数模模数转换电路论文.doc

郑州*学院毕 业 论 文论文题目：数模模数转换电路的原理 所属系别 机电工程系 专业班级 09机电一体化技术1班 姓名 * 学号 2009* 指导教师 * 撰写日期 * 年 * 月.5.摘 要随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，对信 号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压 力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转 换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才 能为执行机构所接收。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路模数 转换电路和数模转换电路。关键词：D/A转换器，A/D转换器，模拟信号，数字信号 AbstractAlong with the digital technology, particularly the rapid development of computer technology and popularization, in the modern control, communication and testing field for the processing of letter, no widely used digital computer technology. Because the system the actual object often are some analog (such as temperature, pressure force and displacement, images, etc), want to make the computer or digital instrument can identify and deal with these signals, must first will turn these analog signals into digital signals; And the computer analysis, processing after the digital quantity also often output needs to be converted into the corresponding simulation signal for enforcement agencies only received. So, you need a can in analog signals and digital signal serve as a bridge between the circuit module conversion-circuit and digital-to-analog circuit.Keywords: D/A converter, A/D converter, analog signals, digital signal 目录1引言12 数模转换电路12.1概述12.2 D/A转换器的基本原理12.2.1数模转换器的转换方式22.2.1 D/A转换特性：22.3 D/A转换器的分类32.3.1电压输出型32.3.2 乘算型32.4 D/A转换器的主要性能指标32.4.1分辨率32.4.2转换精度42.4.3编辑本段温度系数42.4.4失调误差(或称零点误差)42.4.5增益误差(或称标度误差)52.4.6非线性误差53 模数转换53.1模数转换的概念53.2 模数转换的过程53.3模数转换的方法63.4A/D转换器的基本原理63.5 A/D转换器的分类74 A/D转换器的主要参数84.1分辨率84.2相对精度84.3转换速度85总结8参考文献11引言能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称 A/D 转换器）；而将能把数字信 号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称 D/A 转换器），A/D 转换器和 D/A 转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。数模转换：把在时间和幅值上离散的数字量转化为连续变化的模拟量。模数转换：把连续变化的模拟量转化为在时间和幅值上离散的数字量ADC和DAC事模拟量和数字量之间不可缺少的桥梁，而A/D，D/A转换器在数字控制系统中也有着重要的地位。A/D转换器将各种模拟信号转换为抗干扰性更强的数字信号，直接进入数字计算机进行处理，储存并产生数字控制信号；D/A转换器把收到的数字控制信号转换成模拟信号，实现对被控对象的控制。随着集成电路工艺和数字技术的发展，D/A和A/D转换技术也得到了飞速的发展，但前这种技术已不仅用于测试控制领域而且还广泛应用于通讯、雷达、遥控遥测、医疗器件、生物工程等各个需要信息交换、信息处理的领域。为适应对A/D和D/A转换器的如此广泛的需求，各集成电路制造商已生产出了上千种集成A/D及D/A转换芯片，人们可以根据系统对变换速度、精度、允许的功耗等要求，以及与其它部件的联系关系来选择适当的芯片，以满足系统的总体指标。2 数模转换电路2.1概述数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路，通常称为D/A转换器或DAC(Digital Analog Converter)。2.2 D/A转换器的基本原理基本原理：将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。这就是构成 D/A 转换器的基本思路。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。12.2.1数模转换器的转换方式1、并行数模转换通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。所谓“权”，就是二进制数的每一位所代表的值。例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是 20/23=1/8；第2位是21/23=1/4；第3位是22/23=1/2。位数多的依次类推。图2为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREF在R1、R2、R3中产生二进制权电流,电流通过开关。当该位的值是“0”时,与地接通；当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。电压极性与参考量相反。输入端的数字量每变化1，仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。位数越多分辨率就越高，转换的精度也越高。工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位，转换精度达0.50.1。2、串行数模转换将数字量转换成脉冲序列的数目，一个脉冲相当于数字量的一个单位，然后将每个脉冲变为单位模拟量，并将所有的单位模拟量相加，就得到与数字量成正比的模拟量输出，从而实现数字量与模拟量的转换。2.2.1 D/A转换特性：D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出模拟电流io=KiD。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：2.3 D/A转换器的分类D/A 转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数DA转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流(或电压)。此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。一般说来，由于电流开关的切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型D/A转换器，如果经电流椀缪棺?缓笫涑觯?蛭?缪故涑鲂?/FONT D/A转换器。此外，电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器。22.3.1电压输出型电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流电压转 换，二是外接运算放大器。用负载电阻进行电流电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高， 所以一般外接运算放大器使用。此外，大部分CMOS DA转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。当外接运算放大器进行电流电压转换时，则电路构成基本上与内置放大器的电压输出型相同，这时由于在DA转换器的电流建立时间上加入了运算放大器的延迟，使响应变慢。此外，这种电路中运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。2.3.2 乘算型DA转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。乘算 型DA转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。2.4 D/A转换器的主要性能指标2.4.1分辨率指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。如N位D/A转换器，其分辨率为1/(2N-1)。在实际使用中，表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。线性度用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把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。2.4.2转换精度D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小，因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。 在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。2.4.3编辑本段温度系数在满刻度输出的条件下，温度每升高1，输出变化的百分数定义为温度系数。电源抑制比对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。工作温度范围一般情况下，影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标。 较好的D/A转换器的工作温度范围在-4085之间，较差的D/A转换器的工作温度范围在070之间。多数器件其静、动态指标均 在25的工作温度下测得的，工作温度对各项精度指标的影响用温度系数来描述，如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度系数等。2.4.4失调误差(或称零点误差)失调误差定义为数字输入全为0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。2.4.5增益误差(或称标度误差)D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差。增益误差在消除失调误差后用满码。 输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示，一般也用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。2.4.6非线性误差D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不大于1/2LSB。33 模数转换3.1模数转换的概念模数转换(ADC)亦称模拟-数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。例如，对图像扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，经模/数转换后，构成数字图像。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图像的传输，存贮以及将图像形式转换成数字形式的处理。例如：图像的数字化等。 信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数字近似是指以N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit位单位，可以精细到1/2N。时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。43.2 模数转换的过程模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取 fS=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的， 则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的， 且所用时间又是保持时间的一部分。3.3模数转换的方法模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位Dn-11，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若VinVS,则保留这一位；若VinVS还是Vindelta)调制型 -型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 5、电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。 6、压频变换型 压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。4 A/D转换器的主要参数4.1分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。4.2相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。4.3转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。5总结D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。参考文献1赵妙强.模数转换及数模转换J.南迪科技译丛，1986年04期2李瑜祥.新型集成数模模数转换器J.电子技术，1985年12卷04期3彭灿明、曾德胜、潘日明.模数及数模转换中的精度问题分析J.电脑知识与技术，2010年06卷15期4蒋建飞.集成D/A转换器的误差分析J.电子技术，1983年12期5 C.A. holt .Digital and analog electronic circuit ii M. Beijing: machinery industry press ，20056周雪.模拟电子技术M.西安电子科技大学出版社，2005年7康华光.电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1999年8Robert Boylestan, Louis Nashelsky Electronic Devices and CircuitTheoryMPrintice-Hall,Inc，19969廖长英.低频模拟电路M.成都：电子科技大学出版社，1995年10谢嘉奎.电子线路M.北京：高等教育出版社，1999年11赵六骏.数字电路与逻辑设计M.北京：邮电大学出版社，1