合使积分电容充分放电；由于QC=0，使开关S

23、1接至ui一侧。2）第一次积分阶段采样阶段。也叫定时积分。 令US=1，则D2=0开关S0断开；D1=/cp。 积分器在固定时间T1内进行积分，T1=2nTc3）第二次积分。开关S1接至-UR，积分器开始反向积分，计数器又从零开始计数，经过时间T2后积分电压回升到0，比较器输出uc为低电平，将门D1封锁，停止计数，转换结束。优点：具有较强的抗干扰能力，体现在以下两个方面。1、采用了测量输入电压在采样时间T1内平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1/n的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。在工业系统中，当选择T1为20ms的整数倍时，如T1=40 ms，因为50HZ工频干扰信号的周期为20ms，满足T1/n的要求，可很好地抑制工频干扰。2