模电24(AD和DA转换器)

1．掌握倒T型电阻网络D/A转换器的组成和工作原理2．了解D/A转换器的电压输出方式3．了解A/D转换一般过程（四步：采样、保持、量化、编码）4．了解并行、逐次比较A/D转换电路的组成、原理掌握双积分A/D转换器的组成和工作原理基本要求数电10.模数与数模转换器概述：A/D转换：模拟量→数字量；D/A转换：数字量→模拟量。1应用举例：2应用举例：1、数字控制系统A/D运算处理工业控制对象传感器放大执行机构显示D/A发送端：模拟信号放大A/D编码调制发射接收端：解调解码D/A放大执行2、数字通信系统310.1数/模转换器一、D/A转换的基本原理1、需解决的问题：把输入的数字量（n位二进制代码）转换成与之成正比的模拟量（电流、电压）。2、思路：(1)将每一位二进制码按其权的大小转换成相应的模拟量；(2)将各位代码转换的模拟量求和。NB=dn-1

·2n-1+

dn-2

·2n-2+…

+

d1

·21

+

d0

·20DACd0d1A…dn-1输入n位代码kNB4数码寄存器基准电压N位模拟开关解码网络求和电路N位数字量输入模拟量输出n位D/A转换器方框图N位数字量控制N位模拟开关的状态。N位模拟开关状态控制解码网络是否把相应位的权对应的模拟量→求和电路。5+VREFI2RR2R2R2RRR2R•T型电阻网络有各支路电流分别为3、分类：(1)按解码网络：(2)按电子开关形式：权电流型；倒T型电阻网络型；T型电阻网络型；CMOS开关型双极型开关型610.1.1倒T形电阻网络D/A转换器R-2R电阻解码网络呈倒T形；D3～D0：输入数字量S3～S0:模拟开关；Si受Di控制：Di=1时，Si接运放反相端；Di=0时，Si将2R接地。运放A接成反相比例运算电路（外接）VREF：参考电压；vo：输出模拟电压+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR

D0D1D2

D3S0S1S2S3－1、电路组成：72、工作原理：由“虚地”可知，开关状态不影响电阻支路电流即有各支路电流分别为+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR

D0D1D2

D3S0S1S2S3－8+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR

D0D1D2

D3S0S1S2S3－∴流入运放反相端的总电流推广到n位，有NB9(3)反相比例放大器的输出：vo=－RfI∑··－－取Rf=R——输出模拟电压与输入数字量成正比。比例系数K为··－集成电路有：AD7520（10位）DAC1212（12位）AK7546（16位）+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR

D0D1D2

D3S0S1S2S3－10AD7533D/A转换器使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻例：集成D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器

113、倒T形电阻网络D/A转换器的特点：(1)模拟开关在地与输入之间转换，无论开关状态如何变化，各支路电流始终不变，即不需要电流建立时间。(2)各支路电流直接流入运放的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减少了动态过程中输出电压的尖峰脉冲。∴此种D/A转换器是目前速度最高，应用最多的一种。问题:S开关导通压降若不完全相同，将影响转换精度。12关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等132.特点：

(1)共性：开关支路电流与权成正比，电流相加(2)不同：产生支路电流的方法不同；图9.1.8(P437)

实际的权电流型D/A电路（BJT恒流源电路）(3)优点：速度快；恒流源，对开关要求低；1.分析：权电流型D/ADi=1,Si接通反相输入端Di=0,Si接通同相输入端1410.1.3D/A转换器的输出方式由解码网络得到的是与输入数字量成正比的电流信号，为得到电压信号，还要选择合适的输出电路。1、单极性输出：(1)反相输出(若R=RF)vO与VREF反相、单极性vOD0D1Dn-1i∑+Rf倒T形电阻网络D/A转换器－VREF…DvO/VLSB01234567输入：无符号位二进制码输出：单极性模拟信号VLSB15(2)同相输出VREFD0D1Dn-1i∑RR1R2倒T形电阻网络D/A转换器+－vO…同相比例放大器VO与VREF同相162、双极性输出输入：有符号位的数字量（常用补码表示）输出：正、负极性的模拟电压。此时，D/A转换器工作于双极性输出方式。常见的编码方式有：补码、偏移二进制码或符号-数值码等。P437~P439（不作要求，感兴趣者自学）1710.1.4D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为1、分辨率182、转换精度：转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等19比例系数误差：指实际转换特性曲线的斜率与理想转换特性曲线斜率的偏差。当VREF偏离标准值△VREF时，在输出端产生的误差电压△Vo即为比例系数误差。△Vo=··－VO20失调误差：由运放的零漂引起，其大小与输入数字量无关。使输出电压的转移特性曲线发生平移。非线性误差：产生的原因有：解码网络的支路电阻误差、模拟开关导通电阻、开关压降的误差等。结论：为获得高精度的D/A转换，不仅应选择位数较多的高分辨率D/A转换器，而且，还需要选用高稳定度的VREF和低温漂的运算放大器等器件与之配合。213.转换速率：实际应用中，要实现快速D/A转换，不仅需要D/A转换器有较高的转换速率，还应选用转换速率较高的集成运放与之配合使用。建立时间（满量程建立时间）tset：D从全0变为全1（vo从0变为Vom规定误差范围内（1/2VLSB）所需时间。D/A转换器的动态参数2210.1.5集成D/A转换器AD7533及其应用1.符号、功能

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0RfVREFV＋GNDAD7533IOUT1IOUT2-25V~+25V+5V~+15V地外接(10k)内接内部仅含倒T型电阻网络、电流开关、反馈电阻RF=R需外接集成运放A参考电压VREF232.应用1）单极性电压输出电路Vom

(D0～D9全1):VLSB

(D0=1其余全0):RfAD7533VREFD0D1D5D2D3D4D6D7D8D9IOUT1IOUT2V+GND+vO－A-10V+5VD0D1D9…242）单极性电压输出应用

阶梯波产生器RfAD7533VREFD0D1D5D2D3D4D6D7D8D9IOUT1IOUT2V+GND+vo－A-10V+5VR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)CPB>>CPAQA74LS290QBQCQDR11C多谐振荡器5进制计数器D/A转换器DvO/VLSB0123400000101001110000000125vO1vO23）三角波、抛物波产生器2610.2模数转换器概述：1、A/D转换：将随时间连续变化的模拟量转换为与之相应的数字量。∵模拟量是时间、幅值均连续；而数字量则为时间、幅值均离散，∴实现A/D转换，首先必须在一系列选定的瞬间，对输入的模拟信号取样——变为时间的离散量；取样后要保持一段时间，在此时间内，将取样的电压量化为数字量——变为时间、幅值的离散量；然后，按一定的编码方式给出结果。即实现A/D转换，一般要经过取样、保持、量化、编码4个过程。实际电路中，取样和保持、量化和编码往往同时进行。27模拟信号转换成时间离散的信号取样电路：SvIvOS(t)TSt0vIt0S(t)t0vOTC：取样时间；开关闭合，vO=vITS：取样周期fS：取样频率TS-TC：开关断开，vO=0TCfS≥2fmax●取样保持A→取样保持→量化编码→D取样信号S（t）频率越高，所取得的信号经低通滤波器后，越能真实地复现输入信号，合理的取样频率由取样定理决定。fmax为输入模拟电压最高频率分量的频率。28时间离散信号与数字信号间的转换量化－将样值化成最小单位的整数倍N的过程量化单位Δ-－量化的最小单位(D＝00…1时所代表的数值(VLSB)）量化误差:由于模拟电压是连续的，所以取样电压不一定能被△整除，因此，量化过程不可避免地会引入误差，称为量化误差。属于原理误差，无法消除。位数越多，误差越小。1．时间离散信号→数字信号29只舍不入（舍尾求整法）例：采样得到时间离散信号vi：最大值为1V，最小值为0V，要求将其转换成为3位二进制数字量。解：取量化单位Δ=1/8V，则将vi/Δ舍尾求整，得到vi与数字信号之间的关系是最大量化误差：ΔA/D转换器的输入输出特性及量化误差vi3位二进制数字量30(2)有舍有入（四舍五入法）例：采样得到时间离散信号vi：最大值为1V，最小值为0V，要求将其转换成为3位二进制数字量。解：取量化单位Δ=2/15V，则将vi/Δ四舍五入，得到vi与数字信号之间的关系是最大量化误差:Δ/2改进的A/D转换器的输入输出特性及量化误差...vi3位二进制数字量310:0≤vi/Δ<0.51:0.5≤vi

/Δ<1.52:1.5≤vi

/Δ<2.53:2.5≤vi

/Δ<3.54:3.5≤vi

/Δ<4.55:4.5≤vi

/Δ<5.56:5.5≤vi

/Δ<6.57:6.5≤vi

/Δ≤7.5vmax/Δ=7.5Δ=vmax/7.5=2/15V当要转换成n位二进制数时，Δ=vmax/(2n-1+0.5)=vmax/(2n-0.5)322、A/D转换器的分类：（1）直接A/D转换器：将输入的模拟电压直接（不需要中间变量）转换为数字量。①并行比较型:由电压比较器、寄存器、编码器构成，可以不附加取样-保持电路。特点：转换速度快，但随着输出代码数位的增加，电路规模急剧膨胀。33并行A/D1．3位并行A/D转换器组成(1)分压器(2)比较器(3)寄存器(4)编码器2．工作原理优先级别：I7最高。...vIvC1Q1vC2Q2vC7Q7......0001000101110011.........…...D2D1D0000001010111...这种A/D变换器的优点是转换速度快，缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。图8.3.3并行ADC原理框图-+C1C2C3C4C5C6C7RRRRRRRR/2VREFv1REFV1513REFV1511REFV159REFV157REFV155REFV153REFV151CP寄存器优先编码电路Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D2D1D0-+-+-+-+-+-+342、A/D转换器的分类：（1）直接A/D转换器：将输入的模拟电压直接（不需要中间变量）转换为数字量。②反馈比较型：由D/A转换器、电压比较器、寄存器等构成，其思路是:

取一个数字量加到D/A转换器上，得到一个对应的模拟输出电压，将其与待转换的模拟电压相比较，若两者不等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，此时所取的数字量即为转换结果。常用、典型电路为逐次比较型A/D转换器：由D/A转换器、电压比较器、寄存器、时钟脉冲源、控制逻辑等5部分构成。特点：转换速度较慢，数位较多时，电路规模比并行比较型小得多——是目前集成A/D转换器中应用最多的一种。35逐次比较型其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx

=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx，故保留砝码总重仍<待测重量Wx，故保留砝码总重>待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论362．工作原理(1)转换前:寄存器清零D=0，v’REF=0(2)转换信号到来(3)第一步：控制逻辑将寄存器最高位置1，Dn-1=1，D＝100…0经D/A控制v’REF=VREF/2与vI比较：’若v’REF≤vI1．逐次比较A/D组成框图若v’REF>vI37(4)第二步：控制逻辑将寄存器次高位置1Dn-2=1,D=*100..0..第n步：D0=1’若v’REF≤

vI若最高位已存0，则此时v’REF=1/4

vREF若v’REF>vI若最高位已存1，则此时v’REF=3/4

vREF38t30011t2t1t0D2t0D1t0D0t0D3t0tvREF/V012vI=1.2V000000000100110011’3.特点优点：元件少缺点：速度慢（比较n次）适于速度低、精度高的电路39（2）间接A/D转换器：①电压-频率变换型（V-F变换型）首先将输入模拟电压转换为与之成正比的频率信号，然后在固定的时间间隔内，对频率信号计数，其结果即为所求。R5_+311vaR2v1C1_+351R8R4R7RWR2’VXR3D1330k360k1.8k560k15k330p24k10k40（2）间接A/D转换器：②电压-时间变换型（V-T变换型）首先将输入模拟电压转换为与之成正比的时间间隔，然后用固定的时钟脉冲测定该时间间隔，其结果即为所求。典型电路为双积分A/D转换器。间接A/D转换器的特点：转换速度较慢，但工作性能比较稳定，特别是双积分A/D转换器抗干扰能力强，对元器件的要求较低，所以在数字仪表中应用非常广泛。411、电路组成4200000开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2使电容的初始电压为0。此时可认为vo=0。t=0

时，Cr信号将计数器清零，Qn=0；开关S1与A端相接。2、工作原理①准备阶段：43经过2n个CP(2)第一次积分：从t=0开始，开关S1与A端相接，积分器开始对I积分，vo从0开始下降，vC<0,与门G打开。经2n个CP后,Qn由0变为1，