第八章集成数模和模数转换器

第八章集成数模和模数转换器第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四传感器压力1压力2温度1温度2......放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理......驱动电路......驱动电路驱动电路驱动电路传感器传感器传感器执行机构执行机构执行机构执行机构压力1压力2温度1温度2...压力1压力2温度1温度2...传感器...传感器传感器传感器...放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理...驱动电路...驱动电路驱动电路驱动电路...执行机构执行机构执行机构执行机构第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1集成数/模转换器(DAC)DAC:把输入的数字量变换成与之成一定比例的模拟量。D：n位数字量K：比例常数VREF：参考电压图8.2DAC框图第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.1集成D/A转换技术1.T型电阻网络DAC电流相加型特点：任意一个节点向三个支路方向看进去的等效电阻均为2R第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.1集成D/A转换技术例：当D3＝1时，其余各位为0，等效电路如图T型电阻网络DAC的优点：电阻的取值少，在集成制造时，可以保证网络的转换精度。T型电阻网络DAC的缺点：输入信号发生变化，会使流过开关的电流方向发生改变，容易产生毛刺和影响工作速度。第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.1集成D/A转换技术2.倒T型电阻网络DAC缺点：开关的导通电阻和各支路电阻串联影响转换精度。优点：流经开关的电流数值及方向均保持不变，有利于提高转换速度，降低对参考电压源的要求。第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.1集成D/A转换技术3.电流激励型DAC特点：用恒流源IREF,开关用差分放大器，速度高。第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.1集成D/A转换技术第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.2DAC的主要技术指标2.转换误差表示方法：（1）用VLSB的倍数（2）用VFSR的百分数第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.2DAC的主要技术指标3.转换速度(建立时间)D/A转换器输入发生阶跃到输出稳定在规定的误差范围内的最大时间。低速：建立时间>300μs,工作速度<3.3KHz中速：建立时间10～300μs,工作速度100～3.3kHz高速：建立时间0.01～10μs,工作速度100MHz～100kHz超高速：建立时间<0.01μs,工作速度>100MHz第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.2DAC的主要技术指标DAC的建立时间±1/2LSBtsettset第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.4典型集成DAC及其应用图8.7DAC0832原理框图第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.4典型集成DAC及其应用图8.8DAC0832内倒T形电阻网络第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.4典型集成DAC及其应用(1)直通工作方式第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.1.4典型集成DAC及其应用(2)单缓冲工作方式(3)双缓冲工作方式第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2集成模/数转换器(ADC)ADC：把模拟信号转换为一定格式的数字量。ADC框图模拟信号转换为数字信号：经过采样、保持、量化、编码4个步骤。第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四

取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足

fs≥2fmaxy(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。§8.2.1A/D转换的步骤1.采样和保持采样：把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。（一定的周期读取输入电压信号）通常取fs＝（2.5～3）fmax

第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四保持：将采样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分的时间进行A/D转换。（使读取的信号在周期内不变）取样保持电路及输出波形s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO

(=uc)跟随uI的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uO

(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.1A/D转换的步骤采样和保持电路C：保持电容器

S(t):采样脉冲信号

T:采样开关i第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.1A/D转换的步骤采样波形图保持波形图第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.1A/D转换的步骤集成采样保持器常见有两种：（1）需要外接存储电容（2）具有内存储电容第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四取样保持后的信号已成为在时间上离散的阶梯信号，而阶梯信号的幅值是连续可变的，有无限多个值。需要把这无限多个值与数字量一一对应。2.量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四量化：把取样电平归化到最接近的离散电平上。编码：用二进制码表示离散电平。四舍五入只舍不入第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.1A/D转换的步骤量化误差：第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四

划分量化等级时的两种方法第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四图中： 左边量化方法：只舍不入法 量化单位：△=1/8V， 最大量化误差：1/8V。

右边量化方法：有舍有入法 量化单位：2/15V 最大量化误差：1/2△=1/15V。

结论：采用有舍有入的方法比只舍不入法量化误差要小。第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2集成模/数转换器(ADC)A/D转换器可分为直接A/D转换器和间接转换器。所谓直接转换器就是把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并联比较型和反馈比较型两种。第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四1.并行型A/D转换器(1)电阻分压器(2)电压比较器(3)数据寄存器(4)编码器第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四（1）电压比较器： 它由电阻分压器和电压比较器组成。电阻分压器由8个电阻构成，产生不同数值的参考电压，作为量化刻度，分别送到各个比较器与取样——保持的输入模拟电压vi进行比较。 当vi高于量化刻度时，比较器输出为高电平；反之比较器输出为低电平。（2）寄存器 它由7个D触发器组成，它在时钟脉冲CP作用下，将比较的结果暂时寄存在寄存器中，供编码用。第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四（3）编码网络（代码转换器） 它的作用是将寄存器输出信号编译成相应的二进制代码。编码网络的函数表达式为：第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术并行ADC特点：(1)转换速度极快，采用一组数据寄存器，无需采样保持电路。(2)但当输出位数增加时，所需电压比较器和数据寄存器的数目将以几何级数增加，器件量太大。如果需要的二进制代码增加一倍，分压电阻、电压比较器、寄存器的硬件数目近似增加一倍。如输出n位二进制代码，需2n个电阻，(2n-1)个电压比较器和D触发器以及复杂的编码网络。因此，适用于转换速度高、高精度、分辨率相对较低的场合。第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术2.串－并行ADC特点：兼顾转换速度和器件量。第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术3.逐次比较型A/D转换器特点：转换速度中速（几十K到几百KHz），成本较低。

抗干扰能力较积分式的差。第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四12位二进制A/D转换电压2865（量化单位）的比较过程第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术

逐次比较型ADC的VF波形图第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四

逐次比较型ADC逐次比较型ADC，由于转换速度较快，分辨率较高，误差较小，因此在集成芯片中得到了广泛应用第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术4.双积分型A/D转换器第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术双积分型A/D转换器工作原理1、开始时，计数器为零，电容C上电压为零。2、第一阶段：S1接通，S2断开，积分器对VA积分，G为高，门开，计数器计数，直到计满，计数器重新回零。第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术3、第二阶段：S2接通，S1断开，积分器对-VREF积分，

G为高，门开，计数器计数，直到G低，门关，计数器

停止计数。注意：转换速度较低；

抗干扰能力强；

转换精度高。第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术4.双积分型A/D转换器第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术双积分ADC工作波形第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术5.Σ-Δ型A/D转换器第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术图8.22Σ-Δ型ADC在vA=0时的工作波形第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.2集成A/D转换技术

图8.23Σ-Δ型ADC在vA=8V时的工作波形第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四

表8.5Σ-Δ型ADC在VA=8V时的各点电压或逻辑关系表第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.3ADC的主要技术参数2.转换误差： 绝对误差：定义为输出数字量对应的理论模拟值与实际输入模拟值之间的差值（±1/2LSB,±1LSB)。 相对误差：定义为上述差值与额定最大输入模拟值的百分数（±0.05%，±0.1%)。3.转换时间：ADC完成一次转换所需的时间。第四十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.5典型集成ADC及其应用1.ADC0809简介第五十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四§8.2.5典型集成AD