铜陵学院 数字电子技术第8章数模和模数转换器

数字电子技术,国防科学技术出版社,学习要点：数模和模数转换的基本原理及常用芯片应用,第8章数模和模数转换器,第5章数模和模数转换,8.1D/A转换器8.1.1D/A基本原理8.1.2权电阻网络DAC8.1.3倒T型电阻网络DAC8.1.4D/A转换器的输出方式8.1.5DAC的主要性能指标8.1.6集成D/A转换器及其应用,8.2A/D转换器8.2.1A/D基本原理8.2.2直接A/D转换器8.2.3间接A/D转换器8.2.4ADC的主要性能指标8.2.5集成A/D转换器及其应用,目录,8.1D/A转换器,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。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。,8.8.1D/A转换器的基本原理,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。,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。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。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=KD或输出模拟电流io=KiD。其中K或Ki为电压或电流转换比例系数，(N)B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：,8.1.2权电阻网络DAC,不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。,（,；,）,分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。,8.1.3倒T型电阻网络DAC,单极性输出,8.1.4D/A转换器的输出方式,在前面介绍的D/A转换器中，输入的数字量均为正数，即二进制数的每1位都是数值位。根据电路形式或参考电压的极性不同，输出电压或为0V到正满度值，或为0V到负满度值，D/A转换器处于单极性输出方式。采用单极性输出方式时，数字输入量采用自然二进制码。,双极性输出,实际上D/A转换器输入的数字量有正有负，这就要求D/A转换器能够把它们对应转换为正、负极性的模拟电压输出，工作于双极性方式。采用双极性输出时常用的编码有2的补码、偏移二进制码等。,（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。,8.1.5D/A转换器的主要性能指标,8.1.6集成D/A转换器及其应用,DAC0832功能表,模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。,8.2A/D转换器,8.2.1A/D转换基本原理,t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。,量化与编码,0uiVREF/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d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/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。,8.2.2直接A/D转换器,3VREF/14ui5VREF/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d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/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。,2.反馈比较型A/D转换器,反馈比较型A/D转换器也是一种直接A/D转换器。工作原理是：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压信号和输入的模拟电压信号相比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。在反馈比较型A/D转换器中经常采用的有计数型和逐次渐近型两种方案。,转换电路由比较器C、D/A转换器、计数器、脉冲源、控制门G及输出寄存器等部分组成。,3.逐次渐进型A/D转换器,转换器的电路包含比较器C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等5个组成部分。,转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。,工作原理,基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。,8.2.3间接A/D转换器,准备阶段：转换开始前，CR信号将计数器清零，开关S2闭合，使积分电容完全放电完毕。启动脉冲到来时转换开始，S2断开，同时S1与vI接通。取样阶段：段所示比较阶段：,V-F变换型A/D转换器中，首先将输入的模拟电压信号换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数结果就是正比于输入模拟的数字量。,（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。（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。（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。,8.2.4ADC的主要性能指标,8.2.5集成A/D转换器及其应用,AD