ADDA转换教材课件

第十一章

数-模（D/A）和

模-数（A/D）转换第十一章

数-模（D/A）和

模-数（A/D）转换11.1概述一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁模

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数（A

/

D）转换:AnalogtoDigitalConverter（ADC）数

/

模（D

/

A）转换:DigitaltoAnalogConverter（DAC）数字计算机模拟系统A/DD/A二进制二进制线性线性存储分析控制物理生物化学11.1概述一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁模二、用途及要求传感器放大器A/D转换微型计算机控制对象D/A转换温度时间电加热炉热电偶执行机构传感器放大器A/D微型计算机控制D/A温度时间电加热炉热电偶三、常见数模、模数转换器应用系统举例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DAC…DAC…模拟控制器模拟控制器生产控制对象

DACADC物理量二进制信号模拟信号四、A

/

D、D

/

A转换器的精度和速度精度保证转换的准确性速度保证适时控制三、常见数模、模数转换器应用系统举例压力传感器温度传感器流五、分类五、分类D111101…D/AA(电压或电流)

？11.2D/A转换器（DAC）11.2.1D/A转换的基本要求DD/AA(电压或电流)11.2D/A转换器（1.D

/

A转换思路…d0d1dn-1DACuO或iOn位二进制如(1101)2可利用运算放大器实现运算2.转换特性DuO/V7654321001010011100101110111输入、输出关系框图1.D/A转换思路…d0d1dn-1DACuO或iO11.2.2权电阻网络D/A转换器一、电路结构和工作原理leastsignificantbitmostsignificantbit

mostsignificantbit最低(有效)位最高(有效)位11.2.2权电阻网络D/A转换器leastsignif第十一章_AD、DA转换教材课件优缺点：1.优点：简单2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部优缺点：11.2.3倒T形电阻网络DAC希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流一、设计思想：11.2.3倒T形电阻网络DAC希望用较少类型的电阻，仍然二、D/A转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2电子开关电阻网络求和运放当d2d1d0=100,II

/

2I

/

4I

/

8I/2I=UREF/RuO三、工作原理二、D/A转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0当d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8当d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RURE当d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8表达的一般形式当d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RURE三、输入为n位二进制数时的表达式当D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—转换比例系数三、输入为n位二进制数时的表达式当D=dn-111.2.4集成DAC的组成1、 仅集成电阻网络和模拟开关。2、 集成了电阻网络、模拟开关、参考电 源和输出运算放大器。3、 除上之外，还集成了外围接口电路 ①、带输入缓冲器或锁存器 ②、带输入数据分配器 ③、带输入串－并变换器 ④、带输入FIFO11.2.4集成DAC的组成1、 仅集成电阻网络和模拟开第十一章_AD、DA转换教材课件四、集成DAC芯片举例1.5G7520的电路结构UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1参考电压源，可正可负。四、集成DAC芯片举例1.5G7520的电路结构URE11.2.5具有双极性输出的DAC当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±。一、原理例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.5具有双极性输出的DAC补码输入对应的要求的D原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为01原码输入对应的偏移后D2D1D0111+7V二、电路实现*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为0二、电路实现*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入2.应用电路单极性输出uOUREFIO1IO25G7520223416151413VDDd0

d9Rf1–VEERRW1RW2RW3输入从00000000001111111111变化时，uO从0（1023

/

1024）UREF输出与输入的关系数码输入模拟输出d9d8d7d6d5d4d3d2d1d0uO1111111111

1111111110…00000000010000000000–（1023/1024）UREF–（1022/1024）UREF

…–（1/1024）UREF0UREF>0，uO<02.应用电路单极性输出uOUREFIO1IO25G752011.2.6DAC的转换精度、速度和主要参数一、转换精度（理论精度）指D/A转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB—LeastSignificantBit(一)分辨率（Resolution）FSR—FullScaleRange用输入数字量的二进制数码位数给出n位DAC,应能输出0~2n-1个不同的等级电压，区分出输入的00···0到11···1，2n-1个不同状态11.2.6DAC的转换精度、速度和主要参数一、转换精(二)转换误差（实际精度）为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。用最低有效位的倍数来表示：如:½（LSB）=输入为00…01时输出模拟电压的一半。有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示

(二)转换误差（实际精度）为实际输出模拟电压与理想输出模拟电误差分析误差分析第十一章_AD、DA转换教材课件第十一章_AD、DA转换教材课件第十一章_AD、DA转换教材课件二、转换速度(一)建立时间tsts为在大信号工作下（输入由全0变为全1，或由全1变为全0）,输出电压达到某一规定值所需时间

。不包含UREF和运放的单片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和运放的单片DAC最短t

s<1.5s。(二)转换速率SR用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升时间下降时间完成一次转换所需时间TTR（max）=ts+UO（max）/SR二、转换速度(一)建立时间tsts为在大信三、主要参数D/A转换器5G7520的主要参数参数名称单位参数值分辨率位10非线性度转换时间UREF全量程的%≤0.05%ns≤500VV电源电压–25+25535功耗mW20温度系数FSR10–6/ºC三、主要参数D/A转换器5G7520的主要参数参数名称3.分辨率单极性输出：分辨率分辨率

=5G7520为10位D

/

A转换器，分辨率

=当UREF

=

10V时，最小输出电压

uO

=9.76mV双极性输出：对于5G7520分辨率=当UREF

=

10V时，最小输出电压uO=19.6mV3.分辨率单极性输出：分辨率分辨率=5G7520为1D111101…A/DA(电压或电流)

？A/D转换的基本原理 输入连续变化电压，输出为不连 续的数字量11.3A/D转换器（ADC）DA/DA(电压或电流)A/D转换的基本原理11.311.3.1A/D转换的一般步骤和取样定理一、模拟量到数字量的转换过程uI(t)CADC的量化编码电路dn-1d1d0…uI(t)S模拟量数字量量化编码取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。取样保持（S

/

H—Sample

/

Hold）11.3.1A/D转换的一般步骤和取样定理一、模拟量二、取样定理当满足fs

≥

2fimax时,取样信号可恢复原信号。fs

—取样频率。fimax

—

信号的最高频率分量。

tOuIfOfs–fimax

fimaxuI

tO二、取样定理当满足fs≥2fimax时,取样三、量化和编码量化单位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小，用表示（即1）。量化把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。量化误差因模拟电压不一定能被整除而引起的误差。编码把量化的数值用二进制代码表示。三、量化和编码量化单位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=01=1/82=2/83=3/84=4/85=5/86=6/87=7/

81V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=01=2/152=4/153=6/154=8/155=10/156=12/157=14/15最大量化误差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/8611.3.2取样-保持电路一、电路组成及工作原理当uL

为高电平：RfChRiuIuOuLTRf=RiT导通，Ch

充电至：uO=uI=uC当uL为低电平：T截止，Ch

基本不放电。uO

保持矛盾：为使Ch

充电快，Ri越小越好；为使电路输入电阻高，Ri越大越好。11.3.2取样-保持电路一、电路组成及工作原理当二、改进电路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuOuLuO300

30

kD1D2S当uL=1，

S闭合

uO=uO=uI，uC

=uI

当uL=0，

S断开

uO

保持D1、D2的作用：限制uO

在uI+uD以内，起保护作用。6

2145387uOuIuLChLF198二、改进电路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuO&&&&&&11.3.3并联比较型A/D转换器RRRRRRRR/2UREFuI比较器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0编码器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI&&&&&&11.3.3并联比较型A/D转换器RUREFu并联比较型A/D转换器并联比较型量化并联比较型A/D转换器并联比较型量化输入→量化→编码111110101100011010001000输入→量化→编码2、特点*快，CLK触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒*精度，受参考电压、分压网络等因素影响*有存储器，不需要S/H电路*电路规模，n位需要2n-1比较器，触发器2、特点11.3.4反馈比较型A/D转换器计数型基本原理：取一个“D”加到DAC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D的大小，到相等为止，则D为所求值！简单！慢11.3.4反馈比较型A/D转换器计数型！简单2、逐次渐近型！电路不太复杂！较快2、逐次渐近型！电路不太复杂一、基本工作原理电路D/AuI逐次渐近寄存器比较器参考电源时钟信号MSBLSBMSBLSB并行数字输出转换控制信号10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000112逐次渐近型A/D转换器一、基本工作原理电路D/AuI逐次渐近比较器参考时钟MSB读出控制控制逻辑电路逐次渐近寄存器比较器二、转换过程举例3位D/AQ1S1Rd0+CPd1d2≥1Q1S1RFFBFFC≥1d0d1d2uIuOuCC5位环行移位寄存器Q1Q2

Q3Q4Q5QFFA1S1R/2输出偏移读出控制控制逻辑电路逐次渐近比二、转换过程举例3位Q

n+111100100功能RSQ

n10不用保持置1置0不许CP12345Q1

Q2Q3

Q4

Q5QA

QB

QCuI/VuO/VuO/VuCd2d1

d000001

0005.90–0.5000010

00010043.500000100011065.50000001

0011176.510000001011065.5000000001

11065.50110Qn+1111001011.3.5双积分型A/D转换器转换思路：模拟输入uItt控制计数CP个数输出二进制数一、电路组成CO＝

100…000…101…001…110…010…111…110