第十一章 数模和模数转换器.ppt

1、第七章 数模和模数转换,模数转换器 数模转换器,7.1 概述,数字电子电路、数字信号处理技术的发展，数字化数字通讯、数字测量仪表、数码影音、数字控制 温度、压力、声音连续的非电量经传感器转换为连续的电信号（模拟电信号）,模拟电信号经模数（A/D）转换为数字量，利用计算机或数字电路对数字量进行处理 处理好的数字量最终经数模（D/A）转换变为模拟量,7.2模数转换器（ADC）,模拟信号是连续的 A/D转换的过程：采样、保持、量化、编码,7.2.1 取样定理,任何模拟信号都可以写成傅立叶级数的形式。最大角频率分量成为该信号的最高频率fmax 耐奎斯特采样定理：采样后要能恢复出被采样信号的信息，采样频

2、率fs必须满足 fsfmax 一般fs取3-5倍的fmax,7.2.2采样保持电路,图7-4在VL为高电平时，Vi对电容C充电，电容C上的电压等于Rf上的电压。若RFR1，那么电容上的电压就是-Vi VL为低电平时，电容上的电压保持不变,7.2.3 量化和编码,量化：用一个最小尺度去衡量采样后的电压信号 编码：采样值除以所得的数值可以用不同的编码方式来表示：二进制数的不同编码方式 称为量化单位，代表最小的数字量对应的电压值 最低有效位（LSB）即二进制数中的1,由于采样值不可能是的整数倍，因此量化过程中必然会引进误差 量化误差： 满量程1V，使用3位二进制代码表示，=1/8V，最大量化误差就为

3、,减小量化误差， =2/15V 此时的量化误差就为/2,ADC的指标：,分辨率：输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 满量程（参考电压）/2n 分辨率也称精度，通常以输出数字量的位数来表示 输入模拟电压满量程为10V，若用8位A/D转换器转换时，其分辨率为10V/28=39mV，10位的A/D转换器是9.76mv,而12位的A/D转换器为2.44mV,转换速率 完成一次模数转换所需的时间 低速：积分型 中速：逐次逼近型 高速：全并行 采样速率应小于等于转换速率，常用的单位是ksps或Msps（samples per second）,量化误差：分辨率有限引起的，一般表示为1

4、LSB或1/2LSB。理想曲线为直线实际曲线为阶梯状曲线。 偏移误差：输入信号为零时，输出信号不为零 满刻度误差：满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号之差,线性度(linearity)：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏差 积分非线性(INL)和微分非线性(DNL) DNL：两个相邻数码对应的模拟电压之差-1LSB对应的电压,INL：输出数字量对应的模拟电压的实际值和理想值之差,信噪比（SNR）：信号与噪声功率谱之比，单位dB：一般SNR=6.02N+1.76dB，N为位数 总谐波失真，THD，单位dB,ADC的分类,积分型 逐次逼近型 并行比较型 Sigma-delta型 流水线型,

5、7.2.4 积分型ADC,双积分型ADC积分两次 原理：将输入电压转换成时间，然后由定时器（计数器）获得数字值,工作波形,（1）起始状态 在积分转换开始之前，电容放电、控制电路使计数器清零 （2）积分器对输入的模拟电压Ui进行定时积分 此时Uo0，因此计数器计数。因此对Ui积分的时间可表示为,一旦计数器的计数值达到N1，计数器复位为0，同时输入模拟电压控制开关切换到-Vref 一般N1取计数器的计数容量2n,（3）积分器对-进行反向积分（对-Vref积分）,输出电压Uo为0时，比较器输出0，计数器停止计数,由于Uref和N1固定，因此N2与输入的转换电压Ui成正比。 完成对-Uref的积分之后

6、，该电路又返回第一步，重新对下一个采样Ui积分,可以看出，计数器的计数值N2与输入的电压Ui成正比 双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度低,7.2.5 逐次逼近(反馈比较)型ADC,工作原理：,顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的最高位置“1” 经数-模转换器转换为相应的模拟电压UAn送入比较器与待转换的输入电压Ui进行比较，若UAnUi，说明数字量过大，将最高位的“1”除去，而将次高位置“1”。,将最高位和次高位经DAC转换为模拟电压，若UAn + UAn-1 Ui，说明数字量还不够大，将次高位的“1”保留，并将再低位置“

7、1”，这样逐次比较下去，一直到最低位为止。寄存器的逻辑状态就是对应于输入电压的输出数字量。,3位逐次逼近ADC,工作原理： 第一个CP，使QAQBQC=100，将100转换为模拟电压与Ui比较。若UiUA，则下一个CP时UB=0,Q1=0, Q2=1,FA保持1。若UiUA，在下一个CP时UB=1, Q2=1,Q1=0, FA将会被置0。,第二个CP，QB置1（因为Q2=1,Q3=Q1=0），此时将110或010转换为模拟电压，再与Ui比较。在第三个CP决定FB保持为1或是置0 第三个CP与第二个类似类似 第四个CP决定QC=1是否应该保留，同时由于Q5=1, 因此允许QAQBQC输出到d2d

8、1d0,参考电压为8V，输出数字量为4位，当输入5.2V模拟电压的情况：,ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。,ADC0809工作原理,ALE为模拟信号输入选通端口的地址锁存信号，上升沿有效 START为转换启动控制信号，高电平有效 START有效、启动转换后，ADC输出端的信号EOC将变为低电平，表示进入转换状态，转换时间约为100us，转换结束后EOC变为高电平 转换结束后，数据输出使能信号OE变为高电平，允许转换后的数字信号输出,7.2.6 并联比较型ADC,由基准电压、电阻分压器、

9、电压比较器、寄存器和编码器等五部分组成,并联比较型A/D转换器的最大优点是转换速度快，它是各种A/D转换器中速度最快的一种。 并联比较型A/D转换器的主要缺点是使用的比较器和触发器较多。随着分辨率的提高，所需元件数目要按几何级数增加。,7.2.7 sigma-delta型ADC,基本原理：以高采样率换取低反馈D/A位数，从而实现高精度,7.2.8 流水线型ADC,利用多级AD转换来实现 粗量化：将模拟信号A转变为m（较小）位数字信号 将m位数字信号转变为模拟量B，将输入信号A减去该模拟量B 细量化：对模拟信号A-B进行一定的放大，再进行K位的模数转换 最后对数字量进行重整,ADC的转换精度和速

10、度,转换精度（分辨率） 转换误差：一般用几个LSB表示 也可以用满量程输出（FSR）的百 分比表示 转换速度：并联比较主次逼近积分型,7.3 数模转换器（DAC）,数模转换则是指将数字信号转换为模拟信号，简称D/A转换（Digital to Analog Conversion） D/A转换器：权电阻网络型、T型电阻网络型和权电流型三种,DA转换器原理,D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电路等部分组成。 数字量分别控制对应位的模拟开关，使数码为1的位在位权网络上产生与之成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。,7.3.4二进制权电阻

11、网络D/A转换器,如果一个n位二进制数用Dn=dn-1dn-2d1d0表示，则从最高位到最低位的权依次为2n-1、2n-221、20。 权电阻网络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比。,b3=1 b2=1 b1=1 b0=1,2二进制权电阻网络D/A转换器的优、缺点,优点:该电路用的电阻较少，电路结构简单，各位同时进行转换，速度较快。 缺点:各个电阻的阻值相差很大，尤其在输入信号的位数较多时。例如当输入信号为八位时，如果取权电阻网络中最小的电阻为R=10K，那么最大的电阻将达到1.28M，两者相差128倍。要保证电阻的精度非常困难。,7.3.5 T形电阻网络D/A转换器,T形电阻网络DAC中只由

12、R和2R两种阻值的电阻。,当d0=1，其余各位为0时,对d1=1,d2=1,d3=1分别用上述方法等效，可得到对应的二端口电压分别为UR/8、UR/4、 UR/2与权重成正比 应用叠加定理：,缺点：从Uref加到各级电阻上开始到运算放大器输入稳定为止，需要一定的传输时间，在位数较多时将影响D/A转换器的工作速度。 由于各级电压信号到运算放大器输入端的时间有先有后，可能在输出端产生相当大的尖峰脉冲。 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将T型电阻网络电路改成倒T形电阻网络D/A转换电路,7.3.6倒T型电阻网络DAC,不管输入信号是1还是0，流过每个支路电阻的电流始终不变。（0和1都接地） 从

13、参考电压UR端流入的总电流保持不变I=Uref/R,流经RF的电流为IO1，d0-d3为1时，电流各电阻电流流经IO1 d3=1时，I3=Uref/2R；同理可推出各个电阻上留个的电流依次为Uref/4R，Uref/8R，Uref/16R 令RF=R则有：,高精度的DAC通常会采用sigma-delta型结构 其它高性能DAC还有current-steering型,7.3.9 主要技术指标,1分辨率 分辨率是指D/A转换器能分辨最小输出电压变化量(ULSB)与最大输出电压（UMax）即满量程输出电压之比 DAC的位数越多，能分辨的最小输出电压就越小，分辨率也越高,2.精度,D/A转换器的精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的偏离程度 D/A转换器满量程输出电压是7.5V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为75mV。也就是说输出电压的范围在7.575V和7.425V之间。 转换精度与