数字9章--数模与模数转换器

1、第九章第九章 数数/ /模与模模与模/ /数转换电路数转换电路概述：概述：9.1 D/A转换器转换器 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.2 A/D转换器转换器 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器转换器9.1 D/A转换器转换器一一 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模拟量，然对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量

2、，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/ /模拟转模拟转换。换。D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出01234567001010011100101110111vo/VD000最小量化单位最小量化单位二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所以，无论所以，无论Si 处于何种位置，与处于何种位置，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）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di 控制，控制，当当Di =1时，时，Si 接运算放大器反相输入

3、端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii 流入求和电路；流入求和电路；当当Di =0时，时，Si 将电阻将电阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622电路由倒电路由倒T形电阻网络，模拟开关和运算放大器组成形电阻网络，模拟开关和运算放大器组成。运算放大器：运算放大器： 1. A 趋向于无穷大趋向于无穷大 2 。V+=V-=0V 3。 VO= - i.RfR-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络基准电流基准电流: I=VREF/R，基准电流基准电流: I=VREF/R，流过

4、各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB )2(2304iiiREFDRV 输出电压：输出电压：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR )2(210OiniinREFfDVRRv )2222(13223140DDDDRViREF 总电流：总电流：nREFfVRRK2 其中：其中：分析计算：分析计算：三三. D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0808是是8位权电流位权电流型型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输

5、入是数字量输入端。端。 使用使用时，需要外接运时，需要外接运算放大器和产生基准算放大器和产生基准电流用的电阻电流用的电阻R1。当当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为： 7087018O221022iiiiiiREFfDDRVRv56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（ LSB）（ MSB）141524163Rf1RD/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（ 设设VREF=10V） 1。 单极性二进制码：单极性二进制码： 数

6、字 量 模 拟 量 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 1 0 0 0 0 0 0 0 - 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2。 符号数值双极性码符号数值双极性码)128127(REFV)1281(REFV)128127(REFV)1281(REFV1.转换精度转换精度 五五 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）转换误差）转换误差此外，也可用此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，n位位D/A转

7、换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3. 温度系数温度系数在输入一定时，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一在输入一定时，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数来表示。，输出电压变化的百分数来表示。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用输

8、入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数数字量的位字量的位数表示数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。（1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应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。最短可达稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。9.2 A/D转换器转换器一一A/D转换的一般步骤和取样定理转换的一般步骤和取样定理 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为： 取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路

9、ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（ t）vI（ t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位） 取样定理：取样定理： 因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高频率分量的频率。的最高频率分量的频率。max2iSff tvIotSvo 对输入模拟信号的采样对输入模拟信号的采样可见，进行可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的转换时

10、所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。值。oovtIv二二 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当当vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI 经经 Ri 和和T 向电容向电容 Ch 充电。充电。vO=vI=vC。当当vL 返回低电平后，返回低电平后，T 截止。截止。Ch 无放电回路，所以无放电回路，所以 vO 的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。RRIvLvTAChvofitvIooLvt三三 并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）CCCCCCC4CCCCO 4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVR

11、EFVREF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O 7O 1O 2O 6O 5O 31762531234567IIIIIII7654321 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（ 1/15 3/15）VREF（ 3/15 5/15）VREF（ 5/15 7/15）VREF（ 7/15 9/15）VREF（

12、 9/15 11/15）VREF（ 11/15 13/15）VREF（ 13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1并行比较型并行比较型A/D转换器的特点：转换器的特点：1。转换是并行的，转换时间只受比较器、触发器和编。转换是并行的，转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此转换速度快码电路延迟时间限制，因此转换速度快

13、3。转换精度较低。转换精度较低2。随着分辨率的提高，元件数目按几何级数。随着分辨率的提高，元件数目按几何级数( )增加，增加，电路复杂电路复杂21n1 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近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：四四 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器vIREFV169VREF1016设：vICvD/A 转转换换器器移移位位寄寄存存器器数数据据寄寄存存器器REFVOv控控制制逻逻辑辑模模拟拟量量0D1D2DD3QQQ2Q13031Q0Q2QQ移位寄存器移位寄存器(Q3Q2Q1Q0)数据

14、寄存器数据寄存器(Q3Q2Q1Q0) D/A输出标输出标准电压准电压vo VC 输出量 1 1000 1000 8/16VREF 1 Q3=1 D3=1 2 0100 1100 12/16VREF 0 Q2=0 D2=0 3 0010 1010 10/16VREF 0 Q1=0 D1=0 4 0001 1001 9/16VREF 1 Q0=1 D0=1 2 转换框图：转换框图： 3 逻辑电路逻辑电路vIREFV169VREF1016设：RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVF

15、FFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（ MSB）（ LSB）vIvOvC1GG12FF50111 1 1 1 0000001 1 1 1 00000110100018/16VREF11 1 1 0 100011001112/16VREF011110000 3 逻辑电路逻辑电路vIREFV169VREF1016设：RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD321

16、00&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（ MSB）（ LSB）vIvOvC1GG12FF51011 1 1 1 0000111 1 1 0 1001112/16VREF01 1 0 1 100101010110/16VREF000000000 3 逻辑电路逻辑电路vIREFV169VREF1016设：RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（ MS

17、B）（ LSB）vIvOvC1GG12FF51011 1 1 1 0001011 1 0 1 1010110/16VREF01 0 1 1 10100110019/16VREF100001111 3 逻辑电路逻辑电路vIREFV169VREF1016设：RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（ MSB）（ LSB）vIvOvC1GG12FF51011 1 1 1 0

18、010011 0 1 1 110019/16VREF10 1 1 1 11100111111001逐次比较型逐次比较型A/D转换器的特点：转换器的特点：1. 电路结构比较简单电路结构比较简单2. 转换速度比较快转换速度比较快3. 转换精度较高转换精度较高转换时间与位数和转换时间与位数和CP频率有关，位数越少，频率有关，位数越少，CP频率越高，频率越高，转换速度越快，但是位数越少，转换精度下降。转换速度越快，但是位数越少，转换精度下降。五双积分型五双积分型A/D转换器转换器 它由积分器、过零比较器（它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（）、时钟脉冲控制门（G）和定时）和定时器器/计数器（

19、计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（ MSB）（ LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vGtVdtvvSSO 111 G（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电， vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从

20、0开始积分：开始积分： tdtvv0IO1 vI+vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000IVt 由于由于vO0V，比较器输出比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，被关闭，计数停止。计数停止。设设T2=t2t1，于是有：，于是有：0)(1)(21REFP2O dtVVtvtt I2REF2VTTVCn 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为个数为,则：则：T2=TC IREFC22VVTTn 可见，可见，T2与输入模拟电压与输入模拟电压VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。

21、t2即：即：T2T2ptv11TvG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000REFVvI+T1T2=TC IREFC22VVTTn IREFC22VVTTn 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为所以所以：表明，计数器中所计得的数表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），），与在取样时间与在取样时间T1内输入电压的平均值内输入电压的平均值VI成正比。成正比。只要只要VIVREF，转换器就能将输入电压，转换器就能将输入电压转换为数字量。转换为数字量。双积分型双积分型A/D转换器的特点：转换器的特点：1。电路结构简单。电路结构简单2。转换速度慢。转换速度慢3。转换精度高。转换精度高4. 抗干扰能力强抗干扰能力强六六 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。 一般