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第九章 D/A和A/D转换器,9.1 概述,9.2 D/A转换器,9.3 A/D转换器, 9.1 概 述,随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。 完成A/D转换的电路称为A/D转换器（简称ADC）。 完成D/A转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。, 典型应用系统之一多路数据采集系统, 典型应用系统之二 声音的存储与回放系统,9.2 D/A转换器,一、D/A转换器的基本概念,将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。,以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系,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。,权电阻型D/A转换器,二 倒T形电阻网络D/A转换器,由求和运算放大器、基准电VREF、R2R倒T形电阻网络和模拟开关S0S3等四部分组成。,电路组成 4位倒T形电阻网络,图中S0S3为模拟开关，由输入数码Di控制，,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；,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,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：,将输入数字量扩展到n位，则有：,可简写为：vO=KNB 其中：,合理选择电路参数，提高转换精度,基准电压的精度和稳定性对D/A精度影响很大，在精度要求高时可采用带隙基准电压源； 倒T电阻网络中的电阻比值精度要高； 每个模拟开关的开关电压降要相等； 运放的零点漂移要小。,三 权电流型D/A转换器,采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：,由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为,可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：,基准电流：,四 D/A转换器应用举例,DAC0808是8位权电流型D/A转换器，其中D0D7是数字量输入端。 用这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流 用的电阻R1。,当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k时， 输出电压为：,双列直插式封装,1空 2地 3负电源 4模拟量（电流）输出 512数字量输入 13正电源 14正参考电压 15负参考电压 16补偿电容,DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）,五 D/A转换器的主要技术指标,转换误差： 比例系数误差：转换特性曲线斜率偏差； 失调误差：由运放的零点漂移所引起； 非线性误差：无一定规律的误差。 P440-441,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。,1.转换精度,2.转换速度,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变 化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压 变化的百分数作为温度系数。,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。,3. 温度系数,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：,例2、可控增益放大器如图。当Qi=1时Si与VI 接通； Qi=0时Si 接地。,1）试写出电路电压增益 表达式； 2）当vI = +5 mV，Q3Q2Q1Q0=1001时，计算vO的值； 3）求出电压增益的最大值。,1) 根据运放虚短、虚断特点：,解、,由电路可得：,电压增益表达式：,3) 当Q3Q2Q1Q0=1111时，电压增益Au为最大值,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。,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：, 9.3 A/D转换器,9.3.1 A/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：取样、保持、量化和编码。,1、取样与保持,取样定理：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,取样信号频率,输入信号最高频率, 取样保持电路,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，t0t1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。,取样,保持,2、量化与编码,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。,量化将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔）的整数倍。,（1）确定量化间隔：,例：如有一模拟信号，幅值范围为01V，要转化为3位二进制代码，则其量化间隔为1LSB=1/8V 。,得到8个量化电平分别为0V、1/8V7/8V。,经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会产生误差，称为量化误差。最大量化误差为1/8V。,方式一：只舍不入量化方式 （舍尾取整）,如果0VvI1/8V 则量化为0=0V； 1/8VvI2/8V 则量化为1=1/8V； 7/8VvI1V 则量化为7=7/8V。,（2）将连续的模拟电压近似成分散的量化电平,1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,0,Vo/ V,t,1,如果 0VvI1/16V 则量化为0=0V； 1/16VvI3/16V 则量化为1=1/8V； 13/16VvI15/16V 则量化为7=7/8V。,取两个离散电平中的相近值作为量化电平。,方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式）,量化误差为1/2=1/16V,1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,0,ui/V,t,1,A/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,二、 并行比较型A/D转换器（3位）,9.3.2 并行比较型ADC,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。,1 转换原理：,9.3.3 逐次比较型A/D转换器,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。,2、电路结构,1,2,3,4,1000,1100,1010,1011,2.5V,3.75V,3.125V,3.4375V,vIvO,vIvO,vIvO,vI vO,（d3）1保留,（d2）1不保留,（d1）1保留,（d0）1保留,如：Vi=3.5V, D3D2D1Do=1011,3 逻辑电路,9.3.4 双积分型A/D转换器,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(FF0FFn)等几部分组成。,（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=0V。,t=0时，开关S1与A 端接通，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vO0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。,t=T1=2nTC,经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0FFn1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：,（3）第二次积分阶段,第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：,当t=t1时，S1转接到B点，基准电压VREF加到积分器的输入端；积分器 开始向相反进行第二次积分。,当t=t2时，积分器输出电压vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。,在此阶段结束时vO的表达式可写为：,设T2=t2t1，于是有：,设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：,可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。,上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。,T2=TC,9.3.5 A/D转换器的主要技术指标,分辨率说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，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。,1. 转换精度,转换误差它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。,2. 转换时间指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。,并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较 型A/D转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。,例1、一个8位逐次比较型ADC，设VREF=10V， 如输入的模拟电压为vI=8.56V，试说明转换过程 并计算出转换结果。,1,2,3,4,10000000,11000000,11100000,11010000,5V,7.5V,8.75V,8.125V,vIvO,vI vO,(d7) 1保留,(d6) 1保留,(d5) 1不保留,(d4) 1保留,vIvO,vI vO,5,6,7,8,11011000,11011100,11011010,11011011,8.4375V,8.59375V,8.515625V,8.5546875V,vIvO,vI vO,(d3) 1保留,(d2) 1不保留,(d1) 1保留,(d0) 1保留,vIvO,vIvO,转换结果为11011011,例2、双积分ADC的VREF=-10V，计数器为12位二进制加法计数器。