数字电子技术 数摸和模数转换

数—模和模—数转换

D/AandA/DConversion数字电子技术2024/10/212数-模和模-数转换11.1、概述11.2、D/A转换器Digital-to-Analog(D/A)Converter

11.3、A/D转换器Analog-to-Digital(A/D)Converter

本章要求作业1作业22024/10/21311.3、A/D转换器（A/DConverter）一、A/D转换的基本原理二、直接A/D转换器三、间接A/D转换器四、A/D转换器的转换精度与转换速度返回2024/10/214一、A/D转换的基本原理A/D转换器的功能:将模拟电压成正比地转换成数字量。模拟量vI取样－保持电路量化编码电路…n位数字量

Dndn-1d0…A/D转换器ADC相当于一个编码器1、电路组成2024/10/215A/D转换的过程:首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。2024/10/216fs：取样频率

fi(max)：输入模拟信号vI的最高频率分量的频率取样a.

取样定理2、基本原理取样器2024/10/217还原

低通滤波器的电压传输系数在低于fi(max)的范围内应保持不变，而在fs－fi(max)以前应迅速下降为02024/10/218目的：展宽样值脉冲宽度以便量化。b.

取样–保持电路采样器S缓冲器A1A2存储电容CH采样控制信号失调调整输入端保护电路D1D2控制逻辑单元L32024/10/219工作原理:vL=1时，S闭合，vO=

v’O=vI=vCHvL=0时,S断开，CH上电压保持。-集成取样-保持电路LF398332024/10/2110性能指标取样过程中电容CH上的电压达到稳态值所需要的时间，称为获取时间。保持阶段输出电压的下降率△vo／△T

。选择外接电容CH电容量大小时应兼顾上述两指标。2024/10/2111把取样电压表示为最小数量单位的整数倍，叫做量化。该最小数量单位称为量化单位，用△表示。把量化的结果用代码表示出来，叫做编码。量化后的量化电平与量化前的取样电压之间产生偏移，该偏差叫做量化误差。c.

量化和编码2024/10/2112输入信号

1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码111110101100011010001000代表的模拟电量7Δ＝7/8(V)6Δ＝6/8(V)5Δ＝5/8(V)4Δ＝4/8(V)3Δ＝3/8(V)2Δ＝2/8(V)1Δ＝1/8(V)0Δ＝0(V)量化单位量化单位量化电平量化电平最大量化误差为△=1/8V最大量化误差为1/2△=1/15V只舍不入法四舍五入法输入信号

1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0二进制代码111110101100011010001000代表的模拟电量7Δ＝14/15(V)6Δ＝12/15(V)5Δ＝10/15(V)4Δ＝8/15(V)3Δ＝6/15(V)2Δ＝4/15(V)1Δ＝2/15(V)0Δ＝0(V)返回2024/10/2113二、直接A/D转换器

DirectA/DConverter

1、并联比较型A/D转换器Flash(Simultaneous)A/DConverter2、反馈比较型A/D转换器总结返回2024/10/2114量化1、并联比较型A/D转换器代码转换器寄存器电压比较器2024/10/2115输入→量化→编码1111101011000110100010002024/10/2116特点*快，CLK触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒（目前该种A/D的转换速度最快）*精度，受参考电压、分压网络等因素影响*有存储器，不需要S/H电路*电路规模，n位需要2n-1个比较器，触发器

例：n=10,1023

返回只用在超高速的ADC中2024/10/21172、反馈比较型A/D转换器原理取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则D为所求值。分类计数型A/D转换器（Stairstep-ramporCounterDAC）逐次渐近型A/D转换器（Successive-ApproximationDAC

）返回2024/10/2118计数型A/D转换器电路组成根据不同的输入数码产生一组数值不同的模拟电压反馈到电压比较器C将采样保持的电压vI与模拟电压vO加以比较记忆计数器输出的数字！简单！慢返回2024/10/2119逐次渐近型A/D转换器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，设待秤重量Wx＝13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重结论暂时结果第一次8克砝码总重<Wx，故保留8克第二次加4克砝码总重<Wx，故保留12克第三次加2克砝码总重>Wx，故撤除12克第四次加1克砝码总重=Wx，故保留13克2024/10/2120寄存器的状态变换：00…0010…00dn－11…00……dn－1dn－2…10dn－1dn－2…d11dn－1dn－2…d1d0逐次渐近型A/D转换器的电路结构框图2024/10/21213位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图返回000转换前：清0000001cp1到来后：100000010cp2到来后：110010000cp3到来后：111101000cp4到来后：110000100cp5到来后：110000001若vREF=-8mV，则DAC的输出电压为vo=4QA+2QB+QC设vI=6.1mV！电路不太复杂！较快2024/10/2122逐次渐近型计数型并联比较型n位输出的ADC完成一次转换所需的时间

n＋

22n-1

一级触发器的翻转时间和三级门电路的传输延迟时间

电路规模小小2n-1个电压比较器和2n-1个触发器返回目前集成ADC产品中用得最多的一种2024/10/2123三、间接A/D转换器

IndirectA/DConverter

1、电压－时间变换型（简称V－T变换型）

2、电压－频率变换型（简称V－F变换型）返回2024/10/21241、V－T变换型A/D转换器原理首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里用固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。双积分型A/D转换器（Dual-SlopeADC）2024/10/2125复习：积分运算电路—

A＋RCR’uIuOiRiCOtuIOtuO2024/10/2126双积分型A/D转换器控制逻辑计数器时钟脉冲源vOS1S0vG(MSB)(LSB)数字量输出—A+—C+vL转换控制S1v1模拟输入-VREFRS0C积分器比较器分析:转换前，vL＝0，计数器清零，闭合开关S0，让电容C完全放电。

2024/10/2127双积分型A/D转换器控制逻辑计数器时钟脉冲源vOS1S0vG(MSB)(LSB)数字量输出—A+—

C+vL转换控制S1v1模拟输入-VREFRS0C积分器比较器OtvOT1vL＝1（转换开始，S0断开）：(1)Sl接vI，积分器在固定时间T1内对vI进行积分。积分结束时2024/10/2128双积分型A/D转换器控制逻辑计数器时钟脉冲源vOS1S0vG(MSB)(LSB)数字量输出—A+—

C+vL转换控制S1v1模拟输入-VREFRS0C积分器比较器(2)S1接-VREF，积分器向相反方向积分。如果积分器的输出电压上升到零时所经过的积分时间为T2，则可得2024/10/2129让计数器在T2这段时间里对固定频率为fc（fc=1/Tc）的时钟脉冲计数，则计数结果一定与vI成正比，即

双积分型A/D转换器OtvOT1T2OtCLKOtvG若取Tl为Tc的整数倍，即T1＝NTc=2nTc，则2024/10/2130

当vI分别为两个不同的数值VIl和VI2时，反向积分的时间T2和T2’不会相同（与vI的大小成正比）。

CLK的频率固定，计数器在T2和T2’期间的计数脉冲数目必然与vI成正比。

2024/10/2131双积分型A/D转换器优点工作性能比较稳定；

抗干扰能力比较强。缺点

工作速度低，转换速度一般都在每秒几十次以内。转换精度受计数器的位数、比较器的灵敏度、运算放大器和比较器的零点漂移、积分电容的漏电、时钟频率的瞬时波动等多种因素的影响。返回2024/10/21322、V－F变换型A/D转换器原理

首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。2024/10/2133压控振荡器输出脉冲的频率fout随输入模拟电压信号vI的变化而改变，而且在一定的变化范围内fout与vI之间保持较好的线性关系。

当vG变成高电平以后，VCO(压控振荡器)的输出脉冲通过闸门G给计数器计数。在TG时间里通过闸门的脉冲数与fout成正比，因而也就与vI成正比。所以，每个vG周期结束时计数器里的数字就是所需要的转换结果。

2024/10/2134优点抗干扰能力很强。（非常适于在遥测、遥控系统中应用）缺点转换速度比较低。转换精度首先取决于V—F变换的精度，即取决于VCO的线性度和稳定度；同时还受计数器计数容量的影响。返回2024/10/2135五、A/D转换器的转换精度与转换速度1、A/D转换器的转换精度分辨率以输出二进制或十进制的位数表示，说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。输入模拟电压的满刻度值与A/D转换器应能区分输入模拟电压的等级之比，即分辨率＝FSR/2n2024/10/2136A/D转换器的转换精度转换误差指ADC实际输出的数字量和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来表示。有时也用满量程输出的百分数给出。2024/10/21372、A/D转换器的转换速度用完成一次转换所需的时间来表示，即从送入模拟信号起，到输出端得到稳定的数字量为止所需的时间。

ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型。返回并联比较型：<1微秒逐次渐近型：10～100微秒/次双积分型：几十毫秒/次2024/10/2138本章要求1、了解ADC与DAC在数字系统中的作用及分类方法。2、理解A/D与D/A转换器的基本工作原理。3、理解权电阻网络DAC，倒T型电阻网络DAC的工作原理及性能指标，以及双极性DAC设计思路。4、理解逐次渐近型ADC与双积分型ADC的工组原理及性能指标。返回数字电路实验六D/A转换及其应用实验目的：学习使用大规模集成电路，了解数模转换的原理。实验器材：万用表，DAC0832，UA741实验原理DAC是将数字量转换成模拟量的器件，D/A输出是电压或电流信号，在许多重要的场合，都需要用到数/模转换器DAC。对于n位的D/A转换器，输出电压的计算公式如下：(为参考电压，为相应位的输入代码)DAC0832DI0~DI7：数据输入线，TLL电平。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1：电流输出线。当输入全为1时最大。Iout2：电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。