数字电子技术基础第九章 数模与模数转换电路讲解

1、 数数/模和模模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁数器是模拟、数字系统间的桥梁 数字计算机数字计算机 模拟系统模拟系统 A/DD/A 二进制二进制 线性线性 存储存储 分析分析 控制控制 物理物理 生物生物 化学化学 9.1.2 常见常见数模、模数转换器应用系统举例数模、模数转换器应用系统举例 压力传感器压力传感器 温度传感器温度传感器 流量传感器流量传感器 四四 路路 模模 拟拟 开开 关关 数数 字字 控控 制制 计计 算算 机机 DAC 模拟控制器模拟控制器 模拟控制器模拟控制器 液位传感器液位传感器 DAC DAC 模拟控制器模拟控制器 模拟控制器模拟控制器 生生 产产 控控 制制 对

2、对 象象 DAC ADC A / D、D / A 转换器的精度和速度转换器的精度和速度 精度精度保证转换的保证转换的准确性准确性 速度速度保证保证适时控制适时控制 9.2.1 D / A转换的基本原理和电路结构转换的基本原理和电路结构 9.2.4 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A 转换器转换器 9.2.5 集成集成D/A转换器转换器 9.2.6 D/A转换器转换器 的主要参数的主要参数 9.2.3 T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 9.2.2 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 9.2.1 D / A转换的基本原理和电路结构转换的基本原理和电路结构 1. D / A转换思路转换思路

3、 d0 d1 dn-1 uO或或iO n 位位 二进制二进制 如如 ( (1101) )2023 1 0 2 10 n i i i dN 可利用运算放大器实现运算可利用运算放大器实现运算 2. 转换特性转换特性 D uO/V 7 6 5 4 3 2 1 001 010 011 100 101 110 111 3. D/A转换器的结构转换器的结构 数数码码 寄寄存存器器 n位位模模 拟拟开开关关 解解码码 网网络络 求求和和 电电路路 基基准准电电压压 n位位数数字字 量量输输入入 模模拟拟量量 输输出出 4. D/A转换器的分类转换器的分类: 按解码网络按解码网络 结

4、构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开 关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DAC 双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转转 换换 器器 9.2.2 120 R o120 (222 ) 2 nn nn n U Uddd 9.2.3 0 4 R A 2 d U U 开路电压开路电压 0 4 R 2 d U 0 4 R 2 d U 0 4 R A 2 d U U 开路电压开路电压 1 3 R A 2 d U U 开

5、路电压开路电压 2 2 R A 2 d U U 开路电压开路电压 3 1 R A 2 d U U 开路电压开路电压 1 3 R 2 d U 0 4 R 1 3 R 2 2 R 3 1 R EA 2222 d U d U d U d U UU )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 R dddd U F E 3 R UU R )2222( 23 0 0 1 1 2 2 3 3 4 RF dddd R UR )222( 23 0 0 2 2 1 1 RF o ddd R UR U n n n n n )222( 2 0 0 2 2 1 1 R o ddd U U n n n n n

6、)222( 23 0 0 2 2 1 1 RF o ddd R UR U n n n n n 9.2.4 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A 转换器转换器 R RR2R 2R2R 2R UREF S0S1S2 d0 d0d1d2 d1d2 电子电子 开关开关 电阻网络电阻网络 求和运放求和运放 当当 d2d1d0 = 100, II / 2I / 4 I / 8 I/2 I = UREF / R R I u 2 O R RU 2 REF 2 3 REF 21 2 U uO 1、工作原理、工作原理 当当 d2d1d0 = 110, I R R R 2R 2R2R 2R UREF uO I / 2I

7、 / 4 I / 8 R II u) 42 ( O )2121( 2 12 3 REF U R R U R U ) 42 ( REFREF 当当 d2d1d0 = 111, I R R R 2R 2R 2R 2R UREF uO I / 2I / 4I / 8 R III u) 842 ( O )212121( 2 012 3 REF U R R U R U R U ) 842 ( REFREFREF 表达的一般形式表达的一般形式 )222( 2 0 0 1 1 2 2 3 REF O ddd U u 2、输入为、输入为 n 位二进制数时的表达式位二进制数时的表达式 当当 D = dn-1 d

8、n-2 d1 d0 )22.2( 2 0 0 1 1 1 1 REF O ddd U u n n n DKD U u n u REF O 2 Ku 转换比例系数转换比例系数 n U K 2 REF u 常见常见DAC输出公式归纳输出公式归纳 REF Ou 2n U uDKD REF Ou 2n U uDKD REF Ou 2n U uDKD 倒倒T T型电阻网络型电阻网络 110 110 2.22 n n Dddd 其中 9.2.5 集成集成DAC芯片举例芯片举例 1. 5G7520 的电路结构的电路结构 UREF IO1 IO2 d4 5G7520 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15

9、14 13 12 11 10 9 VDD d3 d2 d1 d0 d5 d6 d7 d8 d9 Rf GND uO R IO1 参考电压源，可正可负参考电压源，可正可负。 2. 应用电路应用电路 单极性输出单极性输出 uO UREF IO1 IO2 5G75202 2 3 4 16 1514 13 VDD d0 d9 Rf 1 VEE R RW1 RW2 RW3 输入从输入从 0000000000 1111111111 变化时，变化时， uO 从从 0 （1023 / 1024）UREF 输出与输入的关系输出与输入的关系 数码输入数码输入模拟输出模拟输出 d9 d8 d7 d6 d5 d4 d

10、3 d2 d1 d0uO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （1023 / 1024）UREF （1022 / 1024）UREF （1 / 1024）UREF 0 UREF 0，uO 0 3. 主要参数主要参数 D/A 转换器转换器 5G7520 的主要参数的主要参数 参数名称参数名称单单 位位参数值参数值 分辨率分辨率 位位 10 非线性度非线性度 转换时间转换时间 UREF 全量程的全量程的 % 0.05 % ns 500 V V电源电压电源电压 25 +25 5

11、 35 功功 耗耗 mW 20 温度系数温度系数FSR 106/C 9.2.6 DAC 的主要参数的主要参数 1. 转换精度转换精度 如如1010位位DAC DAC 的分辨率的分辨率 ULSB UFSR = 1 2n1 分辨率分辨率= 1)1)分辨率分辨率（Resolution） 分辨率分辨率DAC DAC 的位数，故常用输入二进制数码的位数的位数，故常用输入二进制数码的位数 n n来表示分辨率：来表示分辨率： = 1 2101 = 1 1023 1 2n 分辨率 单极性输出单极性输出： 分辨率分辨率 12 1 n 分辨率分辨率 = = 12 1 1 n 5G7520 为为 10 位位 D /

12、 A 转换器，转换器， 分辨率分辨率 = = 000978. 0 1023 1 12 1 10 当当 UREF = 10 V时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 9.76 mV 双极性输出双极性输出： 对于对于 5G7520分辨率分辨率= 00196. 0 511 1 12 1 9 当当 UREF = 10 V 时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 19.6 mV 绝对误差绝对误差= =理论满度值理论满度值- -实际满度值实际满度值 （LSB） 2)2)转换误差转换误差 可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最 低有效位（低有效位（LSB

13、LSB）的倍数表示。）的倍数表示。 如如: （LSB）= 输入为输入为 0001 时输出模拟电压时输出模拟电压 的一半。的一半。 2. 转换速度转换速度 1)1)建立时间建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由为在大信号工作下（输入由全全 0 变为全变为全 1，或由或由 全全 1 变为全变为全 0）, 输出输出 电压达到某一规定值所需时间电压达到某一规定值所需时间 。 不包含不包含 UREF 和运放的单片和运放的单片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含 UREF 和运放的单片和运放的单片 DAC 最短最短 t s 1.5 s。 2)2)转换速率转换速率 SR 用大信号工作状态下

14、模拟电压的变化率表示用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示. TTR = ts + tr （tf） TTR（ （max） = ts+ UO（max） / SR 完成一次转完成一次转 换所需时间换所需时间 上升上升时间时间 下降下降时间时间 9.3.2 快速并行快速并行A/D转换器转换器 9.3.3 逐次比较型逐次比较型 A/D 转换器转换器 9.3.4 双积分型双积分型 A/D 转换器转换器 9.3.6 ADC的主要技术指标的主要技术指标 9.3.7几种几种A/D转换器的性能比较转换器的性能比较 uI(t) C C ADC的的 量化编码量化编码 电路电路 dn-1 d1 d0 u I(t) S

15、 S 模拟量模拟量 数字量数字量 量化编码量化编码 取样：取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持：保持取样信号保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。使有充分时间将其变为数字信号。 取样保持取样保持 （S / H Sample / Hold） 2. 取样取样 - 保持电路保持电路 1）电路组成及工作原理）电路组成及工作原理 S(t)=1，T导通，导通，C迅速充电到迅速充电到uI， 使使uO=uC=uI S(t)=0，T截止，截止，C保持保持T断开瞬时的值不变断开瞬时的值不变 S(t) t uI O t uO O tW TS t

16、1t2t3t4t5t6t7 当满足当满足 fs 2 fimax 时时, 取样信号可恢复原信号。取样信号可恢复原信号。 fs 取样频率。取样频率。 fimax 信号的最高频率分量。信号的最高频率分量。 tO O uI f O O )( fA fs fimax fimax uI tO O 2）集成电路）集成电路 (LF198) 及工作原理及工作原理 R2 Ch R1 uI uO uL u u O O 300 30 k D1D2 S 当当 uL = 1， S 闭合闭合 uO = u O = uI ， ，u C = uI 当当 uL = 0， S 断开断开 uO 保持保持 D1 、D2的作用的作用：限

17、制：限制 u O 在在 uI + uD以内，起保护作用以内，起保护作用。 6 2 1 4 5 3 8 7 uO uI uL Ch LF198 3. 量化和编码量化和编码 量化单位量化单位 数字信号最低位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小，所对应的模拟信号大小， 用用 表示（即表示（即 1 ）。）。 量化量化 把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。 量化误差量化误差 因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。整除而引起的误差。 编码编码 把量化的数值用二进制代码表示。把量化的数值用二进制代码表示。 划分量化电平的两种方法划分量化电

18、平的两种方法 0 1V 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 000 001 010 011 100 101 110 111 模拟模拟 电平电平 二进制二进制 代码代码 代表的代表的 模拟电平模拟电平 0 = 0 1 = 1/8 2 = 2/8 3 = 3/8 4 = 4/8 5 = 5/8 6 = 6/8 7 = 7/ 8 1V 1/15 3/15 5/15 7/15 9/15 11/15 13/15 000 001 010 011 100 101 110 111 0 模拟模拟 电平电平 二进制二进制 代码代码 代表的代表的 模拟电平模拟电平 0 = 0 1 = 2/15

19、2 = 4/15 3 = 6/15 4 =8/15 5 = 10/15 6 = 12/15 7 =14/15 最大量化误差最大量化误差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V & & & & & & & & & & & & 9.3.2 快速并行快速并行A/D转换器转换器 R R R R R R R R R R R R R R R R /2/2 U UREF REF u uI I 比较器比较器 1D1D 1D1D 1D1D 1D1D 1D1D 1D1D 1D1D CP 寄存器寄存器 d d2 2 d d1 1 d d0 0 编码器编码器 REF 15 1 U REF 15 3

20、 U REF 15 5 U REF 15 13 U REF 15 7 U REF 15 9 U REF 15 11 U u uI I u uI I u uI I u uI I u uI I u uI I u uI I u uI I 1)工作原理工作原理 D/A u uI I 逐次渐近逐次渐近 寄存器寄存器 比较器比较器 参考参考 电源电源 时钟时钟 信号信号 MSBLSB MSB LSB 并行数字输出并行数字输出 转换控制信号转换控制信号 1000 3.2V8V 1 0111 7V 0110 6V 0101 5V 0100 4V 0011 3V 0 0011 9.3.3 逐次比较型逐次比较型

21、A/D 转换器转换器 读出控制读出控制 控制逻辑控制逻辑 电路电路 逐次渐近逐次渐近 寄存器寄存器 比比 较较 器器 2)转换过程举例转换过程举例 3 位位 D/A Q 1S1R d0 + CP d1d2 1 Q 1S1R FFBFFC 1 d0 d1 d2 uI uO uC C C 5位环行移位寄存器位环行移位寄存器 Q1Q2 Q3Q4Q5 Q FFA 1S1R /2 输出偏移输出偏移 Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0 功能功能R S Q n 1 0 不用不用 保持保持 置置1 置置0 不许不许 CP 1 2 3 4 5 Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V

22、u O/VuCd2 d1 d0 0 0 0 0 1 0 0 0 5.9 0 0.500 0 0 1 0 0 0 01 0 043.500 0 0 0 1 0 0 0 1 1 065.500 0 0 0 0 1 0 0 1 1 176.510 0 0 0 0 0 1 01 1 065.500 0 0 0 0 0 0 1 1 1 065.501 1 0 转换思路：转换思路： 模拟输入模拟输入 uI t t 控制计数控制计数 CP 个数个数 输出二进制数输出二进制数 9.3.4 双积分型双积分型 A/D 转换器转换器 CO 00 000 101 0 01 110 010 111 1 1 00 000

23、 101 101 每进行完一次每进行完一次 2n 进制计数，定时器置进制计数，定时器置 1， S1 合向合向基准电压基准电压 电容电容 C 放电放电 S2 C S1uI 逻辑逻辑 控制门控制门 C 定时器定时器 n 位二进制位二进制 计数器计数器 & dn1d0 u CP 基准电压基准电压 逐次比较型逐次比较型 双积分型双积分型 9.3.7几种几种A/D转换器的性能比较转换器的性能比较 1. A/D类型：类型： 直接直接 A/D 反馈比较型：反馈比较型：逐次比较型逐次比较型，计数型。，计数型。 间接间接 A/D 电压电压-时间变换型（时间变换型（V -T）：）：双积分型双积分型 电压电压-频率

24、变换型（频率变换型（V- F） 并行比较型并行比较型 2. 性能比较：性能比较：优点优点缺点缺点 并行比较型并行比较型转换速度高转换速度高转换精度差转换精度差 逐次比较型逐次比较型分辨率高、误差低分辨率高、误差低 转换速度较快转换速度较快 双积分型双积分型性能稳定性能稳定 转换精度高转换精度高 抗干扰能力强抗干扰能力强 转换速度低转换速度低 例例9.3.1 某信号采集系统要求用一片某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在转换集成芯片在1秒钟内秒钟内 对对16个热电偶的输出电压分时进行个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电转换。已知热电偶输出电 压范围为压范围为00.025V

25、(对应于对应于0450温度范围温度范围)，需要分辨的温度为，需要分辨的温度为 0.1，试问应选择多少位的，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？转换器，其转换时间为多少？ 解：解： 0.11 4504500 = 由题意可知分辨率为由题意可知分辨率为 12 11 214095 = - 12位位A/D转换器的分辨率为转换器的分辨率为 故必须选用故必须选用13位的位的A/D转换器。转换器。 系统的采样速率为每秒系统的采样速率为每秒16次，采样时间为次，采样时间为62.5ms。 对于这样慢速的采样任何一个对于这样慢速的采样任何一个A/D转换器都可达到。转换器都可达到。 一、一、D/A 转换

26、器转换器 1. 功能：功能：将输入的二进制数转换成与之成正比将输入的二进制数转换成与之成正比 的模拟电量。的模拟电量。 2. 种类：种类： 权电阻网络、权电阻网络、R - 2R T 形电阻网络和形电阻网络和 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器。转换器。 实现数模转换有多种方式，常用的是实现数模转换有多种方式，常用的是 电阻网络电阻网络 D/A 转换器，包括转换器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器为重点作了详转换器为重点作了详 细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造，细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造， 因而被广泛采用。因而被广泛采用。 3. 分辨率和转换精度：分辨率和转换精度： 与与 D/A 转换器的转换器的位数位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。有关，位数越多，分辨率和精度越高。 二、二、A/D 转换器转