第九章、数模与模数转换器

第九章、数模与模数转换器当前第1页\共有49页\编于星期五\22点一般电子（控制）系统的组成当前第2页\共有49页\编于星期五\22点00111、倒T型电阻网络D/A转换器

（1）结构原理R-2R电阻网电子开关数字输入权电流9.1D/A转换器

当前第3页\共有49页\编于星期五\22点（3）运算放大器的输出电压（2）输出电流当前第4页\共有49页\编于星期五\22点运放的输出电压

若Rf=R,则有

（4）推广到一般，输出电流模拟输出电压Uo只与数字量有关—D/A转换。当前第5页\共有49页\编于星期五\22点（5）转换精度问题由运放的输出电压一般表达式

1）R-2R网络精度问题2）电子开关导通时的内阻问题制造时采用激光校准技术解决；i、采用权电流型电路解决；ii、采用把内阻归入2R电阻中解决；3）参考电压VREF的精度，电阻Rf的精度用户自己解决。当前第6页\共有49页\编于星期五\22点2、权电流型D/A转换器

（1）结构原理权电流源一般表达式：

（2）运放输出电压当前第7页\共有49页\编于星期五\22点MSB

数字量

LSB模拟量11111111┇

┇100000011000000001111111┇┇00000001000000003、D/A转换器的输出方式

（1）单极性输出（8位）输出极性取决与参考电压

极性。当前第8页\共有49页\编于星期五\22点⋮–+IΣRfD0D1Dn-1⋮±VREFVoD/A–+（2）反向输出输出Vo的极性与参考电压VREF极性正好相反！当前第9页\共有49页\编于星期五\22点十进制数2的补码模拟D7D6D5D4D3D2D1D0

1270111111112712601111110126⋮⋮⋮10000000110000000000-111111111-1⋮⋮⋮-12710000001-127-12810000000-128（3）双极性输出1）2的补码正数：补码＝原码负数：补码＝反码＋1符号位当前第10页\共有49页\编于星期五\22点十进制数偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D01271111111112712611111110126⋮⋮⋮11000000110100000000-101111111-1⋮⋮⋮-12700000001-127-12800000000-1282）偏移二进制码当前第11页\共有49页\编于星期五\22点偏移二进制码D’双极性输出电路实现：当前第12页\共有49页\编于星期五\22点4D/A变换器的主要技术指标一般用输入数字量的有效位数来表示分辨率。一、分辨率二、线性度通常用非线性误差的大小表示D/A变换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。

三、输出电压(电流)的建立时间D/A转换的速度，例如：1次/1us当前第13页\共有49页\编于星期五\22点5、8位D/A转换器DAC0832及其应用D/A变换器集成电路有多种型号。下面仅以DAC0832为例来介绍集成电路D/A变换器。它是八位的D/A变换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。当前第14页\共有49页\编于星期五\22点DAC0832简化电路框图八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位变换器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11当前第15页\共有49页\编于星期五\22点DAC0832管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片选端WR1、WR2：写入端D7--D0：数据输入端XFER：转移控制端ILE：锁存使能端Iout2Iout1：电流输出端UR：参考电压端Rfb：内部反馈电阻输出端当前第16页\共有49页\编于星期五\22点功能数据D7-D0输入到寄存器1数据由寄存器1转送寄存器2从输出端取模拟量控制条件CSILEWR1WR2XFER说明01WR1=0时存入数据WR1=1时锁定WR2=0时存入数据WR2=1时锁定0无控制信号，随时可取DAC0832功能表当前第17页\共有49页\编于星期五\22点例1.DAC的连接工作当前第18页\共有49页\编于星期五\22点例2集成DAC应用

可编程电源当前第19页\共有49页\编于星期五\22点1ADC的组成9.2A/D转换器

(1)采样保持

◆采样：就是将一个连续变化的模拟量在时间轴上离散化。

◆保持：采样结果存储起来，直到下次采样。采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。当前第20页\共有49页\编于星期五\22点＋－∞△CuITCPsA（2）采样保持示意图（3）采样保持电路图CPs的频率（采样频率）fs必须满足：fs≥2fimax

这样才能将采样保持后的不失真地恢复成输入电压。采样：CPS=1，T导通，电容C充电，运放输出跟踪输入电压uI(t)。保持：CPS=0，T截止，电容C无路放电，运放输出。当前第21页\共有49页\编于星期五\22点（4）量化编码量化：将介于两个离散电平之间的采样值，归并到这两个离散电平之一上。编码：将量化后的有限个整量值用n位一组数字代码来描述以形成数字量。当前第22页\共有49页\编于星期五\22点（5）量化方式和量化误差

只舍不入法量化误差为：S(量化单位).000000011101100当前第23页\共有49页\编于星期五\22点2)四舍五入法量化误差为：S/2000001100110100当前第24页\共有49页\编于星期五\22点

◆A/D转换器分为：并行比较型、逐次逼近型和双积分型三种。9.3几种典型的A/D转换器1、并行ADC工作原理量化：电阻串分压构成；比较：输入模拟电压uI通过器与量化单位比较；存储：比较结果由D触发器存储；数字量：D触发器输出通过编码器形成数字量。当前第25页\共有49页\编于星期五\22点三位并行ADC转换真值表对于n位输出二进制码，并行ADC就需要2n-1个比较器。并行ADC适用于速度要求很高，而输出位数较少的场合。当前第26页\共有49页\编于星期五\22点2、逐次逼近型ADC

逐次逼近：采用对分搜索策略，每次以剩余段的中间数与输入值比较。当该数小于输入时，留下；反之弃之。而后再取去剩余段的中间数进行比较直至末位，以逼近值代替输入值。当前第27页\共有49页\编于星期五\22点(1)START和CP到达，时序分配器置数01111，使Q3Q2Q1Q0=1000，D/A输出逐次逼近式ADC原理011111000若（2）第2个CP到分配器输出10111，使Q3~Q0=1100，D/A输出再与uI比较，若10111110111100（3）第3个CP使分配器输出11011，使Q3~Q0=1010，若1010当前第28页\共有49页\编于星期五\22点111011111011111（4）第4个CP使分配器输出11101，使Q3~Q0=1001，若（5）第5个CP使分配器输出11110，使Q3~Q0=1001，转换结束；（6）第6个CP使分配器输出11111，Q3~Q0被打入D触发器，转换结果输出。10011001当前第29页\共有49页\编于星期五\22点11101111101111110011001当前第30页\共有49页\编于星期五\22点3、双积分ADC

1)采样阶段：启动脉冲使Qn=0，开关S与输入信号uI连接,A/D转换开始。积分器对uI进行反向积分。当前第31页\共有49页\编于星期五\22点uA＜0，比较器输出UC=1，G门打开，n位二进制计数器从0开始计数。一直到

触发器FnFn-1~F0为：10⋯0，开关S转接至基准电源UR，采样阶段结束。当前第32页\共有49页\编于星期五\22点2)比较阶段：积分器对-UR进行积分代入上式得求得当uA≥0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则N当前第33页\共有49页\编于星期五\22点9.4ADC的主要技术指标1.分辨率

分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。分辨率在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。分辨率输入最大值例如，n＝8，（8位的ADC），Um＝5V，其分辨率为：当前第34页\共有49页\编于星期五\22点2.转换误差

转换误差:表示ADC实际输出的数字量和理论值之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。例如：转换误差≤±LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。当前第35页\共有49页\编于星期五\22点3.转换速度

并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其转换时间在50ns内；逐次逼近型ADC转换速度次之，一般在10~150μs；双积分式ADC转换速度最慢，转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。转换时间：指ADC从转换启动，到输出端得到稳定的数据信号所经过的时间。当前第36页\共有49页\编于星期五\22点当前第37页\共有49页\编于星期五\22点双积分A/D转换器实例--TC14433(MC14433)3-1/2DigitAnalog-to-DigitalConverters当前第38页\共有49页\编于星期五\22点GENERALDESCRIPTION(1)TheTC14433isalowpower,high-performance,mono-lithicCMOS3-1/2digitA/Dconverter.TheTC14433com-binesbothanaloganddigitalcircuitsonasingleIC,thusminimizingthenumberofexternalcomponents.当前第39页\共有49页\编于星期五\22点(2)Thisdual-slopeA/Dconverterprovidesautomaticpol