数模与模数转换电路

数模与模数转换电路第一页，共二十八页，2022年，8月28日二、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第二页，共二十八页，2022年，8月28日7.1D/A转换器（DAC）7.1.1D/A转换的基本要求1.D

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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/V7654321001010011100101110111一、输入、输出关系框图第三页，共二十八页，2022年，8月28日二、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、工作原理第四页，共二十八页，2022年，8月28日当d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

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2I

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4I

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8第五页，共二十八页，2022年，8月28日当d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

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2I

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4I

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8表达的一般形式第六页，共二十八页，2022年，8月28日四、输入为n位二进制数时的表达式当D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—转换比例系数第七页，共二十八页，2022年，8月28日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。为实际输出与理想输出模拟电压间的最大误差。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.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0…01时输出模拟电压的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange第八页，共二十八页，2022年，8月28日二、转换速度1.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。2.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第九页，共二十八页，2022年，8月28日三、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非线性度全量程的%≤0.05%转换时间ns≤500UREFV–25+25电源电压V515功耗mW

20温度系数电源FSR10–6/ºC50增益FSR10–6/ºC10非线性FSR10–6/ºC2第十页，共二十八页，2022年，8月28日四、集成DAC芯片举例1.5G7520

的电路结构UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1参考电压源，可正可负。第十一页，共二十八页，2022年，8月28日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<0第十二页，共二十八页，2022年，8月28日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=19.6mV第十三页，共二十八页，2022年，8月28日7.2A/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

/

Hold）第十四页，共二十八页，2022年，8月28日二、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。

tOusfOfs–fimax

fimaxuI

tO第十五页，共二十八页，2022年，8月28日三、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。第十六页，共二十八页，2022年，8月28日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/

8)V1V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110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)V最大量化误差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V第十七页，共二十八页，2022年，8月28日7.2.2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。第十八页，共二十八页，2022年，8月28日二、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第十九页，共二十八页，2022年，8月28日一、基本工作原理电路7.2.3逐次渐近型A/D转换器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3.2V10008V101004V00102V000113V00011第二十页，共二十八页，2022年，8月28日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输出偏移第二十一页，共二十八页，2022年，8月28日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

11065.50110第二十二页，共二十八页，2022年，8月28日7.2.4双积分型A/D转换器

一、电路组成和工作原理CO＝

1(uo≤0)

0(uo>0)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

正向积分：对被测信号uI进行定时积分，完成一次2n进制计数。

反向积分：对基准电压积分至uｏ=0，计数结果与uI成正比。第二十三页，共二十八页，2022年，8月28日S2CS1uI逻辑控制门C定时器3位二进制计数器&d2d0uｏCP基准电压

<0电容C

放电CO＝

10000010100111001011101111以3位二进制计数器为例说明双积分过程。0000010100111000第二十四页，共二十八页，2022年，8月28日二、定量分析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第二十五页，共二十八页，2022年，8月28日&&&&&&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0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101