数模、模数转换电路

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

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D）转换:AnalogtoDigitalConverter（ADC）数

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模（D

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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

测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波，送入模数转换电路，经A/D转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。加热炉温度检测信号处理采样-保持功率控制D/A转换计算机控制A/D转换二、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三、A

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D、D

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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一、D/A转换器的基本原理

对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。7.1D/A转换器（DAC）DuO/V7654321001010011100101110111可利用运算放大器实现运算二、D/A转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2电子开关uO与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。当di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；当di=0时，Si将电阻2R接地。求和运放电阻网络二、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

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2I

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4I

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8I/2I=UREF/RuO三、工作原理当d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

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2I

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4I

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8表达的一般形式三、输入为n位二进制数时的表达式当D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—转换比例系数输出电压：7.1.2DAC的转换精度、速度和主要参数一、转换精度指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。为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB—LeastSignificantBit(二)转换误差可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（LSB）的倍数表示。如:½（LSB）=输入为00…01时输出模拟电压的一半。(一)分辨率（Resolution）FSR—FullScaleRange二、转换速度（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（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0.1μS。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。2.应用电路单极性输出uOUREFIO1IO25G7520223416151413VDDd0

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

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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<03.分辨率单极性输出：分辨率分辨率

=5G7520为10位D

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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=19.6mV7.2A/D转换器（ADC）7.2.1A/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

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H—Sample

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Hold）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。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

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8)V=

/

2=(1/15)V●量化误差7.2.3逐次比较型A/D转换器转换原理：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：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10003.2V8V101004V00102V00117.2.3逐次渐近型A/D转换器3V00110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输出偏移完成一次转换的时间=（n+2)TcpQ

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

11065.501107.2.4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…1100…000…1001…101每进行完一次2n进制计数，定时器置1，S1合向基准电压电容C

放电S2CS1uI逻辑控制门C定时器n位二进制计数器&dn–1d0uｏＴCPCP基准电压<0二、工作原理uI积分器输入ＵIuｏ(t)积分器输出固定时间t1t2N1ＴCPN2ＴCPt1=N1TCP=2nTCPt2=N2TCP=DTCP=UI/单位电压ＵREF&&&&&&7.2.5并联比较型A/D转换器R/2RRRRRRR/2UREFuI比较器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0编码器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI

并行比较型A/D转换器真值表输入模拟电压寄存器状态数字量输出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1（0～1/15）VREF（1/15～3/15）VREF（3/15～5/15）VREF（5/15～7/15）VREF（7/15～9/15）VREF（9/15～11/15）VREF（11/15～13/15）VREF（13/15～1）VREF000000000000010000011000011100011110011111011111111111110000010100111001011101117.2.6A/D转换器的转换精度和转换速度一、转换精度分辨率1.用二进制或十进制位数表示(设计参数)LSB变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量

(测量参数)如最大输出电压为5

V的8位A/D的分辨率为：转换误差：表示实际输出与理想输出数字量的差别以相对误差的形式（LSB的倍数）给出。如：相对误差不大于（1/2）LSB二、转换速度并联比较型>逐次比较型>双积分型7.2.7几种A/D转换器的性能比较优点缺点并联比较型转换速度高（几十ns)转换精度差逐次比较型分辨率高、误差低转换速度较快(几十us)双积分型性能稳定转换精度高抗干扰能力强转换速度低(几十ms）第七章

小结一、