数模模数转换电路

第八章模数和数模转换 第一节D A转换器 第二节A D转换器 第三节V F与F V转换器 概述 计算机系统是一个数字系统 离散系统 而我们生活的外部世界是一个模拟系统 为使计算机系统能够了解外部世界 对外部事物进行处理 就必须有一个将模拟量转换为数字量 将数字量转换为模拟量的接口 这就是常说的A D和D A 虽然模拟量是无限可分的 连续的 数字量是离散的 数字量永远也不能精确地描述模拟量 但由于我们对客观世界的了解 描述并不总需要极高的精度 所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的 ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁 也可称之为两者之间的接口 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器 简称A D转换器或ADC 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器 简称D A转换器或DAC 本章将简单介绍D A转换器和A D转换器的几种主要形式 1D A转换器 DAC 一 D A转换器的基本原理和转换特性 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 基本原理 转换特性 图示是输入为3位二进制数时的D A转换特性 理想的D A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 Ku D Ku电压转换比例系数 输出模拟电流io Ki D Ki电流转换比例系数 D 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 2 d1d0 则输出模拟电压为 转换特性 指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系 给定数字量的D A转换过程 按权展开 求相应位的模拟量 相加求和 求总的模拟量 电阻网络 实现按权展开 电子开关 给定数字量 求和电路 完成模拟量相加 DAC的一般构成 存在多种网络形式 由晶体管或MOS管组成 由运放组成 二 二进制权电阻网络DAC 参考电压 电子开关 d 1 接 d 0 接 不论d接哪端 虚地或实地 各支路电流不变 求和电路 电路 设RF R 2 转换原理 输出 三 T型电阻网络DAC 电路 电子开关 d 1 接 VR d 0 接 地 转换原理 VR通过S0到D点的电压值 等效电路 S0接VRS1S2S3接地 同理 所以 当d3d2d1d0 0001时 同理 当d3d2d1d0 0010时 当d3d2d1d0 0100时 当d3d2d1d0 1000时 d3d2d1d0为任意值时D点的电压值 输出 取Rf 3R 开关在电阻网络和VR之间 当Si由地 VR时 需建立起相应的VD 影响工作速度 各开关动作时间不同 输出可能产生尖脉冲 如 1000 0111的转换 可能为1000 0000 0100 0110 0111 产生尖脉冲 特点 电路 注 1 电子开关置于电阻网络和运放之间 di 1电流入P点 虚地 di 0电流入地 实地 2 无论开关在左 实地 还是在右 虚地 电流不变 故无需电流建立时间 四 倒T型电阻网络DAC 转换原理 节点A B C D以右 等效电阻为2R 总等效电阻为R 总电流 转换原理 续 每过一个节点 电流被分流1 2 转换原理 续 流入P点总电流 输出电压 常见DAC输出公式归纳 权电阻网络 T型电阻网络 倒T型电阻网络 取Rf 3R 取Rf R 五 DAC常见输出形式 1 单极性输出方式 输出从0 正满度变化 VR0 单极性反相电压输出 单极性同相电压输出 说明 单极性输出DAC 输入数字量一般采用自然二进制数 如 n 8时 数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表 2 双极性输出方式 说明 输出电压范围从负满度值 正满度值变化 如 5V 5V 对应输入是带有符号位的数字代码 用1位数字作符号位 在双极性转换中 常用的编码有 符号 数值码 符号位 数值码 偏移二进制码2的补码BCD码 偏移二进制码输入时 输入与输出的关系 有表可知 同样的二进制码输入 偏移双极性输出平移半程 即输入80H对应输出为0 d7为符号位 7位有效数值位 输出正负各半 偏移码输入与输出的关系 偏移二进制码输入的DAC电路 A1完成单极性输出 A2完成构成加法电路 完成双极性输出 一般集成D A转换器将电子开关 电阻网络集成在一块硅片上 外接基准电压VR 求和运算放大器 位数 8位 10位 12位 14位 TTL工艺 AD1408 DAC100等 CMOS工艺 AD7532 AD7541 DAC0808 DAC0832 5G7520等 输入 并行 传统芯片 如上述所有型号 串行 近几年开发的芯片 如MAX518等 六 集成D A转换器及其应用 DAC0832说明 8位DA转换器 COMS工艺 倒T型电阻网络 内部有2个数据寄存器 直通 单缓冲 双缓冲三种工作方式 结构 特点 D0 D7 输入8位数字量 D7最高位 MSB D0最低位 LSB Io1 Io2 模拟电流输出端 Io1 Io2 常数 VR R输入全1时 Io1最大 Io2最小 反之则反 Io1相当倒T形DA转换中的I RFB 运放用反馈电阻引出端 RF R 使得 引脚说明 VR 基准电压 VR 10V 10V VCC 电源电压 5V 15V 引脚说明 续1 DGND 数字信号接地端 AGND 模拟信号接地端 片选信号 低有效 输入锁存使能 高有效 写信号1 低有效 数据锁存 寄存器输出不随输入变化 数据直通 寄存器输出随输入变化 引脚说明 续2 写信号2 低有效 DAC转换控制端 低有效 数据锁存 寄存器输出不随输入变化 数据直通 转换数据随输入变化 波形图 输入数据被锁存 转换数据被锁存 工作方式 直通工作方式 数据不作任何锁存 单缓冲工作方式 数据被一个寄存器锁存 双缓冲工作方式 两个寄存器都对数据进行锁存 直通工作方式 工作方式 续 单缓冲工作方式 双缓冲工作方式 调零和调满度 调零 输入D0 D7为全零 调RE使Vo 0 调满度 输入D0 D7为全1 调RF使Vo 最大 重复 步骤 直到都满足为止 步骤 调零 调满度 七 D A转换器的主要技术指标 分辨率 分辨率取决于DAC的位数 故常用输入二进制数码的位数n来表示分辨率 绝对误差 绝对误差 理论满度值 实际满度值 1 2LSB 线性度 在满度范围内 偏离理想转换特性的最大值与满度输出值之比 称为非线性误差 常用非线性误差的大小表征线性度 相邻数码对应的输出模拟量之差的理想值为 2 n 建立时间ts 转换速度 转换器输入变化为满度值时 全0 全1 或全1 全0 输出模拟量达到稳定所需要的时间 不含运放的DAC的建立时间 一般小于0 1 S 含运放的集成DAC的建立时间 一般小于1 5 S 其它指标 电源电压 输出方式 电流 电压 输出范围等等 2A D转换器 ADC A D转换器 ADC 是将输入模拟信号转换成数字信号的装置 一 转换原理 模拟信号 A 转换成数字信号 D 需要时间 所以转换时间上是离散的 另一方面 模拟信号辐值连续 数字信号辐值离散 所以AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散 时间离散 采样定理 辐值离散 量化编码 采样电路 要求 在采样时间内 信号维持不变 以提供足够的转换时间 采样后保持原信号特征 采样定理 采样频率大于2倍输入信号频率的最大值 采样保持电路 VL 1时 V导通 Vo Vc Vi V 采样开关 R1 Rf VL 0时 V截止 Vc Vo 在短时内保持不变 集成芯片LF198 采样保持放大器 原理如上 前端有隔离放大器 量化编码 为了产生量化编码 在设计 或选择 AD器件时 首先应确定最小量化单位 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 把要转换的模拟量除 得 整数部分 用二进制表示 即得转换数字量 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 二 并联比较型A D转换器 0 ui VREF 14时 7个比较器输出全为0 CP到来后 7个触发器都置0 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 000 VREF 14 ui 3VREF 14时 7个比较器中只有C1输出为1 CP到来后 只有触发器FF1置1 其余触发器仍为0 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 001 3VREF 14 ui 5VREF 14时 比较器C1 C2输出为1 CP到来后 触发器FF1 FF2置1 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 0 5VREF 14 ui 7VREF 14时 比较器C1 C2 C3输出为1 CP到来后 触发器FF1 FF2 FF3置1 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 011 依此类推 可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数 二 并联比较型A D转换器 二 并联比较型A D转换器 电路如图所示 它由三部分组成 分压器 比较器和编码器 这种A D变换器的优点是转换速度快 缺点是所需比较器数目多 位数越多矛盾越突出 二 并联比较型A D转换器 逻辑状态关系表 二 并联比较型A D转换器 三 逐次逼近型ADC 转换方法 根据设定的转换位数 从大到小依次给出各数位的权值数字量 如4位AD 权值数字量分别为1000 0100 0010 0001 进行DA转换 分别得到不同的Vo 使Vo与Vi进行比较 比较结果决定各数值位的取舍 直至Vo最逼近Vi为止 从而得到最终的转换结果 原理框图 DA转换器 输出寄存器 移位数码寄存器 控制电路CP脉冲 比较器 Vo Vi 电路 移位寄存器 G 1置数 EDBCA 11110 有CP左移 DL 1 寄存器F0 F4 D触发器 D为比较结果 Vi Vo 时D 1 使用了异步清0和置1端 此外还有 DAC电路 比较器 控制电路 G1 G2 F5 等 原理 设Vi 13 5V量化单位 1V 原理 续1 原理 续2 左移1位 QE A 11101 QB 0 Sd3 0 Q3 1 CP4 Vo 1 Q4 1 数字量B4B3B2B1 1100 经DAC得Vo 12V Vo Vi Vo 1 原理 续3 原理 续4 原理 续5 AD转换结果 Q4Q3Q2Q1 1101 逐次逼近型ADC的特点 速度较高 精度较高 转换时间固定 如4位ADC需4个CP脉冲 一般输出带有缓冲器 便于与微机接口 应用较广泛 四 双积分型ADC 原理电路 积分器 对Vi 定时积分 积分时间T1 为计数器由全0计到全1所需的时间 时间T1由CP决定 电压Uo由Ui决定 对VR 定值积分 积分时间T2 为Uo由反向积分到0所需的时间 T2由Uo决定 四 双积分型ADC 原理电路 比较器 过0比较 Uo 0时Co 0 封锁G 使CP不起作用 Uo 0时Co 1 打开G 计数器能对CP计数 控制门G 控制计数与否 工作过程 定时积分 对Vi 定值积分 对VREF 所计的脉冲数N与Vi在T1内的平均值VI成正比 N即代表了VI的数字形式 完成了AD转换 双积分型ADC的特点 抗干扰能力强 与Vi平均值成正比 精度高 两次积分用同一个积分器 积分器本身的误差能抵消 速度较慢 一般用于工业现场仪表 五 集成A D转换器 ADC0809 8位逐次逼近型A D转换器 内部有8通道多路开关 地址译码 电压比较器 8位DA转换器 控制及时序电路等 工作过程 由地址 CBA 选择输入 IN0 IN7 ALE进行地址锁存 START启AD转换 转换开始EOC 0 转换结束EOC 1 向外发出结束信号 使OE 1 读取转换结果 ADC0809结构框图 5G14433AD转换器 3 位CMOS双积分型A D转换器 3 位 能显示4位数字 最高位显示1 0 其余位可显0 9 最大数字 1999 最小数字 0000 特点 线路简单 精度高 抗干扰能力强 输入1路模拟量 输出3位半BCD码 速度慢 用于工业现场 特点 六 主要技术指标 转换精度 转换速度 分辨率 理论精度用AD转换位数表示 n位输出 有2n个等级 每个等级相差1 2nFSR FSR满量程输出 一般分辨率指对参考电压的1 2n 转换误差 实际转换数字量与理论转换数字量的差值 一般用最低有效位的倍数表示 1 2LSB 主要由转换类型决定 直接比较 几十ns逐次逼近 几十 s双积分 几十ms 3V F与F V转换 用途 电压 频率变换电路 VFC 应用十分广泛 在不同的应用领域有不同的名称 在无线电技术中 它被称为频率调制 FM 在信号源电路中 它被称为压控振荡器 OSC 在信号处理与变换电路中 它又被称为电压 频率变换电路和准模 数转换电路 电压 频率变换电路与频率 电压变换电路是一对变换电路 经常相伴出现 相对应的频率 电压变换电路也有几种不同的名称 鉴频器 FrequencyDiscrimination 准数 模转换电路和频率 电压变换电路 FVC 一 电压 频率变换电路 VFC 二 频率 电压变换电路 FVC 三集成V F F V变换器 V F变换即电压到频率的变换 表示输出信号频率f0与输入电压VI成正比 F V变换即频率到电压的变换 表示输出电压V0与输入频率fI成正比 目前实现V F变换和F V的变换方法很多 有由分离元件组成的变换电路 也有各种集成电路 这类集成电路使用简单 调试方便 转换精度也比较高 是目前首选器件 下面将重点介绍LMx31系列V F F V变换器 LMx31系列V F F V变换器介绍 LMx31系列包括LM131A LM131 LM231A LM231 LM331A LM331 该系列的器件是一种性能价格比较高的集成电路 很适合用作精密频率电压转换器 长时间积分器 线性频率调制或解调等功能电路 其主要特点有 双电源或单电源供电 单电源在4 40V范围内均能工作 高的线性度 0 01 脉冲输出与所有逻辑形式兼容 稳定性好 温度系数 50 10 6 功耗低 当电源为5V时 功耗为15mW 动态范围宽 10kHz满量程频率下最小值为100dB 满量程频率范围 1Hz 100kHz 成本低 1脚 输出电流I0输出端 它是内部一个精密电流源的输出端 2脚 基准