模数转换器和数模转换器

1、第10章模数转换器和数模转换器 本章主要介绍了 (1) 数模转换器DAC的基本原理及多种数模转换器DAC勺转换原理。 (2) 数模转换器DAC勺主要性能。 (3) 模数转换器ADC的基本原理及多种模数转换器ADC勺主要性能指 标。 (4) 常用集成DAC ADCS片及其使用方法。 教学基本要求 掌握D/A和A/D转换器的主要性能指标。 理解D/A和A/D转换器的工作原理。 了解常用集成芯片的使用方法。 重点与难点 本章重点：D/A和A/D转换器的基本概念和主要性能指标。 本章难点：D/A和A/D转换器的工作原理。 主要教学内容 10. 1数模转换器的基本原理 10. 1. 1数模转换器的概念

2、10. 1. 2数模转换原理 10. 1. 3数模转换器的构成及不同类型数模转换器的特点 10. 2 DAC的转换精度与转换速度10. 2. 1转换精度 10. 2. 2转换速度10. 3模数转换器的基本原理 10. 3. 1模数转换器的基本原理 10. 3. 2实现模数转换的步骤 10. 3. 3模数转换器的构成及不同类型模数转换器的特点 10. 4模数转换器的主要技术指标 10. 4. 1转换精度 10. 4. 2转换速度 10. 1 数模转换器的基本原理 10. 1. 1数模转换器的概念 经数字系统处理后的数字量，有时又要求再转换成模拟量以便实际使 用，这种转换称为数模转换”。完成数模转

3、换的电路称为数模转换器， 简称 DAC ( Digital to Analog Converter ) o 10. 1. 2数模转换原理 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。 %*艺如小 !-0 艺如2,) 其中-为二进制数按位权展开转换成的十进制数值。 10. 1. 3数模转换器的构成及不同类型数模转换器的特点 DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器 和 基准电压源（或恒流源）组成。用存于数字寄存器的数字量的各位 数 码，分别控制对应位的模拟电子开关

4、，使数码为1的位在位权网 络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和， 并转换成电压值。 根据位权网络的不同，可以构成不同类型的DAQ如权电阻网络DAC R2R 倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等。 权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压Sef,以及模拟电子开关、运 算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相 同, 位数多时，其阻值相差甚远，这给保证精度带来很大困难，特别是对于 集成电路的制作很不利，因此在集成的DAC中很少单独使用 该电路。 它由若干个相同的R 2R网络节组成，每节对应于一个输入位。节 与节 之间串接成倒T形网络。Rt2R倒T形电

5、阻网络DAC是工作速度 较快、应 用较多的一种。和权电阻网络比较，由于它只有R、2R两 种阻值，从而克服了权电阻阻值多，且阻值差别大的缺点。 电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当 于开路，所以连同电子开关在内，对它的转换精度影响都比较小，又因 电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路，使这种DAC可以实现 高速 转换，转换精度较高。 10. 2 DAC的转换精度与转换速度10. 2. 1转换精度 在DAC中一般用分辨率和转换误差来描述转换精度 1. 分辨率 一般用DAC的位数来衡量分辨率的高低，因为位数越多，其输出电压V。 的取值个数就越多（丫个），也就越能反映出输出

6、电压的细微变化，分 辨能力就越高。 此外，也可以用DAC能分辨出来的最小输出电压1 LSB与最大输出电压 FSR之比定义分辨率。即 1LSB 上 1 分辨率FSR厂 该值越小，分辨率越高。 2. 转换误差 转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。常用这 个最大偏差与FSR之比的百分数或 若干个LSB表示。实际上它是三 种误差的综合指标。 10. 2. 2转换速度 转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输 出电压稳定在FSF? LSB范围（或以FSRix%FSR指明范围）内为 止， 这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换 速度的快慢。

7、 10.3模数转换器的基本原理 10. 3. 1模数转换器的基本原理 将模拟量转换成数字量的过程称为 模数转换” o完成模数转换的电路 称为模数转换器，简称 ADC( Analog to Digital Converter )。 1032实现模数转换的步骤 模数转换一般要经过米样、保持和量化、编码这几个步骤。 采样定理：当釆样频率大于模拟信号中最高频率成分的两倍时，采样 值才能不失真的反映原来模拟信号。 1033模数转换器的构成及不同类型模数转换器的特点 模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接 ADC 间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间 量转

8、换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型 ADC 直接ADC则直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近 型 ADC 并联比较型ADC由于并联比较型ADC米用各量级同时并行比较，各 位输 出码也是同时并行产生，所以转换速度快是它的突出优点，同时转换速 度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。 因为n位输出的ADC需要2个电阻，(2n- 1)个比较器和 D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何 级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。 逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC是另一种直接ADQ它也产生一系 列比较 电压但与并联比较型

9、ADC不同，它是逐个产生比较电压，逐次与输入电 压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型血农每次 转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完 成，所以它比并联 比较型ADC的转换速度慢，比双分积型ADC要快 得多，属于中速ADC 器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是 集成ADC中，应用较广的一种。 双积分型ADC属于间接型ADQ它先对输入采样电压和基准电压进 行两次 积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这 个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP计数，计数器输出的计数 结果就是对应的数字量。双积分型ADC优点是抗干扰能力强；稳 定

10、性 好；可实现高精度模数转换。主要缺点是转换速度低，因此这种转换器 大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于 多位高精度数字直流电压表中。 10.4模数转换器的主要技术指标 10. 4. 1转换精度 集成ADC用分辨率和转换误差来描述转换精度。 1. 分辨率 通常以输出二进制或十进制数字的位数表示分辨率的高低，因为位数 越多，量化单位越小，对输入信号的分辨能力就越高。 例如：输入模拟电压的变化范围为05 V,输出8位二进制数可以分辨 的最小模拟电压为5 V疋一=20 mV;而输出12位二进制数可以分辨的 最小模拟电压为5 V X2 1 J. 22 mVo 2. 转换误差

11、它是指在零点和满度都校准以后，在整个转换范围内，分别测量各个数 字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其中的 最大偏差作为转换误差的指标。通常以相对误差的形式出现，并以LSB 为单位表示。例如ADC080的相对误差为? LSBo 10. 4. 2转换速度 完成一次模数转换所需要的时间称为转换时间。大多数情况下，转换 速度是转换时间的倒数。 ADC勺转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型ADC的转换速 度最高（转换时间可小于50 ns）,逐次逼近型ADC次之（转换时间在 10100宙之间），双积分型ADC转换速度最低（转换时间在 几十毫秒 至数百毫秒之间）。 自我检测题 1. 如果要将一个最大幅值为5. 1 V的模拟信号转换成数字信号，要 求 模拟信号每变化20 mV能使数字信号最低位（LSB发生变化，那么应选 用多少位转换器？ 2. 在双积分型ADC中，（1）若被测电压V（max =2 V,要求分辨率0.1 mV则二进制计数器的计数容量N应大于多少？（ 2）需要多少位二 进 制计数器？ （ 3）若时钟频率fcp=200 kHz,则采样保持时间至少是多 少？ 思考题