数模和模数转换

第十一章数－模和模－数转换

教学内容§11.1

概述§11.2

D/A转换器§11.3

A/D转换器

教学要求1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。11.1概述模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-DigitalConverter)数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-AnalogConverter)用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制对象D/A温度时间要求:！精度！速度电加热炉热电偶D/A转换器的任务是接收到一个数字量(D)后，输出一个相应的电压(A)。11.2D/A转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。D00111111…D/A转换器A(电压or电流)

？电阻网络求和放大器参考电压一、权电阻网络D/A转换器电子开关虚短:V-≈V+=0电子开关由输入数字信号D控制；D=d3d2d1d0，；当di=1时Si接到VREF；当di=0时Si接到地。一、权电阻网络D/A转换器虚短:V-≈V+=0n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围:优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。二、倒T形电阻网络D/A转换器

由于V-≈V+=0,所以无论开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”，流过各支路的电流始终不变。n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。CB7520电路原理图习题3、4、5三、权电流型D/A转换器恒流源

为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积DAC0808电路结构框图已知VREF=10V?当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±。例：输入为三位二进制补码。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+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有双极性输出的D/A转换器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+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*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双极性输出单极性输出如何将单极性的D/A转换器改造成双极性D/A转换器？接偏置电流符号位求反*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电路实现：偏移-4V,使输入D=100时,v0=0V选择合适的VB和RB可实现双极性输出习题6、7五、D/A转换器的主要参数（1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。

1.D/A转换器的转换精度

分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。例如：10位D/A转换器的分辨率为：

分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。

分辨率也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压表示（1LSB）。（2）转换误差：

D/A转换器实际上能达到的转换精度（误差）。

可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用最低位有效值的倍数（mLSB

）表示。（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需要的时间。通常建立时间在100ns~几十s之间。2.D/A转换器的转换速度（2）转换速率SR：习题13、1111.3A／D转换器A/D转换器UI输入模拟电压D7~D0输出数字量0V

~5V00000000~11111111一、A/D转换的基本原理A/D转换的三个过程：采样－量化－编码

采样

采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。把模拟信号vI转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟信号值的离散信号vS

。采样定理：fs≥2fi(max)输入模拟信号中的最高频率采样频率由采样-保持电路完成量化

将采样－保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。

量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为编码。

将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小数量单位称为量化单位(1LSB），用表示。编码

量化－编码过程取量化间隔:△=0.5V双极性信号量化－编码过程量化误差：

当采样电压不能被Δ整除时，将引入量化误差0V二、直接A/D转换器

并联比较型0≤vi＜VREF/15时，7个比较器输出全为0，CP

到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。时，比较器中C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。*快:CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十ns*精度:受参考电压、分压网络等因素影响*电路规模:n位需要2n-1比较器，触发器。。。并联比较型特点逐次比较型A／D转换器

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx

，故保留砝码总重仍<待测重量Wx

，故保留砝码总重>待测重量Wx

，故撤除砝码总重＝待测重量Wx

，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论反馈比较型！电路不太复杂！较快反馈比较型10000逐次比较型A/D转换器电路原理图000000011100003位：5个CPN位:(n+2)个CP逐次比较型A/D转换器电路原理图00000001110100000110三、间接A/D转换器双积分型A/D转换器又称为电压－时间变换型（V－T变换型）双积分型A/D转换器0~，t=T1时双积分型A/D转换器

先将Vi转换成与之成正比的时间信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数.双积分型A/D转换器原理:（V－T变换型）A/D转换器控制电路的实现V-F变换型fout=k1vI;计数器在TG时间里对fout计数，则D=TGfout=TGk1vID适合远距离传输不同的A/D转换器的比较四、A/D转换器的主要参数

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。分辨率也可以用1LSB的电压表示，是A/D转换器能够分辨出来的最小输出电压。例如：输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出10位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－10＝4.88mV。(1)分辨率：1.A/D转换器的转换精度（2）转换误差

通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。2.A/D转换器的转换速度

A/D转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到模拟输入信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

A/D转换速度取决于电路结构类型:

并联比较型：<1uS

逐次逼近型：几~100uS

双积分型：几十mS/次AD7767是高速、低功耗、单电源供电、高精度的24位AD转换器，它采用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用于多通道系统中。其特点如下：(1)功耗为15mw，109.5dB动态范围，转换速率128kbs。(2)高精度：24位內无误编码(NoMissingCodes；NMC)。(3)温度漂移性低，零误差漂移为15nV/度(摄氏)。(5)工作温度范围：-40℃至105℃。(6)片内自带低通FIR滤波器:

带通纹波：±0.005dB，带阻衰减：100dB*A/D转换器芯片介绍AD7767的主要引脚及功能：VREF：基准输入端,电压值范围是2.4V~5VMCLK：主时钟输入。AD7767的采样频率等于主时钟频率。

DVDD：数字电源输入端。

CS

：片选端。在它的下降沿，转换结果放到数据总线上。SDI：串行数据输入端。用于多片D7767

级联的输入。SDO：24位串行数据输出端，高位先出。