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概述 第7章数模和模数转换器 本章小结 A D转换器 D A转换器 概述 主要要求 理解数模和模数转换器的概念和作用 一 数模和模数转换的概念和作用 数模转换即将数字量转换为模拟电量 电压或电流 使输出的模拟电量与输入的数字量成正比 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital AnalogConverter 简称D A转换器或DAC 模数转换即将模拟电量转换为数字量 使输出的数字量与输入的模拟电量成正比 实现模数转换的电路称模数转换器 Analog DigitalConverter 简称A D转换器或ADC 为何要进行数模和模数转换 二 数模和模数转换器应用举例 主要要求 了解数模转换的基本原理 了解常用D A转换器的类型和主要参数 了解R 2R倒T形电阻网络D A转换器的电路与工作原理 7 1D A转换器 一 数模转换的基本原理 输出模拟电压uO D Dn 12n 1 Dn 22n 2 D121 D020 可见 uO D uO的大小反映了数字量D的大小 LSB LeastSignificantBit 输入数字量D Dn 1Dn 2 D1D0 2 Dn 12n 1 Dn 22n 2 D121 D020 是DAC能输出的最小电压值 称为DAC的单位量化电压 它等于D最低位 LSB 为1 其余各位均为0时的模拟输出电压 用ULSB表示 二 R 2R倒T形电阻网络DAC 模拟开关Si打向 1 侧时 相应2R支路接虚地 打向 0 侧时 相应2R支路接地 故无论开关打向哪一侧 倒T型电阻网络均可等效为下图 从A B C节点向左看去 各节点对地的等效电阻均为2R 可见 支路电流值Ii正好代表了二进制数位Di的权值2i 即I3 23I0 I2 22I0 I1 21I0 I0 20I0 u0 i RF DI0RF D i D3I3 D2I2 D1I1 D0I0 D323 D222 D121 D020 I0 DI0 n位DAC将参考电压VREF分成2n份 uO是每份的D倍 调节VREF可调节DAC的输出电压 三 常用DAC的类型和主要参数 一 常用DAC的类型 常用DAC主要有权电阻网络DAC R 2RT形电阻网络DAC R 2R倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC 其中 后两者转换速度快 性能好 因而被广泛采用 权电流网络DAC转换精度高 性能最佳 二 主要参数 1 分辨率 指D A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比 例如 一个10位的DAC 分辨率为0 000978 DAC的位数越多 分辨率值就越小 能分辨的最小输出电压值也越小 3 转换时间 指DAC在输入数字信号开始转换 到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间 转换时间越小 转换速度就越高 2 转换精度 指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差 它是一个综合指标 不仅与DAC中元件参数的精度有关 而且与环境温度 求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关 通常要求DAC的误差小于ULSB 2 四 集成DAC应用举例 四 集成DAC应用举例 2 8位CMOS集成D A转换器CDA7524简介 基准电压输入端VREF可正可负 片选控制端 电源电压范围 5V 15V 8位数据输入端 其电平与TTL电平兼容 MSB表示最高位 LSB表示最低位 接地端 内部反馈电阻RF的引出端 两个输出端 一般将OUT2接地 OUT1接运放反向端 写信号控制端 解 当D7D6D5D4D3D2D1D0 11111111时 输出为满度值 uO UFSR 9 961V 主要要求 了解模数转换的基本原理 了解A D转换器的主要参数 了解常用A D转换器 7 2A D转换器 一 A D转换的基本原理和一般步骤 表示取整 可见 输出数字量D正比于输入模拟量uI 称为ADC的单位量化电压或量化单位 它是ADC的最小分辨电压 采样 把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号 保持 保持采样信号 使有充分时间转换为数字信号 量化 把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示 编码 把量化的结果用二进制代码表示 A D转换的一般步骤 采样信号是否会丢失原信号的信息呢 对信号进行量化会引起误差吗 量化误差大小与ADC的位数 基准电压VREF和量化方法有关 采样定理 当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时 采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号 量化误差 因模拟电压不一定能被ULSB整除 量化时舍去余数而引起的误差 划分量化电平的两种方法 最大量化误差 1 8 V 最大量化误差 2 1 15 V 二 并联比较型ADC 电阻构成分压器 三 常用ADC的类型和主要参数 一 常用ADC的类型 常用ADC主要有并联比较型 双积分型和逐次逼近型 其中 并联比较型ADC转换速度最快 但价格贵 双积分型ADC精度高 抗干扰能力强 但速度慢 逐次逼近型速度较快 精度较高 价格适中 因而被广泛采用 指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值 通常用最低有效位LSB的倍数来表示 二 主要参数 2 相对精度 又称转换误差 指ADC输出数字量的最低位变化一个数码时 对应输入模拟量的变化量 1 分辨率 例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为 5V 28 19 6mA 分辨率也可用ADC的位数表示 位数越多 能分辨的最小模拟电压值就越小 例如转换误差不大于1 2LSB 即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1 2LSB 3 转换时间 指ADC完成一次转换所需要的时间 即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间 转换时间越小 转换速度越高 D A转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量 常用的DAC主要有权电阻网络DAC R 2RT形电阻网络DAC R 2R倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC 其中 后两者转换速度快 性能好 因而被广泛采用 权电流网络DAC转换精度高 性能最佳 本章小结 A D转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量 常用ADC主要有并联比较型 双积分型和逐次逼近型 其中 并联比较型ADC属于直接转换型 其转换速度最快 但价格贵 双积分型ADC属于间接转换型 其速度慢 但精度高 抗干扰能力强 逐次逼近型也属于直接转换型 其速度较快 精度较高 价格适中 因而被广泛采用 A D转换要经过采样 保持和量化与编码两步实现 采样 保持电路对输入模拟信号抽取样值 并展宽 保持 量化是对样值脉冲进行分级 编码是将分级后的信号转换成二进制代码 在对模拟信号采样时 必须满足采样定理 采样脉冲的频率fS必须大于输入模拟信号最高频率分量的2倍 这样才能不失真地恢复出原