第8章数模和模数转换

第8章数模和模数转换习题与思考题8.1概述8.2数模转换DAC8.3模数转换ADC8.4取样-保持电路数模转换：将数字量(Digital)转换为模拟量(Analog).简称DAC.模数转换：将模拟量(Analog)转换为数字量(Digital).简称ADC.8.1概述温度,压力,速度,等模拟量参数传感器ADC数字处理系统微型计算机DAC驱动器线性转换对象模拟信号数字信号DA转换器权电阻网络DA转换器倒T型电阻网络DA转换器权电容网络DA转换器权电流型DA转换器开关树型DA转换器AD转换器直接转换型并联比较型反馈比较型间接转换型双积分型(V－T变换型)V－F变换型计数型逐次渐进型衡量性能的主要参数为转换精度和转换速度!本章重点：数模和模数转换的原理，以及数模转换器的应用8.2.2倒T形电阻网络DAC8.2数模转换DACI0I1I2I3深度负反馈虚短和虚断反馈放大电路电子开关电阻网络参考电压源基准电压源电阻网络特点：任意节点向左看的等效电阻皆为R。II2I2I4I4I8I8I16I大多数DAC的转换公式！y=kxDA转换的本质就是建立了数字量与模拟量之间一一对应的正比例关系！集成DAC分类:片内集成放大器的和不集成的。

CB/AD7520是片内没有集成放大器的10位D/AC。需外接运放需外接基准电压源1.转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。1)分辨率:理论上可以区分的模拟输出的最小非零电压值表示方法：(1)用输入二进制数字量的位数表示；如8位DAC。(2)用模拟输出电压的最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：8.2.5DAC的主要技术参数转换误差可分为线性和非线性误差。指实际的DA转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。转换误差的表示形式：(1)最低有效位的倍数。如:1LSB。(2)输出电压满刻度(FSR,FullScaleRange)的百分数。如:0.1％FSR。2)转换误差3.转换误差分析DAC四个组成部分,均可引起转换误差,但有不同的特点.(1)运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差。(2)参考电源引起的误差称为比例系数误差。(3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为非线性误差。非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，从而引起系统不稳定。注意:DAC分为两种一种为运放和参考电源为外接,另一种都集成在集成DAC内部。前者,在选择外接参考电源和运放时要注意，选择稳定性高的，否则会因为误差而降低精度！总误差为几种误差的叠加[例**]10位倒T型电阻网络DAC中,VREF=-10V。为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB,试计算VREF的相对稳定度应取多少？1.计算1/2LSB:当输入数字量Dn=1时，输出电压为LSB。故：2.计算当VREF变化量为ΔVREF时所引起的输出变化量的最大值ΔVOM:输入数字量的最大值如|VREF|=10V,允许的参考电源变化量小于5mV2.建立时间settlingtime按建立时间的不同，DAC可分为低速、中速、高速和超高速。表8-3DAC的速度指标类型建立时间μs

制造工艺低速>=300CMOS中速10～300CMOS高速0.01～10TTL或CMOS超高速<=0.01高速ECLCB7520、DAC0832DAC0808片内没有集成放大器8.3模数转换ADCADC的基本步骤：采样(取样)保持量化编码采样-保持电路ADC转换电路8.3.1ADC的基本原理采样1.采样－保持(Sampleandhold)1)取样定理:为保证从采样信号恢复被采样信号，必须满足实际的采样保持电路中有一个采样控制信号,它的频率称采样频率采样定理又称为香农定理(Shannon).实际应用中，fs取3-5倍的fimaxTsamplingperiodorsamplingintervalNyquist–Shannonsamplingtheorem

保持采样定理应用例子数字语音传输系统中，需要模拟的声音信号转化为数字信号传输，语音信号频率为300~3300Hz，要保证不失真传输，采样频率最小为多少Hz？根据采用定理，采用频率最小2×3300=6600Hz，实际系统采用频率fs=8kHz，每个采样点用8bits表示，所以一条数字语音信道的传输速率为8kHz×8bits=64kbits/s。采样定理(补充)频率混叠2.量化和编码量化:完成模拟量在数值上的离散化,转化为最小数量单位Δ的整数倍。编码:用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。两种不同的量化方案，比较其量化误差特性的变化。相当于去小数量化相当于4舍5入量化（取整）量化误差8.3.2并联比较型ADC将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量--直接ADC

。采用第二种量化方案，即Δ

=2VREF/15转换过程：根据量化方案比较输入模拟信号的大小，然后对比较的结果进行编码。特点：速度快，转换时间小于50ns；不需要采样保持电路！但需要大量的比较器和触发器；量化转换表8.3.3逐次渐近型ADC（反馈比较型）直接ADC转换原理类似于用天平称未知重量物体的过程由高到低，逐位比较；

vo<vi，保留1，否则清0，直到比较到最后(最低)一位；只要比较n次。加上控制电路时间，一次转换时间为n+2个脉冲周期数据源也可以是计数器，但转换速度较慢数字源采样保持的输出8.3.4双积分型ADC间接ADC第一次积分:对输入模拟电压定时积分,时间为T1,由控制逻辑电路决定第二次积分:对参考电源VREF定速积分,VO的变化速度由VREF,R和C决定相反极性过零比较器开关S1接到VREF时，开始计数比较器输出为0时，停止计数第一次积分结束时电容电压，即T1时刻电容电压Vc，即Vo值为：第二次(反向)积分结束时积分器输出电压为0，设积分时间T2，即即说明T2和VI成正比！成正比！设时钟周期为TC,计数的脉冲个数DC,则特点:性能稳定,转换结果与R,C无关;也与时钟周期TC无关。这是两次积分的结果,抗干扰能力强。速度慢,完成一次转换时间至少是T1或2nTC；最大达到了2T1，即2n+1TC。逐次渐进ADC0808ADC内部集成的基于开关树型的DAC1.A/D转换器的转换精度采用分辨率和转换误差来描述。1)分辨率：能区分的最小输入模拟电压。用输出数字量位数表示。当位数为n位时,能区分的最小电压为FSR/2n2.转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出.表示实际输出数字量与理论上应有的输出数字量之间的差别。多以最低有效位的倍数表示。如转换误差≤1/2LSB有时也以满量程的百分数给出。如转换误差为0.5％FSR使用时要注意环境温度、电源电压等条件。8.3.5ADC的主要技术参数2.A/D转换器的转换速度不同类型间速度相差悬殊。并联比较型最快。转换时间小于<1微秒。逐次渐近型次之。转换时间多在10～100微秒/次之间。双积分型速度最低。转换时间多在数十毫秒到数百毫秒之间。在速度要求高的场合,还要考虑取样－保持电路的获取时间(微秒数量级)8.4取样-保持电路然后：vL为低电平时，T截止，集成运放的输入电阻很大，所以取样电容CH上的电荷无泄放回路，就可以认为在一定时间内VO将保持不变。首先：vL为高电平时，场效应管T导通,进行取样,就是vI通过电阻RI对电容CH充电，充电结束后为：电路缺点：输入电阻RI过大会降低取样速度;过小又加重信号源负载。集成A/D转换器LF398在取样阶段，开关S接通，运放AI,A2构成两级电压跟随器,对电容CH充电，充电结束后为：既VO＝VI二极管D1,D2和电阻R1构成保护电路。在取样阶段，S接通，D1,D2截止，保护电路不起作用。总结数模和模数转换DAC原理分辨率误差ADC步骤:采用,保持,量化和编码转换电路/ADC速度[题8.1]已知某8位倒T形电阻网络DAC电路中，输入二进制数10000000，输出模拟电压6.4V。当输入二进制数10101000时，计算输出模拟电压的大小。6.4V->VREF=-12.8V->8.4V，或者直接进行比例运算[题8.2]在DAC电路中，给定VREF=5V，试计算：（1）输入数字量每一位为1时在输出端产生的电压值。（2）输入为全1、全0和1000000000时对应的输出电压值。习题与思考题(1)2.5V，1.25V，0.625V，0.313V，0.156V，78.13mV，39.06mV，19.53mV，9.77mV，4.88mV(后数是前数的一半)(2)4.995V，0V和2.5V[题8.3]对于一个8位DAC：（1）若最小输出电压增量为0.02V，试问当输入代码为01001111时，输出电压为多少？（2）若其分辨率用百分数表示，则应是多少？[题8.4]用CB7520和同步十六进制计数器74LS161组成的波形发生器电路。试画出输出电压的波形，并标出波形图中各电压的幅度。5->0->1->…->5六进制计数器[题8.5]用一个4位二进制计数器74161、一个4位数模转换电路和2输入与非门设计一个能够产生如图所示波形的波形发生器电路。10进制参考电压源是正的！[题8.6]若ADC（包括取样—保持电路）输入模拟电压信号的最高变化频率为10kHz，试说明取样频率的下限是多少？完成一次模数转换所用的时间上限是多少？答：取样频率下限20kHz(采样定理)，所用时间上限50μs

(采样周期)[题8.7]在10位逐次渐近型ADC中，其DAC输出电压波形与输入电压如图所示。（1）求转换结束时，该ADC的数字输出状态为多少？（2）若DAC的最大输出电压为14.322V，估计此时的范围。0101101011[题8.9]在双积分ADC中，问：（1）两次积分完毕时输出电压分别为多少（2）设第一次积分时间为T1，第二次积分时间为T2，总积分时间为T1+T2，问输出数字量与哪个时间成正比（3）则转换过程会产生什么现象