数字电子技术基础 第11章 DA和AD转换.ppt

1、1,第十一章 数-模转换和模-数转换,11.1 概述 11.2 D/A转换器 11.3 A/D转换器,2,模拟信号,电子电路中的信号,数字信号,模拟电路,数字电路,随时间连续变化的信号,在时间上和数值上都是离散的,11.1 概 述,自然界中的物理量尽管性质各异，但就其变化规律的特点而言，不外乎数字量和模拟量两大类。,数字电子技术尤其是计算机的迅速发展，用数字电路处理模拟信号越来越普遍。,3,从模拟信号到数字信号的转换称为模数转换， 简称为A/D转换（Analog to Digital） 。 从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换， 简称D/A转换（Digital to Analog） 。 实现

2、A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter）；简称ADC。 实现D/A转换的电路称为D/A转换器（Digital Analog Converter）；简称DAC。,转换精度和转换速度是衡量ADC和DAC性能优劣的主要指标,4,输入的模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、 频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。,D/A转换器,权电阻网络D/A转换器,倒T形电阻网络D/A转换器,A/D转换器,直接A/D转换器：,间接A/D转换器：,输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号,权电流D/A转换器,权电容D/A转换器,开关树型D/A转换器,分类：,并联比

3、较性 反馈比较性,V-T变换 V-F变换,5,11.2.1 权电阻网络D/A转换器,这种转换器由“电子模拟开关”、“权电阻网络”、“运算放大器”和“参考电压”等部分组成。,4位权电阻网络D/A转换器,di=0时，开关Si接地， di=1时，开关Si接VREF,11.2 D/A转换器,6,I2,7,同理，对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻RF=R/2时，输出电压的计算公式可写成：,上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,8,当Dn=000000时，V0=0,当Dn=111111时，,当Dn=000001时，,9,例如：3位D/A转换器，VRE

4、F=-8V,阶梯波发生器,10,电子模拟开关的简化原理电路,当di =1时，T2管饱和导通，T1管截止，则Si与 VREF接通,当di=0时，T1管饱和导通，T2管截止，则Si被接地,权电阻网络D/A转换器优缺点: 优点：电路简单，所用电阻元件数很少。 缺点：各个电阻的阻值相差较大(2n)，位数较多时差别更大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部。 改进方法：双级权电阻网络D/A转换器。 倒T型电阻网络D/A转换器。,11,图中S0S3为模拟开关，由输入数码di控制，di=1时接V-，di=0时接V+。无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。,11.2.2 倒T

5、形电阻网络D/A转换器,I=VREF/R,4位倒T形电阻网络D/A转换器,网络等效电阻=R,希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流。,12,输出电压：,流过各开关支路（从右到左）的电流分别为,于是得总电流：,13,同理，对于n位的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻RF=R时，输出电压的计算公式可写成：,与权电阻网络D/A转换器的计算公式完全相同。,14,一、 转换精度 在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。,11.2.7 D/A转换器的转换精度和转换速度,此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，n位D/A转换器的分辨率可表示为,1、分辨率

6、：指D/A转换器在理论上能够达到的精度。输入数字量位数越多，分辨率越高。在实际应用中，常用输入二进制数码的位数表示D/A转换器的分辨率。,D/A转换器的主要技术指标是转换精度和转换速度。,但是，由于D/A转换器的各个环节在参数和性能上和理论值之间不可避免的存在着差异，所以实际能达到的转换精度由转换误差来决定。,15,转换精度是实际输出值与理论计算值之差，这种差值，由转换过程各种误差引起, 主要指静态误差，它包括： 非线性误差：是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的。 比例系数误差：是参考电压UR的偏离而引起的误差，因UR是比例系数， 故称之为比例系数误差。, 漂移误差：它是由运算放大

7、器零点漂移产生的误差。,2、转换误差：指D/A转换器实际能达到的转换精度。,16,二、 转换速度,建立时间（tset）当输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定电压值相差LSB/2范围之内所需要的时间。最短可达0.1S。 输入数字量的变化越大，建立时间越长，所以，一般产品说明中给出的是输入从全0跳变到全1（或从全1跳变到全0 ）时的建立时间。,通常用建立时间来描述D/A转换器的转换速度。,17,11.3 A/D转换器(ADC),11.3.1 A/D转换器的基本原理 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。,一、 取样和保持,取样（也称采样）是

8、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。 其过程如下图所示。图中Ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样脉冲，UO(t) 为取样后的输出信号。,18,取样过程,S(t),在取样脉冲作用期内，取样开关接通，使 ， 在其它时间（TS-）内，输出=0。因此，每经过一个取样周期， 对输入信号取样一次，在输出端便得到输入信号的一个取样值。,为了不失真地恢复原来的输入信号，一个频率有限的模拟信号，其取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即取样频率必须满足：,取样定理,19,保持：模拟信号经采样

9、后，得到一系列样值脉冲。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。因此，在取样电路之后须加保持电路。,取Ri=Rf,N沟道MOS管T作为开关用。,当控制信号vL为高电平时, T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。则充电结束后vO=vI=vC。,当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。,20,可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vi值。,21,二、 量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的。也就是说，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

10、整数倍。在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍，这个转化过程称为量化。 所取的最小数量单位称为量化单位，用表示。数字信号最低有效位的1所代表的数量大小就等于。 把量化的结果用代码（二进制数码或其他进制数码）表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出结果。,22,模拟电压是连续的,那么它就不一定能被整除,因而量化过程不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。 (a)法中量化误差最大为，(b)法中量化误差最大为0.5,23,1) 只舍不入法 量化电平取的整数倍。如=1V，量化电平取1V,2V,3V, ,最大量化误差= （=1V）,000,011,010,001,101

11、,100,24,2) 有舍有入法 量化电平取/2的整数倍。如=1V，量化电平取1/2V，3/2V，5/2V,这种方法误差要小。,000,最大量化误差= /2（=0.5V）,25,11.3.2 A/D转换器 ADC电路分成直接法和间接法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较， 从而直接转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证， 调准也比较方便。常用的电路有并联比较型和逐次渐进型ADC 。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强，一般在测试仪表中用的较多。常用的电路有双积分型ADC。,26,一、 并联比较型A/D转换器（3位）P529,27,并联比较型A/D转换器真值表,28,11.3.7 A/D转换器的转换精度与转换速度,分辨率=,分辨率 分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的1/2n）。 例如，A/D转换器的输出为 10 位二进制数，最大输入模拟信号为 5V，则其分辨率为：,A/D转换