第9章模数转换器与数模转换器

1、1重大通信重大通信学院学院何伟何伟第第11章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器主要内容主要内容11.1 转换系统转换系统 11.2 数模转换器数模转换器 11.3 模数转换器模数转换器 11.4 集成集成ADC 2重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.1 转换系统转换系统 数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域，例如通信、数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域，例如通信、网络、控制系统、检测系统等。但是接口输入信号（如温度、位移）网络、控制系统、检测系统等。但是接口输入信号（如温度、位移）和输出信号（如电压、图象信号）往往是模拟量，因此和输出信号（如电压、图象信号）往

2、往是模拟量，因此A/D和和D/A必必不可少。不可少。A/D转换：将模拟信号转换为数字信号，相应的电路叫转换：将模拟信号转换为数字信号，相应的电路叫A/D转换器，转换器，简称简称ADC；D/A转换：将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫转换：将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫D/A转换器，转换器，简称简称DAC。 3重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.1 转换系统转换系统11.1.1 数字控制系统数字控制系统特点：特点：每路有单独的每路有单独的ADC和和DAC，由计算机循环检测与控制。，由计算机循环检测与控制。4重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.1 转换系统转换系统 特点：特点： 共用

3、共用ADC、信道和、信道和DAC； 采用多路模拟开关。采用多路模拟开关。11.1.3 自动测试与测量设备自动测试与测量设备11.1.4 多媒体计算机系统多媒体计算机系统11.1.2 数据传输系统数据传输系统5重大通信重大通信学院学院何伟何伟第第11章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器主要内容主要内容 11.1 转换系统转换系统11.2 数模转换器数模转换器 11.3 模数转换器模数转换器 11.4 集成集成ADC 6重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器11.2.1 D/A转换原理和一般组成转换原理和一般组成 1D/A转换原理转换原理 输出模拟电压的大小与

4、输入数字量大小成正比。输出模拟电压的大小与输入数字量大小成正比。 10)2(niiiODkVLSB：最低位的权值，即最低位的权值，即2O=1，它是信息所，它是信息所能分辨的最小量，如能分辨的最小量，如“00000001”。MSB：最高位的权值，即最高位的权值，即2n - 1=128，如，如“1000 0000”。FSR：最大数字量所对应的值，如最大数字量所对应的值，如“1111 1111”，也叫满度值。，也叫满度值。 7重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器2DAC的一般组成的一般组成 8重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器1电路电路 11.2

5、.2 权电阻网络权电阻网络DAC 2原理原理)2222(2)2122(2)(001122334032230123DDDDVDRVDRVDRVDRVRIIIIRRiRiVREFREFREFREFREFFFFFOD优点：优点：结构简单，所用电阻元件少；结构简单，所用电阻元件少；缺点：缺点：阻值相差很大，精度难以保证；阻值相差很大，精度难以保证； 模拟开关有内阻，影响精度。模拟开关有内阻，影响精度。 模拟开关切换瞬间，模拟开关切换瞬间，存在寄生电容充放电现象。存在寄生电容充放电现象。 【例例11-1 】 【例例11-2 】P412413 自看自看9重大通信重大通信学院学院何伟何伟)(22222001

6、122334RRDDDDViRVFREFFO令令）（11.2 数模转换器数模转换器1电路电路 11.2. 3 例例T形电阻网络形电阻网络DAC 2原理原理D由于由于“虚地的存在，虚地的存在，S3、S2、S1、S0无论置于何处，各支路的电流无论置于何处，各支路的电流不变；不变；由于从由于从A、B、C向右看其向右看其等效电等效电阻均为阻均为2R，所以从左到右各支路，所以从左到右各支路电流依次为电流依次为: : 16842IIII、RVIDIDIDIDIiREF，且，且012316842优点：优点：电阻值范围小，且只有两种阻值，便于集成；无寄生电容充放电现象。电阻值范围小，且只有两种阻值，便于集成；

7、无寄生电容充放电现象。缺点：缺点：电阻用量较多，模拟开关内阻将影响精度。电阻用量较多，模拟开关内阻将影响精度。 10重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器3DAC集成片集成片AD7524简介及其应用举例简介及其应用举例 【实例【实例1 】00000000 0V00000001 0.039V (LSB)11111111 9.96V (FSR)【实例【实例2 2 】00000000 00000000 衰减衰减00000001 00000001 衰减衰减256256倍倍00000100 00000100 衰减衰减6464倍倍10000000 10000000 衰减衰减2 2倍

8、倍11重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器1电路电路 11.2. 4 单值电流型网络单值电流型网络DAC 2原理原理优点：优点：采用恒流源克服了开关内阻对转换精度的影响；采用恒流源克服了开关内阻对转换精度的影响； 采用采用ECLECL开关电路，提高了转换的速度。开关电路，提高了转换的速度。 前两种方法都受模拟开前两种方法都受模拟开关内阻的影响，降低了转换关内阻的影响，降低了转换精度。该法可克服之。精度。该法可克服之。 12重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器1. . 转换精度转换精度 11.2.5 DAC的转换精度与转换速度的转换精度与转换速

9、度 分辨率：分辨率：表示表示DACDAC对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSBLSB）所对应模拟）所对应模拟量的值。量的值。由于满度值所代表的模拟值在不同的应用中是可变的，因由于满度值所代表的模拟值在不同的应用中是可变的，因此分辨率通常用此分辨率通常用DACDAC二进制的位数来表示，如二进制的位数来表示，如8 8位、位、1010位、位、1212位，有位，有时也表示成：时也表示成：1211nFSRLSB分分辨辨率率转换误差：转换误差：指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差。指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差。 通常有两种表示方法，即绝对误差、相对误

10、差。通常有两种表示方法，即绝对误差、相对误差。 绝对误差：绝对误差：用最低有效位的分数形式表示，如用最低有效位的分数形式表示，如(1/2)LSB，则它表示最大误差：则它表示最大误差：1221nFSEVV相对误差：相对误差：用最大误差与满量程电压用最大误差与满量程电压V VFSFS的百分数表示。例如相对误差为的百分数表示。例如相对误差为0.1%0.1%，则表示最大误差：则表示最大误差：V VE E= =0.1%0.1%V VFSFS，如果，如果V VFSFS=10V=10V，V VE E= =10mV10mV。13重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器转换误差主要由三种误

11、差构成：转换误差主要由三种误差构成： (1) 非线性误差非线性误差（非线性度）（非线性度） 理想理想DAC的转换特性应是线性的，实际转换中，在满刻度范围内偏离理的转换特性应是线性的，实际转换中，在满刻度范围内偏离理想，转换特性的最大值称为线性误差。通常较好的想，转换特性的最大值称为线性误差。通常较好的DAC的线性误差不大于的线性误差不大于1/2LSB。产生原因：产生原因： 模拟电子开关导通电阻的离散性；模拟电子开关导通电阻的离散性； R R和和2R2R电阻值的离散性。电阻值的离散性。 14重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.2 数模转换器数模转换器(2) 漂移误差漂移误差 在整个范围内出现的

12、大小和符号都固定不变的误差。（也叫系统误差）在整个范围内出现的大小和符号都固定不变的误差。（也叫系统误差）产生原因：产生原因：由运放的零点漂移造成。由运放的零点漂移造成。消除方法：消除方法：通过零点校准的方法，但不能在整个温度范围内校准。通过零点校准的方法，但不能在整个温度范围内校准。(3) 增益误差增益误差 由由RF、R和和VREF的精度和稳定性造成的输出电压偏离理想直线的最大值。的精度和稳定性造成的输出电压偏离理想直线的最大值。消除方法：消除方法：外围电阻选择精密电阻，外围电阻选择精密电阻，VREF选择高精度、高稳定性电源。选择高精度、高稳定性电源。2. 转换速度转换速度定义：定义：指输入

13、数字量有满度值变化时，输出电压达到稳定所需要的时间。指输入数字量有满度值变化时，输出电压达到稳定所需要的时间。稳定：稳定：模拟输出稳定到模拟输出稳定到 FSR (1/2)LSB15重大通信重大通信学院学院何伟何伟第第11章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器主要内容主要内容 11.1 转换系统转换系统 11.2 数模转换器数模转换器 11.3 模数转换器模数转换器 11.4 集成集成ADC 16重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器11.3.1 A/D转换基本原理转换基本原理 基本流程：基本流程：模拟信号模拟信号( (A)采样采样保持保持量化量化编码编码数字

14、信号数字信号(D)(D) 1. 1. 采样、保持采样、保持 为什么要采样、保持？为什么要采样、保持？原因：原因： A/DA/D转换是需要时间的，不能对所有连续点都转换，只能对采样点；转换是需要时间的，不能对所有连续点都转换，只能对采样点； 为避免数据量过大，造成存储和处理的困难。为避免数据量过大，造成存储和处理的困难。采样：采样：将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散，数值连续的模拟将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散，数值连续的模拟量。量。保持：保持：A/DA/D转换并不是瞬间完成的，它要求在转换器件被转换的模拟值保持不转换并不是瞬间完成的，它要求在转换器件被转换的模拟值保

15、持不变，以保证转换的精度。变，以保证转换的精度。取样原理：取样原理：定义：定义：为保证能从取样信号将原来的被取样信号无失真地恢复，必须满足：为保证能从取样信号将原来的被取样信号无失真地恢复，必须满足：fs2fimax 17重大通信重大通信学院学院何伟何伟取样取样保持电路保持电路 原理：原理：S(t)=1,T?,VI对对CH充电充电,VO=VI 采样采样S(t)=0,T ,VO=VC不变不变 保持保持 18重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器2. 2. 量化、编码量化、编码 量化：量化：将取样电压转化为最小单位的整数倍的过程。最小单位也叫量化单位，将取样电压转化为最小单

16、位的整数倍的过程。最小单位也叫量化单位，用用表示，显然表示，显然=1 LSB =1 LSB 。编码：编码：把量化结果用代码把量化结果用代码(通常是二进制、二一十进制、七段码通常是二进制、二一十进制、七段码)表示的过程。表示的过程。 两种均匀量化编码方式：两种均匀量化编码方式： VV11最最大大量量化化误误差差VV5 . 0211最最大大量量化化误误差差19重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器11.3.2 并联比较型并联比较型ADC 直接直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。间接间接ADC：先将输入模

17、拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。 直接直接ADCADC 间接间接ADC并联反馈型并联反馈型 * 反馈比较型反馈比较型 计数型计数型 逐次逼进型逐次逼进型 *双积分型（即双积分型（即V-TV-T变换型）变换型）* V-FV-F变换型变换型 20重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器1. 1. 电路电路 组成：组成：电压比较器；电压比较器；寄存器；寄存器；优先编码器。优先编码器。2 2工作原理：工作原理

18、： 21重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器REFV14150输输入入电电压压范范围围：REFV71REFV14121最最大大误误差差范范围围优点：优点：转换速度快，如转换速度快，如TDC 1007J 8ADC转化速率达转化速率达30MHz，SDA5010型型6位位ADC达达100MHz 该该ADC内含寄存器，可以不用附加取样内含寄存器，可以不用附加取样保持电路，因为比较器保持电路，因为比较器和寄存器兼着取样和寄存器兼着取样保持的功能。保持的功能。缺点：缺点：电路复杂、成本高、功耗大。电路复杂、成本高、功耗大。适用场合：适用场合：高速、低分辨率的场合。高速、低分辨率的

19、场合。22重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器11.3. 3 逐次逼进型逐次逼进型ADC 计数型计数型ADC原理：原理： 先将输出数字量先将输出数字量置置0，经，经D/A转换后与转换后与VI比较，若小于比较，若小于VI，则计数器对则计数器对CP计数，计数，其输出经其输出经D/A转化后转化后再与再与VI比较比较,直到等于直到等于VI时停止计数时停止计数,此时的此时的数字量输出即为数字量输出即为A/D转换的结果。转换的结果。缺点：缺点：速度慢。速度慢。优点：优点：电路非常简单。电路非常简单。23重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器2工作原理：工作

20、原理： 转换开始前先将寄存器清零；转换开始前先将寄存器清零；当当VL=1时，开始转换，时，开始转换，CP先将寄存先将寄存器最高位置器最高位置1，该数字量被，该数字量被DAC转换转换成相应的模拟电压成相应的模拟电压VO，并送入比较，并送入比较器器C与与VI进行比较。进行比较。如果如果Vo-/2V-/2VI I说明该数过大，此说明该数过大，此1应去掉，否则说明该数字不超大，应去掉，否则说明该数字不超大，保留保留1；将次高位置将次高位置1，并比较，并比较Vo-/2-/2与与V VI I的大小以确定这一位的的大小以确定这一位的1是否保留；是否保留；逐次比较直至逐次比较直至LSB为止，此时寄存为止，此时

21、寄存器中的数字就是器中的数字就是A/D转换的输出数转换的输出数字量。字量。1逐次逼进型电路结构框图逐次逼进型电路结构框图 注意：注意： 该过程类似于对分搜索的问题。该过程类似于对分搜索的问题。 该过程也如同天平称重每次所用法码依次该过程也如同天平称重每次所用法码依次减半的称法。减半的称法。24重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器电路结构电路结构与波形与波形： 25重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器【例【例】转换范围转换范围07.5V，3位位逐次逼进型逐次逼进型ADC，采用四舍五入法量化，模拟输，采用四舍五入法量化，模拟输入为入为5.9V时的

22、转换过程如下：时的转换过程如下：开始开始 000 0V CP0 100 4V -0.5V 5.9V (保留保留)CP1 110 6V -0.5V 5.9V (不保留不保留)CP3 将结果将结果110送入输出寄存器。送入输出寄存器。优点：优点：转换速度较快，只需转换速度较快，只需n+1或或n+2个个CP即可完成。即可完成。 电路较简单，（比并联比较型的电路规模小得多），可将位电路较简单，（比并联比较型的电路规模小得多），可将位数做得较高，是目前用得最多的产品。数做得较高，是目前用得最多的产品。转换过程为：转换过程为：100（ ） 110（ ） 111（ ） 110（输出输出） 26重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换器模数转换器11.3.4 双积分型双积分型ADC 27重大通信重大通信学院学院何伟何伟11.3 模数转换