第5单元数模、模数转换技术

第5单元D/A与A/D转换技术5.1D/A转换技术5.2A/D转换技术5.3采样保持电路概述一、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

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。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5.1.1D/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。5.1D/A转换器（DAC）DuO/V7654321001010011100101110111输出电压：5.1.2DAC的主要技术指标指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=一、分辨率（Resolution）ULSB：最小输出电压ULSB：最大输出电压≈12n比例误差漂移误差非线形误差5.1.2D/A的主要技术指标二、转换精度D/A转换输出的最大净态误差称为转换精度。三、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。——输出电压（电流）的转换时间是指从输入数字量开始，到输出电压（电流）达到稳定值所需要的时间。常用的集成D/A转换电路通常是把梯形电阻网络与模拟开关集成在一块芯片上，而运算放大器多数是外接的，以适应不同的输出方式的需要。5.1.3D/A转换的输出方式芯片与运放的连接方式有单极性输出与双极性输出两种方式。1、单极性输出方式——既要求在输入的数字量从全0到全1时，对应的输出绝对值为从0V到参考电压UREF。反相输出同相输出2、双极性输出方式输出带有正负极性的模拟量运放N1的输出U01是单极性输出，其输出电压的变动范围为0～-UREF，；运放N2把U01放大-2倍，再通过加法电路使得U01的输出电平下移UREF5.1.4常用D/A转换集成电路举例零点及满度调节AD750是CMOS10位D/A转换集成电路调零：将所有的数字量输入端接地，调节运放的调零电位器RP3，使得输出电压为0。调满度：将所有的数字量输入端接高电平，如要增大满度值，可在RF端串联RP2，如要减小满度值，可在参考电压输入端串联RP1，调节RP1和RP2，可以调节满度值。D/A转换电路在使用时必须进行零点及满度调节。双极性转换电路输出U02为单极性输出电压-I01RF的2倍再把电平上移UREF，达到了双极性输出的效果在输入全0时，输出为+UREF在输入全1时，输出为-UREF5.2A/D转换器（ADC）A/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

/

8)V=

/

2=(1/15)V●量化误差&&&&&&5.2.1并联比较型A/D转换器R/2RRRRRRR/2UREFuI比较器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0编码器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI00001111100111010110001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI

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）VREF00000000000001000001100001110001111001111101111111111111000001010011100101110111U1（V）比较器输出C2、C1、C0译码器输出D1、D00<Ui<0.5000000.5<Ui<1.5001011.5<Ui<2.5011102.5<Ui<311111并行A/D转换器的输入、输出对照5.2.2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ＵREF5.2.3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10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000115.2.3逐次渐近型A/D转换器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

11065.501105.2.4A/D转换的主要技术指标分辨率——一般以输出的数字量位数来表示。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转换时间——指完成一次A/D转换所需要的时间。并联比较型>逐次比较型>双积分型几种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）5.2.5常用A/D转换集成电路举例ADC0809电路图5.3采样保持电路利用电容器来存储模拟量采样阶段保持阶段为了减小测量电路对被测电路的影响，要求电路的输入电阻为极大，又为了采样迅速，要求N1的输出电阻为极小。同时，为了电容器电压在保持阶段不下降，要求运放N2的输入电阻为极大，电容器本身的漏电为极小。采样保持集成电路举例IF398采样保持电路L=1，采样L=0，保持S合上，两级运放为深度负反馈的电压跟随器外接，一般取0.01μF第5单元

小结一、D/A转换器1.功能：将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。2.种类：权电阻网络、R-2RT形电阻网络和