数模和模数转换器详解演示文稿

第讲数模和模数转换器详解演示文稿当前第1页\共有50页\编于星期二\7点优选第讲数模和模数转换器当前第2页\共有50页\编于星期二\7点●典型应用系统之一——多路数据采集系统当前第3页\共有50页\编于星期二\7点●典型应用系统之二

——声音的存储与回放系统当前第4页\共有50页\编于星期二\7点一、D/A转换器的基本概念数字信号模拟信号将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。19-1D/A转换器19.1.1D/A转换器的基本原理当前第5页\共有50页\编于星期二\7点以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系D2D1D0vO0000V0011V0102V0113V1004V1015V1106V1117V当前第6页\共有50页\编于星期二\7点组成：

D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路、基准电压几部分构成。

原理：对数字量的每位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现D/A转换。数码寄存器模拟

开关译码

网络求和放大器Du基准电压UREFDAC方框图当前第7页\共有50页\编于星期二\7点电阻网络模拟电子开关求和放大器参考电压19.1.2权电阻网络D/A转换器当前第8页\共有50页\编于星期二\7点集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，V-≈V+=0取RF=R/2当前第9页\共有50页\编于星期二\7点n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。当前第10页\共有50页\编于星期二\7点RF19.1.3倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关当前第11页\共有50页\编于星期二\7点图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制，①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；②当Di=0时，Si将电阻2R接地。

所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地），因此流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。工作原理当前第12页\共有50页\编于星期二\7点等效电路：可算出，基准电流I=VREF/R输出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：取RF=R则：当前第13页\共有50页\编于星期二\7点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。当前第14页\共有50页\编于星期二\7点常见DAC输出公式归纳权电阻网络倒T型电阻网络取Rf＝R：当前第15页\共有50页\编于星期二\7点集成D/A转换器CB7520为10位DACCB7520运算放大器的反馈电阻可使用CB7520内设的R如上图所示（16脚与1脚相连），也可另选反馈电阻接到IOUT1与VO之间。CB7520引脚排列图CB7520需外接运放需外接基准电压源当前第16页\共有50页\编于星期二\7点D/A转换器应用举例设集成D/A转换器CB7520按图联接，且VREF=-10V，求输出与输入的关系。解：当前第17页\共有50页\编于星期二\7点CB7520D/A转换器输出与输入的关系当前第18页\共有50页\编于星期二\7点19.1.5具有双极性输出的D/A转换器接一偏置电流符号位求反当前第19页\共有50页\编于星期二\7点若选VB=VREF和RB=2R，则:

当UREF=－8v时，有补码输入对应的十进制数要求的输出电压d2d1d0011010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v则可得左表当前第20页\共有50页\编于星期二\7点（1）分辨率：D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。在实际应用中，常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。即分辨率为2n。在分辨率为n位的D/A转换器中，可以区分的模拟输出的最小非零电压值|VREF／2n|，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。

（2）转换误差

D/A转换器的转换误差是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。19.1.6D/A转换器的主要参数通常用分辨率和转换误差来描述。一、D/A转换器的转换精度当前第21页\共有50页\编于星期二\7点一般不包含运放的DAC建立时间可达0.1μs，包含了运放的建立时间可以达到1.5μs。二、D/A转换器的转换速度

当输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，而需要一段时间。用建立时间（tset）和转换速率（SR）来描述转换速度。当前第22页\共有50页\编于星期二\7点例1、已知4位倒T型DAC，输入数字量为1101，UREF=-8V，Rf=R，则输出模拟量UO=?解：当前第23页\共有50页\编于星期二\7点解：计数器状态为0000时，模拟输出为0；当状态为0001时，D/A输入数字量为0001000000，输出为：编码＋1递增，所以模拟电平输出也按0.625V递增。例2、位D/A转换器，VREF=-10V,画输出波形。当前第24页\共有50页\编于星期二\7点0.625VCPtt0(V)1160当前第25页\共有50页\编于星期二\7点

例3、波形产生电路如图，图中ROM的数据如表所示。对应CP波形，画出输出vO的波形，并标出波形上各点的电压值。当前第26页\共有50页\编于星期二\7点解、由74161可得状态为

查ROM表可得AD7533高4位数据为

0111，0001，0010，

0011，0100，0011。计算出vO值为3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V波形：当前第27页\共有50页\编于星期二\7点19-2A／D转换器0~5V00000000~11111111A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量当前第28页\共有50页\编于星期二\7点19.2.1A/D转换的一般步骤

将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，通常的转换过程为：采样、保持、量化和编码。当前第29页\共有50页\编于星期二\7点Ot1.采样－保持

采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。OtvI(t)OtS(t)vI(t)vo(t)当前第30页\共有50页\编于星期二\7点①采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍采样定理：fs≥2fi(max)输入模拟信号的最高频率分量的频率采样频率当前第31页\共有50页\编于星期二\7点②采样—保持电路电路组成及工作原理（要求电路中Av1Av2=1）t=t0时，S闭合，电容充电，vo=vI，t0～t1阶段为取样阶段；t=t1时，S断开，电容没有放电回路，其两端电压保持vo不变，t1～

t2阶段为保持阶段。当前第32页\共有50页\编于星期二\7点取样保持当前第33页\共有50页\编于星期二\7点量化——将采样—保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化单位）的整数倍。即单位数字量所代表的模拟量。

如量化单位用△表示，量化过程为：把采样的模拟量除△，得：①整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。②余数部分，即量化误差。误差处理：四舍五入——误差小。只舍不入——误差大。量化单位越小→转换位数越多→量化误差越小。编码——量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程称为编码。2、量化与编码当前第34页\共有50页\编于星期二\7点例:试用三位二进制代码对0～1V的电压进行量化与编码01/8V7/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化结果编码结果①只舍不入（舍尾取整）

取量化单位

即取△=1/8V,量化误差为△=1/8V当前第35页\共有50页\编于星期二\7点即取△=2/15V,量化误差为△/2=1/15V01/15V13/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化结果编码结果如果取量化单位

②有舍有入（四舍五入）当前第36页\共有50页\编于星期二\7点19.2.2A/D转换器的分类工作原理：直接ADC：模拟信号→数字信号特点：速度快典型电路：并行比较型ADC、逐次比较型ADC间接ADC：模拟信号→中间信号→数字信号特点：速度慢典型电路：双积分型ADC、电压频率转换型ADC当前第37页\共有50页\编于星期二\7点一、

并联比较型A/D转换器当前第38页\共有50页\编于星期二\7点特点：速度快，但是随着分辨率增加，元件数目急剧增加。不易于集成。当前第39页\共有50页\编于星期二\7点逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程

将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。二、反馈比较型逐次比较型A／D转换器1．转换原理：当前第40页\共有50页\编于星期二\7点2、电路结构当前第41页\共有50页\编于星期二\7点CPd3d2d1d0vO比较结果处理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvI＞vOvI＞vOvI＜vOvI＞vO（d3）1保留（d2）1不保留（d1）1保留（d0）1保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=1011当前第42页\共有50页\编于星期二\7点3．逻辑电路当前第43页\共有50页\编于星期二\7点三.间接转换型ADC

间接转换型ADC实现基本原理直接转换型ADC是直接进行输入模拟电压到输出数字编码的变换。

双积分型ADC间接转换型ADC是是通过电压－时间变换或电压－频率变换，对变换后的时间或频率进行计量，从而得到数字编码量。对输入模拟电压进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔。再对已知参考电压进行积分。积分时利用时钟脉冲和计数器测出相应时间间隔，进而得到相应的数字量输出。该ADC也称为电压－时间－数字式积分器。当前第44页\共有50页\编于星期二\7点双积分型ADC电路原理分析它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成当前第45页\共有50页\编于星期二\7点（2）第一次积分阶段工作原理：（1）准备阶段计数器清零，积分电容放电，

vO=0Vt=0时，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：由于vO<0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数

经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：

t1=T1=2nTC

当前第46页\共有50页\编于星期二\7点（3）第二次积分阶段工作原理：当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－V