数模转换讲解[行业知识]

1、第九章第九章 数模和模数转换数模和模数转换 本章的重点：本章的重点： 1D/A转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输 入与输出关系的定量计算；入与输出关系的定量计算； 2A/D转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、 双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较；双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较； 3D/A，A/D转换器的转换速度与转换精度及影响它们转换器的转换速度与转换精度及影响它们 的主要因素。的主要因素。 由于目前使用的由于目前使用的D/A、A/D期间都是期间都是LSI电路，所以讲授

2、电路，所以讲授 的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内 部详细的结构及工作过程。部详细的结构及工作过程。 本章的难点：本章的难点： 本章的难点在一些本章的难点在一些A/D转换器内部电路结构和详细工作转换器内部电路结构和详细工作 过程上，但这不是本章学习的重点。过程上，但这不是本章学习的重点。 1向阳课件 第九章第九章 数模和模数转换数模和模数转换 第一节第一节 概述概述 数模转换：将数字量数模转换：将数字量 (Digital)转换为模拟量转换为模拟量(Analog)。 简称简称D/A 转换。转换。 模数转换：将模拟量模数转换：将模拟

3、量(Analog)转换为数字量转换为数字量(Digital)。 简称简称A/D转换。转换。 被控对象被控对象 传感器传感器 A/D转换器转换器 计算机计算机 D/A转换器转换器 驱动电路驱动电路 2向阳课件 主要指标：转换精度；转换速度。主要指标：转换精度；转换速度。 D/A 转转 换换 器器 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 权电容网络权电容网络D/A转换器转换器 权电流型权电流型D/A转换器转换器 开关树型开关树型D/A转换器转换器 A/D 转转 换换 器器 直接转换型直接转换型 并联比较型并联比较型 反馈比较型反馈比较型 间接转换型间接

4、转换型 双积分型（双积分型（VT变换型）变换型） VF变换型变换型 计数型计数型 逐次渐进型逐次渐进型 分类：分类： 3向阳课件 一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器 第二节第二节 D/A转换器转换器 1.原理原理 由四部分组成：由四部分组成： 权电阻网络；权电阻网络； 求和放大器；求和放大器； 模拟开关；模拟开关； 参考电源；参考电源； 权电阻网络权电阻网络 求和放大器求和放大器 模拟开关模拟开关 任务：求出输出模拟电压任务：求出输出模拟电压 与输入数字量与输入数字量d3d2d1d0间的关系。间的关系。 o iR Fo )( 0123 IIIIRF ) 2222 ( 2 3 0 2

5、 1 1 2 0 3 dddd R VR REF )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd VREF )2222( 2 0 0 1 1 2 2 1 1 dddd V n n n n n REF o 2.特点：特点： 1.电阻数量少，结构简单；电阻数量少，结构简单； 2.电阻种类多，差别大，不电阻种类多，差别大，不 易集成。易集成。 Least Significant Bit Most Significant Bit 输入数输入数 字量字量 D V n REF 2 输入数输入数 字量字量 4向阳课件 二、倒二、倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1.原理：原理： 电

6、阻网络特点：电阻网络特点： 模拟开关模拟开关Si不论接何不论接何 位置，都相当于接地。位置，都相当于接地。 任意节点向左看的任意节点向左看的 等效电阻皆为等效电阻皆为R。 R V I REF Ri o 公式推导公式推导 0123 16842 d I d I d I d I i 5向阳课件 Ri o )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd VREF )2222( 2 0 0 1 1 2 2 1 1 dddd V n n n n n REF o R V I REF 0123 16842 d I d I d I d I i 倒倒T型型 ) 16842 ( 0123 dddd

7、R V R REF 6向阳课件 集成集成D/A转换器转换器CB7520简介：（十位）简介：（十位） 电路特点：电路特点： 1.电阻种类少，便于集成；电阻种类少，便于集成； 2.开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。 可外接反可外接反 馈电阻馈电阻R 需外接需外接 运放运放 模拟开关电路：模拟开关电路： 7向阳课件 在权电阻网络在权电阻网络D/A转换器和倒转换器和倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器中，转换器中， 若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换 精度。权电流型精度。权电流型D/

8、A转换器可解决这一问题。转换器可解决这一问题。 三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器 FO Ri )( 0 2 1 2 2 2 32 432 ddddR IIII F )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd IR F 恒流源如图。但电阻恒流源如图。但电阻REi的种类多。因此，经常用倒的种类多。因此，经常用倒T 型电阻网络的分流作用来实现。型电阻网络的分流作用来实现。 8向阳课件 )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd R VR R REFF )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd IR F O 9向阳课件 双极型电路

9、；双极型电路；8位数字量输入；位数字量输入； 外接求和放大器；外接求和放大器； 外接电阻。外接电阻。 )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd R VR R REFF O D R VR R REFF O 8 2 若取若取VREF=10V、RR=RF=5K 则：则： D O 8 2 10 输入数输入数 字量字量 此时，输出模拟电压范围为：此时，输出模拟电压范围为：09.96V。 权电流型集成数模转换器权电流型集成数模转换器DAC0808简介简介 参考四位时的公式：参考四位时的公式： 有：有： 10向阳课件 带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。带符号数以补码形

10、式给出。输出为正、负极性的模拟电压。 四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器 当输入数字量是带符号数时，当输入数字量是带符号数时， 就需要双极性输出的就需要双极性输出的D/A转换器。转换器。 当当d2=1时，对应输出电压为时，对应输出电压为4V。 IB应等于应等于I/2 因此：因此： R VI R V REF B B 22 DDD V REF O 8 8 2 3 三位三位DAC 的输出的输出 取反取反 11向阳课件 五、五、D/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度 （一）转换精度（一）转换精度 通常用通常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。

11、1.分辨率：输出模拟电压应能区分分辨率：输出模拟电压应能区分02n-1共共2n个输入数字量。个输入数字量。 表示方法：表示方法： (1)用输入二进制数的位数表示；如用输入二进制数的位数表示；如8位。位。 (2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。 该比值显然等于：该比值显然等于： 12 1 n n REF V 2 ) 12( 2 n n REF V 12向阳课件 由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到 的转换精度。的转换精度。 转换误差转换误差有时也称为有时也称为线线 性误差性误差

12、。它表示实际的。它表示实际的D/A转转 换特性和理想转换特性之间换特性和理想转换特性之间 的最大偏差。的最大偏差。 转换误差的表示形式：转换误差的表示形式： （1）最低有效位的倍数。如：）最低有效位的倍数。如： 1LSB。 （2）输出电压满刻度）输出电压满刻度 FSR(Full Scale Range) 的百分数。的百分数。 如：如：0.1FSR。 2.转换误差：转换误差： 13向阳课件 3.转换误差分析转换误差分析 D/A转换器的四个组成部分，均可引起转转换器的四个组成部分，均可引起转 换误差。但具有不同的特点。换误差。但具有不同的特点。 (1)参考电源引起的误差称为参考电源引起的误差称为比

13、例系数误差比例系数误差。 O D V n REF 2 O (2)运放零点漂移引起的误差称为运放零点漂移引起的误差称为漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差。 14向阳课件 (3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的 偏差引起的误差称为偏差引起的误差称为非线性误差非线性误差。 非线性误差有时导致非线性误差有时导致 转换特性局部非单调性，转换特性局部非单调性， 从而引起系统不稳定。从而引起系统不稳定。 注意注意：运放和参考：运放和参考 电源多为外接，电电源多为外接，电 阻网络和模拟开关阻网络和模拟开关 在集成在集成DAC内部。内部。 15向

14、阳课件 例：在例：在10位倒位倒T型电阻网络型电阻网络DAC中，中，VREF=-10V。为保证。为保证VREF偏离偏离 标准值所引起的误差小于标准值所引起的误差小于1/2LSB，计算，计算VREF相对稳定度应取多少？相对稳定度应取多少？ 解：解： 1.计算计算1/2LSB: 当输入数字量当输入数字量D=1时，输出电压为时，输出电压为LSB。故：。故： 2.计算当计算当VREF变化量为变化量为 时所引起的输出变化时所引起的输出变化 量的最大量的最大 值值 : REF V OM REF n n REF OM V V ) 12( 2 而：而： 即：即： 11 2 REF REF V V 11 2 1

15、 REF REF V V =0.05% 这里这里VREF=10V, 允许的参考电源允许的参考电源 变化量小于变化量小于5mV 1/2LSB = 2 1 2 10 REF V 2 1 2 10 REF V 11 2 REF V 输入数字量的最大值输入数字量的最大值 LSB OM 2 1 16向阳课件 （二）转换速度（二）转换速度 用完成一次转换所需的时间用完成一次转换所需的时间建建 立时间立时间tset来衡量。来衡量。 建立时间：从输入信号变化开始建立时间：从输入信号变化开始 到输出电压进入与稳态值相差到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB范围以内的时间。范围以内的时间。 输入信号由全输入信号

16、由全0变为全变为全1所需时间所需时间 最长。最长。 不包含运放的不包含运放的DAC建立时间可达建立时间可达 0.1 。s 当外接运放时，转换时间还应加当外接运放时，转换时间还应加 上运放的上升（下降）时间。上运放的上升（下降）时间。 R sTR S V tT (max)0 (max) 转换时间转换时间 建立时间建立时间 输出模拟电输出模拟电 压最大值压最大值 运放输出转运放输出转 换速率换速率 17向阳课件 第三节第三节 A/D转换器转换器 一、一、A/D转换的基本原理转换的基本原理 在在A/D转换器中，由于输入转换器中，由于输入 模拟信号在时间上是连续的，模拟信号在时间上是连续的， 而输出数

17、字信号是离散的，所而输出数字信号是离散的，所 以转换只能在一系列选定的瞬以转换只能在一系列选定的瞬 间对输入模拟信号采样，然后间对输入模拟信号采样，然后 再把这些采样值转换成输出数再把这些采样值转换成输出数 字量。字量。 A/D转换的基本步骤：转换的基本步骤： 采样（取样）；采样（取样）； 保持；保持； 量化；量化； 编码。编码。 由取样保持电路完成由取样保持电路完成 由由A/D转换电路完成转换电路完成 取取 样样 保保 持持 18向阳课件 1.取样、保持取样、保持 取样定理取样定理：为保证从取样信：为保证从取样信 号恢复被取样信号，必须满号恢复被取样信号，必须满 足足 取样信号频率取样信号频

18、率 在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样 信号频率。信号频率。 取样定理又称为香农定理取样定理又称为香农定理(Shannon)。 下面通过取样信号的幅频特性与滤波器的幅频特性的关系说明下面通过取样信号的幅频特性与滤波器的幅频特性的关系说明 取样定理。取样定理。 (max) 2 is ff 输入信号输入信号 最高频率最高频率 19向阳课件 为低电平时，为低电平时，T截止。取样电截止。取样电 容容CH上的电荷无泄放回路，上的电荷无泄放回路， 将将 保持。保持。 O L 取样保持电路取样保持电路 取样电路输出信号取样电路

19、输出信号 的幅频特性的幅频特性 滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性 显然要满足显然要满足 (max) (max)(max) 2 is iis ff fff s f (max)is f f I F IO R R L 为高电平时，场效应管为高电平时，场效应管T导通导通,进进 行取样行取样 L 电路缺点：输入电阻电路缺点：输入电阻RI过大过大 会降低取样速度；过小又加重会降低取样速度；过小又加重 信号源负载。信号源负载。 改进方法：在输入端加隔离放大器。改进方法：在输入端加隔离放大器。 下面通过集成取样保持电路下面通过集成取样保持电路 LF198介绍改进的取样保持电路。介绍改进的取样保持电路。 此时无

20、法用滤波此时无法用滤波 器恢复输入波形器恢复输入波形 20向阳课件 集成取样保持电路集成取样保持电路LF198调零调零 输入模输入模 拟电压拟电压 取样控取样控 制信号制信号 外接保持电容外接保持电容 在取样阶段，开关在取样阶段，开关S接接 通，运放通，运放AI,A2构成两级电构成两级电 压跟随器压跟随器 IO 在保持阶段，在保持阶段，S断开，电断开，电 容容CH上电荷保持不变，使输上电荷保持不变，使输 出电压出电压 保持不变。保持不变。 O 二极管二极管D1,D2和电阻和电阻R1构成保护电路。构成保护电路。 在取样阶段，在取样阶段，S接通，接通，D1,D2截止，保护电路不起作用。截止，保护电

21、路不起作用。 在保持阶段，在保持阶段，S断开，断开， 保持不变；但保持不变；但 在变，使在变，使 达达 到正（负）最大值，使开关到正（负）最大值，使开关S承受过高的电压。接上保护电承受过高的电压。接上保护电 路后可使路后可使 基本等于输入电压基本等于输入电压 。 I o O I o 21向阳课件 2.量化和编码量化和编码 量化：量化： 把输出数字量为把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为时对应的输入模拟电压称为量化单元量化单元， 记做记做 。当输出数字量为。当输出数字量为D时，对应的输入模拟电压应为时，对应的输入模拟电压应为 D ，即量化单元的整数倍。，即量化单元的整数倍。 因此，对于任意输

22、入模拟电因此，对于任意输入模拟电 压压, 首先首先 应把它量化为应把它量化为 的整数倍。这就是量化。的整数倍。这就是量化。 编码：编码： 用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。 量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量 化方法：化方法： 22向阳课件 当输入电压不为当输入电压不为 的整数倍时，必然产的整数倍时，必然产 生误差，称为生误差，称为量化误差量化误差。 量化误差量化误差 2 量化误差量化误差 1/15V 若用此范围表示若用此范围表示 001会更准确会更准确 23向阳课件 输入为双极性时：输

23、入为双极性时： 输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示： =1V 二二 进进 制制 补补 码码 符号位符号位 量化后输出的二进制补码量化后输出的二进制补码 24向阳课件 二、直接二、直接A/D转换器转换器 1.并联比较型并联比较型A/D转换器转换器 将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。 介绍并联比较型和反馈比较型两大类。介绍并联比较型和反馈比较型两大类。 采用第二类量化方法，采用第二类量化方法， 15 2 REF V 转换过程：将要输入转换过程：将要输入 模拟电压加在输入端，然模拟电压加在输

24、入端，然 后加一个后加一个CP脉冲，输出端脉冲，输出端 就出现转换结果。就出现转换结果。 编码情况可用下表说明。编码情况可用下表说明。 特点：特点： 速度快，转换时间小于速度快，转换时间小于50ns； 电路复杂。电路复杂。 不需取样保持电路；不需取样保持电路； 25向阳课件 d2 = Q4 d1= Q6 + Q4Q2 d0 = Q7 + Q6Q5 + Q4Q3 + Q2Q1 公式化简过程请公式化简过程请 同学自己解决。同学自己解决。 26向阳课件 2.反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 (1)计数型计数型A/D转换器转换器 思路：将一数字量加到思路：将一数字量加到D/A转换器上，再把转换器

25、上，再把D/A转换器输出的转换器输出的 模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直 到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。 数字量由计数数字量由计数 器提供。器提供。 启动转换启动转换 B 1 0 OI 0 I = 由于量化引起的误差为由于量化引起的误差为1LSB.（第一类量化方法）（第一类量化方法） 特点：特点： 1.电路简单；电路简单； 2.速度慢。最长转换时间可达速度慢。最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期。倍时钟信号周期。 27向阳课件 (2)逐次渐近型逐次

26、渐近型A/D转换器转换器 数字量由逐次渐近寄存器提供。数字量由逐次渐近寄存器提供。 思路：思路： 从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。）。 以输出四位数字量以输出四位数字量a3a2a1a0为例为例: 1.输入输入1000到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a3的值；的值； 2.输入输入a3100到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a2的值；的值； 3.输入输入a3a210到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a1的值；的值； 4.输入输入a3a2a11到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a0

27、的值；的值； 可见，主要转换步骤只需可见，主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成。（实际转个时钟周期就可完成。（实际转 换器还要增加两个时钟周期时间。）换器还要增加两个时钟周期时间。） 下面结合具体电路说明工作过程。下面结合具体电路说明工作过程。 28页 28向阳课件 时，该时，该 位为位为1,否否 则该位则该位 为为0. O I 27页29向阳课件 移位寄存器初始状态：移位寄存器初始状态： Q1Q2Q3Q4Q5=10000 I B O 时，时，1 CP1后后,移位寄存器为移位寄存器为01000， QAQBQC=100; CP2后后,移位寄存器为移位寄存器为00100， QAQBQC=d210;

28、确定确定d2值。值。 CP3后后,移位寄存器为移位寄存器为00010， QAQBQC=d2d11;确定确定d1值。值。 CP4后后,移位寄存器为移位寄存器为00001， QAQBQC=d2d1d0;确定确定d0值。值。 同时输出同时输出d2d1d0。 CP5后后,移位寄存器为移位寄存器为10000，QAQBQCd2d1d0，但对下一步无影响。，但对下一步无影响。 一般，当输出为一般，当输出为n位时，需位时，需n+2个时钟周期可完成转换。个时钟周期可完成转换。 特点：特点： 速度较快；电路也不太复杂。速度较快；电路也不太复杂。 因此，逐次渐近型因此，逐次渐近型A/D转换器是集成转换器是集成A/D

29、转换器用的最多的一种。转换器用的最多的一种。 第二种量化方法第二种量化方法 30向阳课件 三、间接三、间接A/D转换器转换器 1.双积分型双积分型A/D转换器转换器 中间变量为时间中间变量为时间T的，称为的，称为V-T变换型（电压时间变换型）；变换型（电压时间变换型）； 中间变量为频率中间变量为频率F的，称为的，称为V-F变换型（电压频率变换型）；变换型（电压频率变换型）； 属于属于V-T变换型。变换型。 第一次积分第一次积分:对输入模拟电压对输入模拟电压定定 时时积分，时间为积分，时间为T1,由控制逻辑由控制逻辑 电路决定；电路决定； 第二次积分第二次积分:对参考电源对参考电源VREF定定

30、速速积分，积分， 的变化速度由的变化速度由 VREF,R和和C决定。决定。 O Idt C C 1 dt CR I 电容电容C上电压上电压 31向阳课件 t1时刻电容电压时刻电容电压 即即 值为：值为： c o o dt CR I I RC T 1 第二次积分结束时积分器输出第二次积分结束时积分器输出 电压为电压为0，即，即 0 1 2 1 I t t RC V o RC T dt REF IREF RC T V RC T 12 故：故： I REF V T T 1 2 32向阳课件 I REF V T T 1 2 设时钟周期为设时钟周期为TC，输出数字量为，输出数字量为D，则，则 C n T

31、T2 1 C DTT 2 代入上式得：代入上式得： I REF n V D 2 可使可使T1=2nTC，T2=DTC的电路如的电路如 下图：下图： 至于至于T1，若满足，若满足 33向阳课件 影响精度因素：影响精度因素： 计数器位数；计数器位数；比较器灵敏度；比较器灵敏度； 比较器零点漂移；比较器零点漂移； 运放零点漂移；运放零点漂移； 积分电容漏电；积分电容漏电；TC瞬间波动。瞬间波动。34 向阳课件 特点：特点： 性能稳定。转换结果与性能稳定。转换结果与R,C无关；也与时钟周期无关。这是无关；也与时钟周期无关。这是 两次积分的结果。两次积分的结果。 抗干扰能力强。积分器对平均值为抗干扰能力强。积分器对平均值为0的干扰有很强的抑制能的干扰有很强的抑制能 力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整 数倍，理论上可完全抑制电网干扰。数倍，理论上可完全抑制电网干扰。 缺点是速度慢。完成一次转换时间不小于缺点是速度慢。完成一次转换时间不小于2n+1TC。 在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表等。在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表等。 35向阳