数模、模数转换电路

1、一、数一、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、数字系统间的桥梁模模 / 数数（A / D）转换转换:Analog to Digital Converter （ADC）数数 / 模（模（）转换）转换:Digital to Analog Converter （DAC）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 化学化学加热炉温度检测信号处理采样保持A/D变换计算机控制D/A变换功率控制 测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波，送入

2、模数转换电路，经号经放大、滤波，送入模数转换电路，经A/D转换器把电压信号转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。加热炉加热炉温度温度检测检测信号信号处理处理采样采样-保持保持功率功率控制控制D/A转换转换计算机计算机控制控制A/D转换转换二、二、 常见常见数模、模数转换器应用系统举例数模、

3、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DACDAC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 对对 象象DACADC三、三、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一、一、D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，

4、即可得到与数字量成正比的总模拟量，模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字从而实现数字/ /模拟转换。模拟转换。D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111 10210niiidN可利用运算放大器实现运算可利用运算放大器实现运算二、二、D/A 转换的电路组成转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2电子电子开关开关uO与与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。当当di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算

5、放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求流入求和电路；和电路；当当di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。求和运放求和运放电阻网络电阻网络二、二、D/A 转换的电路组成转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2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 / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理当当 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )2

6、12121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表达的一般形式表达的一般形式)222(20011223REFO dddUu三、输入为三、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 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 转换比例系数转换比例系数nUK2REFu 输出电压：输出电压：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII16227

7、.1.2 DAC 的转换精度、速度和主要参数的转换精度、速度和主要参数一、转换精度一、转换精度指指 D/A 转换器模拟输转换器模拟输出产生的最小电压变化量出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。也可用输入的位数表示。为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。大误差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit( (二二) )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）

8、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。( (一一) )分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、转换速度二、转换速度（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟在大信号工作状态下模拟电压的变化率。电压的变化率。（1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达短可达0.1S。三、主要参数三、主要参数D/A 转换器转换器 5G7520 的主要参数

9、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 500VV电源电压电源电压25 +255 35功功 耗耗mW 20温度系数温度系数FSR 106/C四、集成四、集成DAC芯片举例芯片举例1. 5G7520 的电路结构的电路结构UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1参考电压源，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uOUREFIO1IO25G75202234

10、16151413VDDd0 d9Rf 1VEERRW1RW2RW3 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 d3 d2 d1 d0uO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （1023 / 1024）UREF （1022 / 1024）UREF （1 / 1024）UREF0UREF 0，uO

11、0 3. 分辨率分辨率单极性输出单极性输出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 为为 10 位位 D / A 转换器，转换器，分辨率分辨率 = =000978. 01023112110 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. 051111219 当当 UREF = 10 V 时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 19.6 mVuI(t)C CADC的的量化编码量化编码电路电路dn-1d1d0u I(t)S S模拟量模拟量数字量数字量量化编

12、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）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 OuIfO O)( fAfs fimax fimaxuI tO O三、量化和编码三、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

13、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平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111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 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86

14、= 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110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 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化误差最大量化误差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V量化误差量化误差 7.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器转换原理：转换原理：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼

15、近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：一一 、基本工作原理电路、基本工作原理电路D/Au 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MSBLSBMSBLSB并行数字输出并行数字输出转换控制信号转换控制信号10003.2V8V101004V00102V00117.2.3 逐次渐近型逐次渐近型 A/D 转换器转换器3V00110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 二、转换过程举例二、转换过程举例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC C5位

16、环行移位寄存器位环行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2输出偏移输出偏移完成一次转换的时间完成一次转换的时间=（n+2)TcpQ n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不许不许CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500

17、0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 07.2.4 双积分型双积分型 A/D 转换器转换器转换思路：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 一、电路组成一、电路组成CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101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S2CS1uI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&dn1d0uCP基准电压基准电压 逐次比较型逐次比较型 双

18、积分型双积分型7.2.7 几种几种A/D转换器的性能比较转换器的性能比较优点优点缺点缺点并联比较型并联比较型转换速度高（几十转换速度高（几十ns) 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(几十几十us)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(几十几十ms）一、一、D/A 转换器转换器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