第9章 AD转换与DA转换

第9章A/D转换与D/A转换3学时A/D转换与D/A转换作业 9-1 9-4 9-6

9.1概述模拟信号在时间和数值上都是连续的，即对应于任意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是连续的，如正弦波信号就是典型的模拟信号，温度、压力和声音等。数字信号在时间和数值上是离散的，或者说是不连续的。数字系统中信号的存储方式都采用数字形式。通常需要将模拟信号转换为数字信号，以送到数字系统加工处理；经过处理得到的数字信号也经常再被转换成模拟信号，送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。数字-模拟接口电路中的根本概念模/数转换〔ADC〕模拟信号到数字信号的转换模/数转换器〔ADC〕完成模/数转换功能的电路数字-模拟接口电路中的根本概念数/模转换〔DAC〕数字信号到模拟信号的转换数/模转换器〔DAC〕完成数/模转换功能的电路9.2D/A转换D/A转换可以将输入的一个n位的二进制数转换成与之成比例的模拟量〔电压或电流〕。D/A转换器通常：由译码网络、模拟开关、集成运放和基准电压等局部组成。数字量输入模拟开关译码网络集成运放基准电压模拟量输出根据译码网络的不同，D/A转换器分为权电阻网络型、T形电阻网络型、倒T形电阻网络型、权电流型、开关树形和权电容网络型等。以倒T形电阻网络型为例介绍D/A转换器的工作原理。倒T形电阻网络D/A转换器电路的组成由R-2R构成的倒T形电阻网络、模拟开关Si〔i=03〕、集成运放A和基准电压VREF组成模拟开关模拟开关又称为模拟电子开关。在D/A转换器中使用的模拟开关受输入数字信号的控制。模拟开关分为CMOS型和双极型两类。CMOS型模拟开关转换速度较低，转换时间较长，但其功耗低。集成运算放大器集成运放的逻辑符号、简化的集成运放低频等效电路及其电压传输特性。理想集成运放的主要参数为：1〕开环增益为无穷大，Aod=；2〕输入电阻无穷大，Rid=；3〕输出电阻为零，Ro=0。引入负反响时，集成运放工作在线性工作区。输出电压与输入电压成线性关系。线性区：净输入电压近似为零，称为“虚短〞；净输入电流也近似为零，称为“虚断〞。倒T形D/A转换器的工作原理当输入d3d2d1d0=1000时ABCDABCDRRRRII/2虚地点流向虚地点的总电流输出电压:n位倒T形电阻网络D/A转换器输出电压:集成D/A转换器5G7520n=10位倒T形电阻网络反响电阻R〔10k，Rf内〕已集成在芯片内部需要外接运算放大器；可外接反响电阻，也可使用内设反响电阻；可编程电阻网络；参考电压VREF保证足够稳定度才能确保转换精度。假设反响电阻Rf与电阻R的关系为：Rf=mR那么输出电压假设采用内部集成的反响电阻，Rf=Rf内即m=1，那么权电流型D/A转换器〔补充了解〕采用一组恒流源〔大小依次为前一个的1/2〕，减小模拟开关内阻和压降的影响。DAC0806、DAC0807、DAC0808D/A转换器的主要技术参数分辨率D/A转换器所能分辨的最小输出电压VLSB与满刻度输出电压Vm〔当输入的数字代码各位均为1时输出的电压值〕之比。VLSB是当输入的数字代码最低位为1，其余各位为0时对应的输出电压值，也被称为输出电压增量。当Vm一定时，输入数字代码的位数n越多，分辨率数值越小，分辨能力越高。8位D/A转换器的分辨率为10位D/A转换器的分辨率为如果一个D/A转换器的分辨率及满刻度输出电压Vm，那么可计算出输入最低位所对应的最小输入电压VLSB，即输出电压增量。例如：当Vm=10V，n=10时分辨率也经常直接用输入数字代码的位数n来表示。指输出电压或电流的实际值与理论值之间的误差。一般来说，转换精度应低于VLSB/2。转换精度的影响因素主要有模拟开关导通的压降、电阻网络阻值差、参考电压偏差和集成运放漂移等。转换精度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。线性度当输入数字代码变化时，输出模拟电压或电流到达稳定输出所需的时间，即为建立时间或稳定时间，该参数一般由手册给出。当转换器的输入由全为0变化为全为1或反向变化时，其输出到达稳定值所需的时间为最大转换时间。转换时间常用D/A转换器及其参数产品型号工作电压/V位数/bit建立时间/s输出接口方式基准功耗/mWDAC5573IPW2.75.588电压I2C外部提供500TLC5620CD5810电压串行外部提供8TLC7524CN51580.1电流并行外部5TLV5623ID2.7~5.583电压SPI外部2.1DAC900U3/5100.030电流并口内部/外部170DAC7731EC±15165电压串行内部100DAC1220E52010000电压SPI外部2.59.3A/D转换A/D转换可以将输入的模拟量〔电压或电流〕转换为与之成比例的二进制代码。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程可以进行合并，如采样和保持、量化和编码在转换中一般同时实现。A/D转换的一般步骤采样：把一段时间内连续变化的信号变换为对时间离散的信号。为了使采样输出信号能不失真地代表输入的模拟信号，对于一个频率有限的模拟信号来说，可以由采样定理确定其采样频率，即工程应用中，一般取

保持：把每次的采样值存储到下一个采样脉冲到来之前。量化：把采样后的电压幅值转化为最小量化单位的整数倍的过程。量化的方法有两种，一种是只舍不入，另一种是有舍有入。取最小量化单位=Vm/2n，其中Vm为输入模拟电压的最大值，n为转化输出数字代码的位数，将0之间的模拟电压归并为0，把2之间的模拟电压归并为1，依次类推。这种方法产生的最大量化误差为。只舍不入法：取最小量化单位=

2Vm/(2n+1

−1)。将0(1/2)之间的模拟电压归并为0，把(1/2)(3/2)之间的模拟电压归并为1，依次类推。这种方法产生的最大量化误差为/2。有舍有入法：例：把01V的模拟信号电压转换成3位二进制代码。编码：用数字代码表示量化结果的过程。A/D转换器的分类按模拟量的输入方式可分为：单极性输入和双极性输入按数字量输出方式可分为：串行输出和并行输出按工作原理可以分成：直接A/D转换器和间接A/D转换器直接A/D转换器不需要经过中间变量就能把输入的模拟信号直接转换为输出的数字代码。常用的电路有并联比较型反响比较型间接A/D转换器首先将输入的模拟信号转换成一个中间变量〔时间或频率〕，然后再将中间变量转换成数字量。常用电路有电压时间变换〔V-T〕型-积分型电压频率变换〔V-F〕型A/D转换器按工作原理的分类图A/D转换器直接型间接型并联比较型反响比较型计数型逐次渐近型电压时间变换〔V-T〕型-积分型电压频率变换〔V-F〕型逐次渐近型A/D转换器又称为逐次逼近型A/D转换器，其转换过程类似天平称物体重量的过程。以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。组成：存放器、D/A转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。SARADC转换开始前将存放器清零；转换时，逐位改变存放器的数字代码；将代码经D/A转换器转换成模拟电压vO；vO与输入电压vI进行比较,以判断此数字位是否保存；逐位比较下去，直到最低位为止。3位逐次渐近型A/D转换器的电路框图设参考电压VR=-5V，那么对应不同输入DAC的输出为：假设待转换的模拟电压vI=3.2V。工作前先将存放器清零，同时将环形计数器置成F1F2F3F4F5=00001。5V3.2V100001002.5V00第一个CP到来时5V3.2V010001103.75V10第二个CP到来时5V3.2V001001013.125V01第三个CP到来时5V3.2V000101013.125V0第四个CP到来时5V3.2V000011013.125V0第五个CP到来时101经过5个CP周期后，输入的模拟电压3.2V被转换成数字信号101。逐次渐近型A/D转换器优点是精度高，转换速度较快，由于它的转换时间固定，简化了与CPU间的同步，所以常常用作与CPU间的接口电路。双积分型A/D转换器通过两次积分，先将模拟电压vI转换成与之大小相对应的时间T，再在时间间隔T内用计数频率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。为间接A/D转换。开关S积分器S过零电压比较器C计数器模拟量输入vI参考电压vR数字量输出工作原理开关S接至模拟电压vI，积分器对其在T1内进行反向积分。积分结束时vO的绝对值与vI的大小成正比。第一次积分为采样阶段积分器对基准电压-VR进行反向积分。积分器的输出电压开始上升，经时间T2后回到0，由于T2阶段定斜率反向积分，所以T2与vI成正比。第二次积分为比较阶段双积分型A/D转换器与逐次渐近型A/D转换器相比，最大的优点是它具有较强的抗干扰能力。由于双积分型A/D转换器采用了测量输入电压在采样时间内的平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1/n〔n=1，2，3，〕的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。集成A/D转换器AD574ACECSR/C12/8A0功能说明0XXXX不允许转换X1XXX未接通芯片100X0启动1次12位转换（作12位转换器）100X1启动1次8位转换（作8位转换器）1011X1次输出12位10100输出高位字节10101输出低位字节AD574A功能表AD574应用电路A/D转换器的主要技术参数分辨率A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。设A/D转换器的位数为n，满量程电压为Vm，那么也可用百分比来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。一般用s或ms来表示。转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。转换精度A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。绝对误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差和量化误差。相对精度：绝对精度与满刻度电压之比的百分数，即常用A/D转换器及其参数芯片型号公司分辨率接口方式输入通道数采样速率差分输入工作电压基准电压ADC084S051NS8SPI/QSPI/Microwire4500k否2.75.25内部AD9287ADI8LVDS,Ser4100M否1.8内部ADCS7477TI10SPI/QSPI/Microwire11000k否2.75.25内部MAX1308美信12µP/1284000否5内外ADC121S705NS12SPI/QSPI/Microwire11000k是5V外部MAX1069美信14I2C158k否5V内外DS2450美信161-wire41440k否5V内部ADS1250TI20SPI125K否5V外部ADS1258TI24SPI168125k是2.75.25外部8位逐次逼近型A/D转换器，由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可