数字-模拟转换

1、第十章第十章 数数 / 模模 、 模模 / 数数 变换器变换器10. 1 概述概述10. 2 数数 / 模转换器模转换器10. 3 模模 / 数转换器数转换器 10.1 概述概述计计算算机机模模拟拟信信号号模模拟拟信信号号A / DD / AA / D ： Analog to DigitalD / A ： Digital to Analog 10. 2 数数 / 模模 转换器转换器 ( DAC )10. 2. 3 T型电阻网络型型电阻网络型 10. 2. 1 权电阻网络型权电阻网络型 10. 2. 2 权电流型权电流型 10. 2. 4 D/A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标10. 2

2、. 5 集成集成 DAC 0832及其应用及其应用10. 2. 1 权电阻网络型权电阻网络型 D / A 转换器转换器 ：VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3所谓所谓“权电阻权电阻”， 是指电阻值是指电阻值的大小，的大小， 与有与有关关数字量数字量的的权权重密切相关。重密切相关。10. 2. 1 权电阻网络型权电阻网络型 D / A 转换器转换器 ：VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1

3、D0S0S1S2S3电子开关电子开关 ：Dn = 1 时，时，Sn 接接VREF ；Dn = 0 时，时，Sn 接地端接地端 。 T2 管饱管饱和和导通导通，T1T2SDa模拟电子开关模拟电子开关的的简化原理电路简化原理电路 当当 D = 1 时，时，1T2Sa0T1S S 点与点与 a 点相通点相通 ，T1 管管截止截止 ， 而而 a 点在电路中和点在电路中和VREF连连 。 T2 管管截截止止，T1T2SDa模拟电子开关模拟电子开关的的简化原理电路简化原理电路 当当 D = 0 时，时，0T2Sa T1 管饱和管饱和导通导通，1T1SS 点与地相通点与地相通 。VREF+-uoD3D2D1

4、D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)23R22R21R20RVREFI1 = 2I0 I2 = 4I0I3 = 8I0当当 D3D2D1D0 = 1111时时 ：S0S1S2S3D3D2D1D0(LSB)(MSB)I = I0 + I1 + I2 + I3最低位最低位最高位最高位I0 =VREF23 R参考参考电压电压VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)I = I0 + I1 + I2 + I3=VREF23R( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 )VREF+-

5、uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)uo = - IR / 2 VREF24= - ( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 )10. 2. 2 权电流网络型权电流网络型 D / A 转换器转换器 ：+-uoR- VREFI/16I / 8I / 4I / 2S0S1S2S3iID0D1D2D3uo I R24( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 )= 每个支路每个支路电流的大小，电流的大小，与有关数字量与有关数字量的权重密切相的权重密切相关。关。10. 2. 3 T形解码网络形解码网络D / A转换器转换器( 以

6、以4位为位为例例 )+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0IABCD通过详细的推导分析，通过详细的推导分析， 即可获得模拟输出电压即可获得模拟输出电压 uo 与数与数字量以及电路中其它参数的关系。字量以及电路中其它参数的关系。I = I3 + I2 + I1 + I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=UR RF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0R

7、FD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0IABCD URRRR2R2R2R2R+-AuoS2S3S1S0RFI2RI / 8I / 4I / 2iII 16I 16D0D1D2D3倒倒T型电阻网络型电阻网络D / A转换器转换器10. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标一、一、分辨率分辨率 用输入数字量的用输入数字量的有效位数有效位数来表示分辨率。来表示分辨率。此外，此外， 也可以用也可以用D/A转换器能够分辨出来转换器能够分辨出来的的最小输出电压最小输出电压 (此时输入的数字代码只有最此时输入的数字代码只有最低有效位为低有效位为 1，其余各位都是，其余

8、各位都是 0 ) 与与最大输出最大输出电压电压 (此时输入的数字代码所有各位全是此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比之比来给出分辨率来给出分辨率 。例如，例如，对一个十位对一个十位D/A转换器来说转换器来说 ，210 1110231 0. 001 二、二、转换误差转换误差7. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 转换误差通常用输出电压满刻刻度转换误差通常用输出电压满刻刻度FSR ( Full Scale Range ) 的百分数表示的百分数表示 。 例如例如 ，给出转换误差为给出转换误差为 LSB ，21 这就表示输出模拟这就表示输出模拟 电压的绝对误差等于输入数字

9、代码为电压的绝对误差等于输入数字代码为 0001 时输出电压的一半时输出电压的一半 。 造成转换误差的造成转换误差的原因原因主要有主要有 ：参考电压参考电压 VREF的波动的波动 ；运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移 ；模拟开关的导通内阻和导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压 ；电阻网络中的电阻值偏差电阻网络中的电阻值偏差 ；.10. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标三、三、D/A转换器的转换器的转换速度转换速度 为了便于定量地描述为了便于定量地描述D/A转换器的转换转换器的转换 速度速度 ， 定义了定义了建立时间建立时间 tS 和和转换速率转换速率 SR两两 个

10、参数个参数 。1. 建立时间建立时间 tS 通常以大信号工作情况下通常以大信号工作情况下 ( 输入由输入由全全 0 变为全变为全 1 或者由全或者由全 1 变为变为 全全 0 )输出电压到达某一规定值所需要的时输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间间定为建立时间 tS 。 建立时间最短的可达建立时间最短的可达 0. 1 s 。 这个参数的值越小越好这个参数的值越小越好 。10. 2. 4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标三、三、D/A转换器的转换器的转换速度转换速度2. 转换速率转换速率 SR 转换速率转换速率 SR 以大信号工作状态下以大信号工作状态下 输出模拟电压的

11、变化率表示输出模拟电压的变化率表示 。 D/A转换器完成一次转换所需要的转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升时间应包括建立时间和上升(或下降或下降)时时 间两部分间两部分 ， 它的最大值为它的最大值为TTR(max) = tS + VO(max) / SR其中其中 VO(max) 为输出电压的最大值为输出电压的最大值 。10. 2. 5 集成集成 DAC 0832及其应用及其应用 D/A转换器集成电路有多种型号。转换器集成电路有多种型号。下面仅以下面仅以DAC0832为例来介绍集成电为例来介绍集成电路路 D/A 变换器。变换器。 它是八位的它是八位的 D/A 转换器，即在转换器

12、，即在对其输入八位数字量后，通过外接对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。拟电压值。 下图是它的封装下图是它的封装管脚图管脚图和和内部内部电路图电路图：CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDLCEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC 0832 管脚分布图管脚分布图八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA

13、/DD7D0.11ADC 0832 简化电路框图简化电路框图八位八位变换器变换器A/DRf BIout1Iout2AGNDDGNDURD7D0.八位八位寄存器寄存器(1)输入输入寄存器寄存器八位八位(2)DACCSWR1ILEXFERWR2VCCuo运放需运放需要外接要外接八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11八位八位寄存器寄存器(1)输入输入寄存器寄存器八位八位(2)DACD7D0. 输入数据先存放在寄存器输入数据先存放在寄存器(1) 中

14、，中， 而输出的模拟值由存而输出的模拟值由存 放在寄存器放在寄存器(2)内的数据决定。内的数据决定。 当把数据由输入寄存器当把数据由输入寄存器(1)转存到转存到DAC寄存器寄存器 (2)以后，以后， 输入寄存器输入寄存器(1)就可以接受新数据而不影就可以接受新数据而不影 响模拟输出值。响模拟输出值。 该结构便于多路该结构便于多路DAC同时工作。同时工作。八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11CSWR1ILE当这三个控制端均有效时，当这三个控

15、制端均有效时，LE1LE1端才有效端才有效 ， 否则否则 就不随数据总线而变化就不随数据总线而变化 。WR1变高时变高时 ，八位输入寄存器便将输入数据锁存八位输入寄存器便将输入数据锁存 。 寄存器寄存器(1)的输出随其输入变化，的输出随其输入变化， 八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11CSWR1ILELE1XFERWR2当这两个控制端均有效时，当这两个控制端均有效时，LE2端才有效端才有效 ，WR2变高时变高时 ， 八位八位DAC寄存器便

16、将输入数据锁存寄存器便将输入数据锁存 。LE2 寄存器寄存器(2)的输出随其输入变化，的输出随其输入变化， 例例. 单步输入操作单步输入操作 - 适用于单个适用于单个DAC工作工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-+.1(a)D7 D0CSWR1数据数据存入存入数据数据 锁定锁定( b)10. 3 模模 / 数数 转换器转换器 ( ADC ) 10. 3. 2 并联比较型并联比较型 10. 3. 3 逐次逼近型逐次逼近型 10. 3. 4 A / D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 10. 3. 5 集成集成 ADC0804 及其应用及其应用 10.

17、3. 1 采样定理采样定理 因为输入的模拟量在因为输入的模拟量在时间上是连续的，时间上是连续的， 10. 3. 1 采样定理采样定理 在在A / D转换中，转换中， 而输出的数字信号是离而输出的数字信号是离 散量，散量， 所以进行转换时只能在一系列选定所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间的瞬间 (亦即瞬间坐标轴上的一些规定点亦即瞬间坐标轴上的一些规定点) 对输入的模拟信号采样，对输入的模拟信号采样， 然后再把这些采然后再把这些采样值转换为输出的数字量样值转换为输出的数字量 。A / D 转换过程应包括转换过程应包括 ：采样、采样、保持、保持、量化、量化、编码编码 这四个步骤这四个步骤 。0tu

18、i1. 采样定理采样定理0tui 为了保证能从采样为了保证能从采样信号将原来的被采样信信号将原来的被采样信号恢复，号恢复，必须满足必须满足fS 2 f i maxfS ： 采样频率采样频率 。 f i max ： ui 的最高频分的最高频分 量的频率量的频率 。2. 量化和编码量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，数字信号不仅在时间上是离散的， 而且，而且，数值大小的变化也是不连续的。数值大小的变化也是不连续的。这就是说，这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最任何一个数字量的大小只能是某个规定的最 小数量单位的整数倍。小数量单位的整数倍。因此因此 ， 在进行在进行 A / D 转

19、转换时也必须把采样电压化为这个最小单位换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的的整数倍。整数倍。这个转化过程就叫做这个转化过程就叫做 “量化量化”， 所所取的最少数量单位叫做取的最少数量单位叫做量化单位量化单位， 用用表示。表示。显然，数字信号最低有效位的显然，数字信号最低有效位的 1 代表的数量代表的数量 大小就等于大小就等于 。 把量化的结果用代码把量化的结果用代码 (二进制或二二进制或二 十十 进制进制 )表示出来，表示出来，称为称为 “ 编码编码 ” 。3. 采样采样 保持电路保持电路T+-uouiULR1RFCF当当 UL为高电平时，为高电平时， MOS管管T导通，导通，ui 经电阻

20、经电阻 R1和管和管T向电容向电容 CF充电充电 。当当 UL为低电平时，为低电平时， MOS管管T截止，截止，忽略各种漏电流，电容忽略各种漏电流，电容CF上的电压得以保持上的电压得以保持 。 10. 3. 2 并联比较型并联比较型-+-+-+-+-+-+-+uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出数字输出AGFECDB编编码码器器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8 电路如左图电路如左图所示，所示， 它由三它由三部分组成：部分组成： 这种这种A/D 变变换器的优点是换器的优点是转换速度快，转换速度快，缺点缺点 是所需比是所需比较器数目多，较器数目多，位数越多矛盾位数越多矛

21、盾越突出。越突出。 分压分压器器、ERRRRRRRR7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8比较器比较器、和和编码器编码器。D2D1D0数字输出数字输出AGFECDB编编码码器器+-+-+-+-+-+-+-+ux比较器输出比较器输出E ux 7E / 87E / 8 ux 6E / 86E / 8 ux 5E / 85E / 8 ux 4E / 84E / 8 ux 3E / 83E / 8 ux 2E / 82E / 8 ux 1E / 81E / 8 ux 0A B C D E F G D2D0D1编码器输出编码器输出输入电压输入电压ux1 1 1 1 1 1 11111 1

22、 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000逻辑状态关系表逻辑状态关系表 设待设待秤重量秤重量 Wx = 13克，克， 10. 3. 3 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。比喻来说明。 若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为 8、4、2、1克克 。 可以用下表步骤可以用下表步骤来秤量来秤量 ：砝码重砝码重暂时结果暂时结果 结结 论论第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测

23、重量待测重量Wx ，8 克克第二次第二次加加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，12 克克第四次第四次砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，加加1克克13 克克 故故保留保留 故故保留保留 故故撤除撤除 故故保留保留1000移位寄存器移位寄存器1000数码寄存器数码寄存器A / Duo清清 0、置数、置数控控制制逻逻辑辑ux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uc时钟时钟清清 0、置数、置数“1”状态是否保留状态是否保留控制端控制端CP、(移位命令移位命令)逐次逼近型逐次逼近型 ADC工作过程展示工作过程展示 10. 3. 4 A / D 转换器的主要技术指标转换器的主要技

24、术指标 一、一、分辨率分辨率： 以输出二进制代码的以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数表示分辨率。 位数越多，量化误差位数越多，量化误差越小，转换精度越高。越小，转换精度越高。 二、二、转换速度转换速度： 完成一次完成一次 A / D转换转换所需要的时间，所需要的时间， 即从它接到转换命即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。出所需要的时间。 三、三、相对精度相对精度： 实际转换值和理想实际转换值和理想特性之间的最大偏差。特性之间的最大偏差。 四、四、其它其它： 功率、功率、 电源电压、电源电压、 电压电压范围等。范围等。 10. 3.

25、 5 集成集成 ADC0804 及其应用及其应用 A / D转换组件有多种型号可转换组件有多种型号可供选择，供选择， 如：高速的，如：高速的， 高分辨率高分辨率的，的， 高速且高精度的等等。高速且高精度的等等。 使使用者可根据任务要求进行选择。用者可根据任务要求进行选择。 下面以下面以 ADC0804 为例为例 ， 介绍集介绍集成电路成电路 A / D 变换器。变换器。 ADC 0804 是分辨率为是分辨率为八位八位的模数转换组件，的模数转换组件， 采用逐次逼近采用逐次逼近型工作原理。型工作原理。D7D0+-控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器八八位位三三态态输输出出锁锁存存器器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND+-WRCSINTRRDCS11ADC0804 内部电路框图内部电路框图电压跟随器电压跟随器电电压压比比较较器器.CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1