《数字电子技术基础 第5版》 课件 第9章 AD转换和DA转换

1第9章A/D转换与D/A转换2目录9.1 概述9.2 D/A转换9.3 A/D转换器9.4 D/A转换器和A/D转换器的综合应用9.5用Mulitisim分析D/A转换器39.1概述模拟信号：在时间和数值上都是连续的，即对应于任意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是连续的，如正弦波信号就是典型的模拟信号，温度、压力和声音等。数字信号：在时间和数值上是离散的，或者说是不连续的。数字系统中信号的存储方式都采用数字形式。4数字-模拟接口电路中的基本概念模/数转换（AnalogDigitalConversion,ADC

）：模拟信号到数字信号的转换模/数转换器（AnalogDigitalConverter,ADC）：完成模/数转换功能的电路数/模转换（DigitalAnalogConversion,DAC

）：数字信号到模拟信号的转换数/模转换器（DigitalAnalogConverter，DAC）：完成数/模转换功能的电路59.2D/A转换D/A转换可以将输入的一个n位二进制数字信号转换成与之成比例的模拟量（电压或电流）。D/A转换器通常：由译码网络、模拟开关、集成运放和基准电压等部分组成。6根据译码网络的不同，D/A转换器分为权电阻网络型、T形电阻网络型、倒T形电阻网络型和权电流型等。下面以倒T形电阻网络型为例介绍D/A转换器的工作原理。9.2D/A转换79.2.1倒T形电阻网络D/A转换器

1.电路的组成电路组成：倒T形电阻网络、模拟开关Si（i=0

3）、集成运放A和基准电压VREF4位倒T形电阻网络D/A转换器82.CMOS型模拟开关（5G7520集成D/A转换器采用此开关）当di输入端为高电平时，VP3、VN4组成的反相器输出高电平，VP4、VN5组成的反相器输出低电平，从而使得VN1截止，VN2导通，电流流入IOUT2。当di为低电平时，电流流入IOUT1。1010192.5G7520D/A转换器采用的CMOS型模拟开关11103.集成运算放大器集成运放的逻辑符号、简化的集成运放低频等效电路及其电压传输特性理想集成运放的主要参数为：1）开环增益为无穷大，Aod=

；2）输入电阻无穷大，Rid=

理想集成运放净输入电流近似为零，称为“虚断”。XX11引入负反馈时，集成运放工作在线性工作区，输出电压与输入电压成线性关系。线性工作区：净输入电压近似为零，称为“虚短”；XX3.集成运算放大器124.倒T形D/A转换器的工作原理当输入入d3d2d1d0=1000时，等效电路：从虚线AA、BB、CC、DD处向左看进去的等效电阻均为R

II/213流向虚地点的总电流4.倒T形D/A转换器的工作原理14输出电压:n位倒T形电阻网络D/A转换器输出电压:4.倒T形D/A转换器的工作原理虚地点159.2.2集成D/A转换器5G75205G7520D/A转换器：n=10位倒T形电阻网络反馈电阻R（10k

，Rf内）已集成在芯片内部16反馈电阻Rf与电阻R的关系为：Rf=mR

输出电压9.2.2集成D/A转换器5G7520当采用内部集成的反馈电阻时，Rf=Rf内，即m=1，则有：17【例9-1】图中反馈电阻Rf=100k

。试计算当输入从只有d0为1变为全为1时电压放大倍数的变化范围。输出电压

可得当输入只有d0为1变为所有数字位全为1时，放大倍数的变化范围为(0

-9.99]9.2.2集成D/A转换器5G7520189.2.2集成D/A转换器5G7520若将反馈电阻与5G7520交换一下位置，并且反馈电阻Rf=10k

。试计算当输入从只有d0=1变为全为1时电压放大倍数的变化范围。m=1，并且输入从d0=1变为全为1，放大倍数的变化范围为[-1,-1024)，可编程增益放大器

虚地点199.2.3D/A转换器的主要技术参数分辨率：D/A转换器所能分辨的最小输出电压VLSB与满刻度输出电压Vm（当输入的数字代码各位均为1时输出的电压值）之比。VLSB也就是当输入的数字代码最低位为1，其余各位为0时对应的输出电压值，也被称为输出电压增量。20当Vm一定时，输入数字代码的位数n越多，分辨率数值越小，分辨能力越高。10位D/A转换器的分辨率为8位D/A转换器的分辨率为9.2.3D/A转换器的主要技术参数21分辨率也经常直接用输入数字代码的位数n来表示。如果已知一个D/A转换器的分辨率及满刻度输出电压Vm，则可计算出输入最低位所对应的最小输入电压VLSB，即输出电压增量。例如：当Vm=10V，n=10时9.2.3D/A转换器的主要技术参数22转换精度：指输出电压或电流的实际值与理论值之间的误差。一般来说，转换精度应低于VLSB/2。转换精度的影响因素主要有模拟开关导通的压降、电阻网络阻值差、参考电压偏差和集成运放漂移等。9.2.3D/A转换器的主要技术参数23线性度

:通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。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。9.2.3D/A转换器的主要技术参数24转换时间：当输入数字代码变化时，输出模拟电压或电流达到稳定输出所需的时间，即为建立时间或稳定时间，该参数一般由手册给出。当转换器的输入由全为0变化为全为1或反向变化时，其输出达到稳定值所需的时间为最大转换时间。9.2.3D/A转换器的主要技术参数259.2.4常用D/A转换器及其参数产品型号工作电压/V位数/bit建立时间/

s输出接口方式基准功耗/mWDAC5573IPW2.7

5.588电压I2C外部提供500TLC5620CD5810电压串行外部提供8TLC7524CN5

1580.1电流并行外部5TLV5623ID2.7~5.583电压SPI外部2.1DAC900U3/5100.030电流并行内部/外部170DAC7731EC±15165电压串行内部100DAC1220E52010000电压SPI外部2.5串行：RS232、RS485、RS422并行：I2C：一种简单、双向二线制同步串行总线SPI：一种高速的、全双工、同步的通信总线269.3A/D转换器

9.3.1A/D转换的一般步骤A/D转换可以将输入的模拟量（电压或电流）转换为与之成比例的二进制代码。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程可以进行合并，如采样和保持、量化和编码在转换中一般同时实现。279.3.1A/D转换的一般步骤采样：把一段时间内连续变化的信号变换为对时间离散的信号。为了使采样输出信号能不失真地代表输入的模拟信号，对于一个频率有限的模拟信号来说，可以由采样定理确定其采样频率，即

28保持：把每次的采样值存储到下一个采样脉冲到来之前。采样-保持电路的输出信号为阶梯状的信号。量化：把采样后的电压幅值转化为最小量化单位的整数倍的过程。编码：用数字代码表示量化结果的过程。9.3.1A/D转换的一般步骤299.3.2A/D转换器的分类按模拟量的输入方式可分为单极性输入和双极性输入两类；按数字量输出方式可分为串行输出和并行输出两类；按工作原理可以分成直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。直接A/D转换器不需要经过中间变量就能把输入的模拟信号直接转换为输出的数字代码，常用的电路有并联比较型和反馈比较型；间接A/D转换器首先将输入的模拟信号转换成一个中间变量（时间或频率），然后再将中间变量转换成数字量。30A/D转换器按工作原理分类A/D转换器直接型间接型并联比较型反馈比较型计数型逐次渐近型电压时间变换（V-T）型-积分型电压频率变换（V-F）型9.3.2A/D转换器的分类319.3.3逐次渐近型A/D转换器逐次渐近型A/D转换器又称为逐次逼近型A/D转换器，其转换过程类似天平称物体重量的过程。以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。组成：寄存器、D/A转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。32转换开始前将寄存器清零转换时，逐位改变寄存器的数字代码将此代码经D/A转换器转换成模拟电压vO

vO与输入电压vI进行比较,以判断此数字位是否保留逐位比较下去，直到最低位为止。9.3.3逐次渐近型A/D转换器333位逐次渐近型A/D转换器9.3.3逐次渐近型A/D转换器3个同步RS触发器FA、FB、FC作为寄存器5个边沿D触发器FF0～FF4构成的环形计数器作为顺序脉冲发生器控制电路由门电路组成。34设参考电压VREF=-5V，则对应不同输入DAC的输出为：9.3.3逐次渐近型A/D转换器35如果模拟电压vI=3.2V工作前先将寄存器清零，环形计数器Q0Q1Q2Q3Q4=000019.3.3逐次渐近型A/D转换器-5V3.2V100001002.5V00第一个CP到来时Q0Q1Q2Q3Q4=1000036第一个CP到来时，Q0Q1Q2Q3Q4=100009.3.3逐次渐近型A/D转换器-5V3.2V010001103.75V10第二个CP到来时Q0Q1Q2Q3Q4=0100037第二个CP到来时，Q0Q1Q2Q3Q4=010009.3.3逐次渐近型A/D转换器-5V3.2V0010013.125V01第三个CP到来时Q0Q1Q2Q3Q4=00100100138第三个CP到来时，Q0Q1Q2Q3Q4=001009.3.3逐次渐近型A/D转换器-5V3.2V0001010第四个CP到来时Q0Q1Q2Q3Q4=000100139第四个CP到来时，Q0Q1Q2Q3Q4=000109.3.3逐次渐近型A/D转换器-5V3.2V0000110第五个CP到来时Q0Q1Q2Q3Q4=000010110140经过5个CP周期后，输入的模拟电压3.2V被转换成数字信号101。逐次渐近型A/D转换器优点是精度高，转换速度较快，由于它的转换时间固定，简化了与CPU间的同步，所以常常用作与CPU间的接口电路。9.3.3逐次渐近型A/D转换器419.3.4双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器--间接A/D转换通过两次积分，先将模拟电压vI转换成与之大小相对应的时间T，再在时间间隔T内用计数频率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压42第一次积分为采样阶段。开关S接至模拟电压vI，积分器对其在T1内进行反向积分。积分结束时vO的绝对值与vI的大小成正比9.3.4双积分型A/D转换器43第二次积分为比较阶段。积分器对基准电压-VR进行反向积分。积分器的输出电压开始回升，经时间T2后回到0，由于T2阶段定斜率反向积分，所以T2与vI成正比。9.3.4双积分型A/D转换器44双积分型A/D转换器的电路图。9.3.4双积分型A/D转换器45双积分型A/D转换器的电路图。9.3.4双积分型A/D转换器46定时积分阶段的工作情况19.3.4双积分型A/D转换器47积分器对vI在固定时间T1内进行积分时钟CLK的周期9.3.4双积分型A/D转换器48第二次积分开始时的状态09.3.4双积分型A/D转换器49第二阶段反向积分时，积分器输出电压为9.3.4双积分型A/D转换器50N2与输入电压在T1时间间隔内的平均值VI成正比。只要VI

<VR，转换器就可以将模拟电压转换为数字量。当VR=2n

V时，N2=VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。9.3.4双积分型A/D转换器51双积分型A/D转换器与逐次渐近型A/D转换器相比，最大的优点是它具有较强的抗干扰能力。由于双积分型A/D转换器采用了测量输入电压在采样时间内的平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1/n（n=1，2，3，

）的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。9.3.4双积分型A/D转换器529.3.6A/D转换器的主要技术参数分辨率：A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。设A/D转换器的位数为n，满量程电压为Vm，则也可用百分比来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率

53转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。转换精度：A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。绝对误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差和量化误差。相对精度：绝对精度与满刻度电压之比的百分数。9.3.6A/D转换器的主要技术参数549.3.7常用A/D转换器及其参数不同的A/D转换器具有不同的输入、输出以及控制信号的连接方式。从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入的。输入信号的极性有单极性和双极性输入。从输出方式来看，输出寄存器有内部具有输出三态门控制的和不具有。A/D转换器的启动转换控制信号有电平和脉冲两种形式。第9章A/D转换与D/A转换55几种典型的A/D转换器及其主要性能芯片型号公司分辨率接口方式输入通道数采样速率差分输入工作电压基准电压ADC084S051NS8SPI/QSPI/Microwire4500k否2.7

5.25内部AD9287ADI8LVDS,Ser4100M否1.8内部ADCS7477TI10SPI/QSPI/Microwire11000k否2.7

5.25内部MAX1308美信12µP/1284000否5内外