第12章 AD和DA转换.ppt

1、ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。,将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。,计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等,用模拟量作为控制信号,引言,D/A转换器（ Digital to Analog Converter, DAC ）,A/D转换器（ Analog to Digital Converter, ADC ）,D/A转换器,D/A转换器的基本原理,权电阻网络DAC,倒T型电阻网络DAC,权电流型DAC,DAC的主要技术指标,DAC小结,D/A转换器,1、D/A转换器的基本原理,n 位二进制数输入,模拟电压输出,输出模拟量,二进制数D的按权展开式为,2、D/A

2、转换器的一般构成,D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。,数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位的权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。,按解码网络的结构不同，有权电阻网络DAC、倒T型电阻网络DAC、 权电流型DAC等。,权电阻网络DAC,4位权电阻网络D/A转换器主要由权电阻网络、模拟开关、求和运算放大器和基准电源VREF四部分组成。,1）电路组成,2）工作原理,对于n位的权电阻网络D/A转换器:,特点：结构比较简单，所用的电阻元件

3、数很少。,缺点：各个电阻的阻值相差较大，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。,输出电压的范围:,3）电路特点,倒T型电阻网络DAC,当某位数码为1时，相应的开关将电阻接到运算放大器A的反相输入端（求和点虚地）；,当某位数码为0时，相应的开关将电阻接到运算放大器的同相输入端（地）。,1）电路组成,基准电源VREF提供的总电流为：I =？,流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？,I/4,I/8,I/16,R,R,R,R,I/2,I/4,I/8,I/16,I/2,I3,I2,I1,I0,流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。,I3= VREF /

4、 2R,I2= VREF / 4R,I1= VREF / 8R,I0= VREF /16 R,2）工作原理,流入运放的总电流：,输出模拟电压：,将输入数字量扩展到n位：,倒T形电阻网络D/A转换器的特点是： 电阻种类少，只有R和2R两种，有利于提高制作精度; 模拟开关在地和虚地之间转换，不论开关状态如何，各支路的电流始终不变，因此不需要电流建立时间； 各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。,n 位倒T形电阻网络DAC有：,令：,则,O = K NB,在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输

5、出。,权电流型DAC,DAC的主要技术指标有：转换精度、转换速度。,1、分辨率,分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。,定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。,n位DAC有2n个不同的模拟量输出值，即分辨率为2n，,实际中通常用输入数字量的有效位数表示DAC的分辨率，,显然位数越多，分辨率越高。,如10位、8位等。,另外也用DAC的最小非零输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率:,分辨率,DAC的转换精度通常用分辨率、转换误差来描述。,主要技术指标,2、转换误差,用最低有效位的倍数表示。,如：某个DAC的转换误差为1/2LSB，,表示输出模拟电压与理论值之间的绝对

6、误差小于等于输入数字代码为001时输出电压的一半。,用输出电压满刻度的百分数表示。,（1）造成转换误差的主要原因 ：,参考电压 VREF的波动 比例系数误差,运算放大器的零点漂移 失调误差,模拟开关的导通内阻和导通电压,电阻网络中的电阻值偏差等,转换误差：指输出模拟电压的实际值与理想值之差的最大值。,非线性误差,（2）转换误差的表示方法 ：,如：1（FSR）,建立时间 tSet ：,输入由全0变为全1，输出电压与稳态值相差（LSB/2)所需的时间。,一般DAC的tset 0. 1s 。,这个参数的值越小越好 ，,3、转换速度,当DAC输入的数字量发生变化时，输出的模拟量需要延迟一段时间后才能达

7、到对应的稳态值，通常用建立时间和转换速率来描述。,转换速率 ：,在大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化率。,能够将数字信号转换为模拟信号的电路称为D/A转换器(DAC),DAC的电路结构形式主要有权电阻型、倒T型电阻网络及权 电流型，目前TTL产品多为权电流型（精度高、速度快）， CMOS产品多采用倒T型电阻网络（功耗低）。,DAC的模拟输出电压与输入的二进制数成正比，其通式为：,DAC的主要技术为转换精度和转换速度,转换精度用分辨率和转换误差表示；,转换速度用建立时间和转换速率表示。,DAC小结,【例1】已知某8位D/A转换器的输入为11010001时，输出VO=2.09V，求输入为00

8、111100时的输出电压值。,解：DAC的模拟输出电压的通式为：,【例2】在10位二进制数D/A转换器中，已知其最大满刻度输出模拟电压Vom=5V，求最小分辨电压VLSB和分辨率。,解：,分辨率,【例3】已知D/A转换器，其最小分辨电压VLSB=4mV，最大满刻度输出电压Vom=10V，求该转换器输入二进制数字量的位数。,解：DAC的分辨率：,分辨率,【例4】10位倒T型电阻网络D/A转换器如图所示，当R=Rf时： （1）试求输出电压的取值范围； （2）若要求电路输入数字量为200H时输出电压VO=5V，试问VREF应取何值？,A/D转换器,A/D转换的一般过程,并行比较型ADC,逐次比较型A

9、DC,双积分型ADC,ADC的主要技术指标,ADC小结,AD转换器,A/D转换器的功能是将模拟量的输入转换成数字量的输出。 一个完整的A/D转换过程，通常要经过取样和保持、量化和编码步骤。 取样：将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量过程。 保持：保持取样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把取样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。方法一般有两种：舍尾取整、四舍五入。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。,1. 取样和保持,取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。

10、,为了保证能从采样信号将原信号恢复，要求：,fS ： 采样频率 ；,fi max ：,fi(t)的最高频率分量。, 采样定理,在工程设计中通常取：,模拟信号经采样后，得到一系列取样脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。一般取样与保持过程都是同时完成的。,在采样脉冲S(t)到来的时间内，T导通， vI向电容C充电，假定充电时间远小于，则：vO(t) vC(t) vI(t)。（采样）,采样结束，T截止，电容无放电回路，输出电压得以保持，直到下一个采样脉冲到来为止。（保持）,vI,采样,保持,2. 量化和编码,数字信号不仅在时间上是

11、离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此 ，在进行 A / D 转换时也必须把采样电压化为这个最小单位的整数倍。这个转化过程就叫做 “量化”。,所取的最小数量单位叫做量化单位，用“”表示。若数字信号最低有效位用LSB表示，1LSB所代表的数量就等于。,把量化的结果用代码 (二进制或二 十 进制 )表示出来，称为 “ 编码 ” ，这些代码就是A/D转换的输出结果。由于模拟电压是连续的，它不一定能被整除，因而量化过程不可避免地会引入误差“量化误差”。,量化误差为原理误差，是不可消除的，位数越大，误差越小。采用不同方法划分量化电

12、平，会有不同的误差。,3. 量化的方法与量化误差,（1）舍尾取整法,取量化单位,0之间的模拟电压归并到0,2之间的模拟电压归并到1,此方法产生的最大量化误差为,（2）四舍五入法,取量化单位,0/2之间的模拟电压归并到0,/23/2之间的模拟电压归并到1,此方法产生的最大量化误差为/2,分类,按工作原理：,直接A/D转换器和间接A/D转换器两类。,直接A/D转换器：,并行比较型A/D转换器和逐次比较型 A/D转换器,间接A/D转换器：,双积分型A/D转换器、电压频率转换 型A/D转换器,电压比较器,输入模拟电压,电阻分压器,寄存器,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/

13、15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,输出数字量,1、电路组成,并行比较型A/D转换器,VREF,vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0,7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1

14、 1 1 1 0,13VREF/15 vI VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0 0 1,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,3、电路特点：,在并行A/

15、D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。但转换精度受分压电阻、基准电压、比较器的阈值电压精度的影响，精度较差。,电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。,单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工艺，8位)、AD9002 (ECL工艺，8位)、AD9020 (TTL工艺，10位)等。,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。,1. 转换原理,所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。 设待秤重量Wx = 13克。,逐次比较型A

16、/D转换器,2. 转换原理,1 0 0 0,1 0 0 0,I 5V,1,A=6.84V,VREF= -10V,第一个CP：,逐次比较型A/D转换器,第二个CP：,0 1 0 0,1 1 0 0,1,0,I 7.5V,I=6.84V,VREF= -10V,第三个CP：,0 0 1 0,1 0 1 0,I 6.25V,1,0,1,A=6.84V,VREF= -10V,1） 逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；,2）逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；,3、电路特点：,双积分式A/D转换器的基本指导思

17、想,对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后利用计数器在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲进行计数，计数结果就是正比于输入模拟信号的数字量。双积分式A/D转换器也称为电压时间数字式积分器 。,双积分式A/D转换器,电路结构,双积分型A/D转换器是常用的一种间接A/D转换器。主要由积分器、过零比较器、时钟脉冲控制门、计数器等几个部分组成。,0,准备阶段：,工作原理,(2) 第一次积分：,VC=VOH,Qn=1,(3) 第二次积分：,VC=VOL,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t1 t2,在计数器所计的数=Qn-1Q1Q0，就是A/D转

18、换器得到的结果。,优点：,1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。,2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗干扰的能力。,T1=2nTC,3. T2正比于T1 时间内的VI，这样对叠加在VI上的干扰有较强的抑制能力。,主要技术参数,（1）转换精度:分辨率、转换误差,分辨率：指引起ADC的输出二进制数字量最低有效位变动一个数码时，输入模拟量的最小变化量。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。,如，输入模拟电压满量程为10V,8位的A/D转换器可以分辨的最小输入电压,10位的A/D转换器可以分辨的最小输入电压,转换误差：通常以相对误差的形式给出，它表示A/D转换器实际输出的数字量和理想输出数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数表示。,（2）转换速度,转换速度：指完成一次A/D转换器转换所需时间。,A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差甚远。,能够将模拟信号转换为数字信号的电路称为A/D转换器(ADC),ADC的电路结构形式主要有并行比较型、逐次比较型及双 积分