数字电子技术基础 教学课件 ppt 作者 王友仁 等 第7章 数模和模数转换器20101201
第七章 数/模和模/数转换器,江苏省精品课程,南京航空航天大学 自动化学院电子技术中心,7-1,第七章 模/数和数/模转换器,7.1 概述 7.2 D/A转换器 7.3 A/D转换器,7-2,一. 用途,模拟量,数字量,模拟量,数字量,传感器,执行机构,控制对象物理量,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。,温度、压力、流量、速度等非电量,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。,7.1 概述,7-3,二. 分类,7-4,7.2 D/A转换器,D/A转换器的工作原理 7.2.1 D/A转换器工作原理 7.2.2 权电阻网络D/A 转换器 7.2.3 倒T型电阻网络D/A 转换器 7.2.4 权电流型D/A 转换器 7.2.5 具有双极性输出的D/A 转换器 二. D/A转换器的主要技术参数 三. 典型集成D/A转换器,7-5,7.2.1 D/A转换器工作原理,其中K为常数,D/A转换器的一般结构框图,7-6,7.2.2 权电阻网络DAC,一. 电路结构和工作原理,7-7,7-8,K,7-9,（1）优点：电路简单 （2）缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部,二. 优缺点,7-10,7.2.3 倒T型电阻网络DAC,希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流,7-11,R,R,R,从各端口向左看去，各端口对地的等效电阻均为 R。,由于运放A工作在线性区，其反相输入端虚地， 故无论开关Si接至何种位置，与其相连的2R电阻 上端总是接地的，即流经每条2R电阻支路的电流 与开关状态无关。,7-12,K,7-13,各支路电流是同时直接流入到运算放大器的反相输入端，转换速度快、便于集成，是目前D/A转换器中使用最多的电路 。,7-14,7.2.4 权电流型DAC,用恒流源来代替电阻网络，各支路权电流不受开关导通电阻和电压的影响，故转换精度高。,7-15,7.2.5 具有双极性输出的DAC,设输入为三位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1,一.基本原理,7-16,*将符号位反相后接至高位输入 *将输出偏移使输入为100时，输出为0,1,7-17,二. 电路实现,0 0 0,7-18,0 0 1,7-19,4.将符号位反相后接至高位输入,0 0 0,0V,7-20,4.将符号位反相后接至高位输入,0 0 1,-4V,7-21,4.将符号位反相后接至高位输入,1 1 0,3V,输入d2d1d0为补码，输出uo为对应的正负极性的电压。,7-22,7.2.6 DAC的主要技术参数,一. 分辨率（理论精度） （1）定义：分辨率为D/A转换器对输入量微小变化的敏感程度的描述。 （2）表示方法 1)用输入数字量的二进制数码位数给出 2)用输入数字量中最低位（LSB）d0变化所引起的输出电压变化量与满刻度输出电压之比给出,7-23,二. 转换误差（实际精度） 用最低有效位的倍数来表示；有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示。,7-24,7-25,7-26,解：(1),(2),例7.2.1 10位倒T型DAC中，若保证由UREF偏差 引起的误差小于0.5LSB，试求UREF的相对稳定度。,7-27,（3）,7-28,三. 转换时间,（1）建立时间tS -输入数据变化量是满度值（输入由全0变为全1或全1变为全0）时，其输出电压量达到距终值0.5LSB时所需的时间。,（2）转换速率SR -输出电压的变化率 。,7-29,7.2.7 典型集成DAC,1. DAC0832,8位DAC,两级缓冲,倒T型电阻网络DAC,电流输出，需外接运算放大器,7-30,DAC0832的典型应用接线图,7-31,2. DAC1210,12位DAC,两级缓冲,三个寄存器：8位、4位、12位,电流输出，需外接运算放大器,7-32,7.3 A/D转换器,A/D转换器的工作原理 7.3.1 A/D转换器工作原理 7.3.2 并联比较型A/D 转换器 7.3.3 逐次渐近型A/D 转换器 7.3.4 双积分型A/D 转换器 7.3.5 -型A/D 转换器 二. A/D转换器的主要技术参数 三. 典型集成A/D转换器,7-33,7.3.1 A/D转换的基本原理,A/D转换器的一般框图,7-34,7-35,一. 采样保持电路（S/H电路 Sample-Hold）,7-36,二. 量化和编码 量化：将取样电压表示为最小数量单位（）的整数倍 编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制） 量化误差：当采样电压不能被整除时，将引入量化误差,最大量化误差 = = (1/8)V,最大量化误差 = /2 = (1/15)V,7-37,7.3.2 并联比较型ADC,一.工作原理,量化,7-38,输入量化 编码,7-39,二. 电路特点 （1）快，CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十ns （2）精度，受参考电压、分压网络等因素影响 （3）有存储器，不需要S/H电路 （4）电路规模，n位需要2n-1比较器，触发器。,7-40,7.3.3 逐次渐近型A/D转换器,电路不太复杂 转换速度较快,反馈比较型,一.工作原理,7-41,1 0 0 0 0,3位：5个CP n位: ( n+2)个CP,二.实现电路,7-42,7.3.4 双积分型A/D转换器,先将U转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数,一.工作原理,7-43,设UI为T1时间内uI的平均值,uI0,uO0,uP=1,开始计数,1 0 0 0,积分结束,7-44,电路将输入电压的平均值UI转换成了中间变量时间间隔 T2,7-45,设第二次积分阶段计数器 所计CP脉冲的个数为，则,正比于UI,计数器第二次的计数结果Qn-1Q0即A/D转换后的输出数字量dn-1d0,7-46,二.电路特点,（1）性能稳定，转换精度高 （2）电路不含DAC，结构较简单； （3）输入端使用积分器对交流噪声有很强的抑制能力，抗干扰能力强。 （4）转换速度较低，约几十ms。,7-47,7.3.5 -型A/D转换器,一. 基本原理 积分器、比较器和D/A转换器构成-调制电路，用来将连续的模拟信号转换为一个已调制的位串 。,-型A/D转换器结构框图,7-48,当积分器的输出uB 0时，比较器的输出uC =1； uB 0时， uC =0。比较器将积分器的输出进行了量化，得到一个串行的数据流即位串。 uC =1时，D/A转换器的输出uD =UREF； uC =0时， uD =-UREF 。,7-49,设uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始电压为零，则可得各点采样输出结果如表所示。,7-50,设uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始电压为零，则可得各点采样输出波形如图所示。,式中m1为1的个数，m2为0的个数。,7-51,二. 电路特点,（1）电路简单，不需要有采样-保持电路，易于 集成 。,（2）采用过采样频率，且闭环负反馈回路有噪声抑制作用，其信噪比远大于其他A/D转换器。,7-52,7.3.6 ADC的主要技术参数,一. 转换精度 1. 分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，表征A/D转换器对输入信号的分辨能力。 2. 转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示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。 二. 转换速度-取决于电路结构类型 并联比较型：1uS 逐次逼近型：几100uS/次 双积分型：几十mS/次,7-53,7.3.7 典型集成ADC 1. ADC0809,8位逐次渐近型ADC 8路模拟通道输入 三态输出锁存缓冲器,7-54,2. AD574A,12位逐次渐近型ADC，也可用作8位ADC 输入模拟电压可以是单极性、双极性,7-55,3. MC14433,3+1/2位双积分型ADC 速度较慢 BCD码数据输出,7-56,本章小结,（1）本章主要内容 本章主要介绍数/模转换和模/数转换的基本原理、 主要技术指标及几种常用集成电路。,7-57,（2）D/A 转换原理 D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。 倒T型电阻网络型D/A转换器中，电阻网络只有R和2R两种阻值的电阻，适合集成工艺，因此在集成D/A转换器中应用得较多，如DAC0832。权电流型D/A转换器中由于使用了恒流源，因此具有精度高、转换速度快的优点，在双极型单片集成D/A转换器中用得较多。,7-58,（3） A/D 转换原理 A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。 并联比较型ADC属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型ADC属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。-型A/D转换器采用过采样频率，不仅取得了高精度，还能平滑模拟输入电压的噪声，在数字音频领域得到了广范应用。,7-59,（4）A/D 转换要经过采样 - 保持和量化与编码两步实现。 采样 - 保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽(保持)；量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟信号采样时，必须满足采样定理：采样脉冲的频率 fS 必须大于输入模拟信号最高频率分量的 2 倍。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。,7-60,（5）DAC 和 ADC 的主要技术指标 分辨率和转换精度都与转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。基准电压UREF是重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在 A/D 转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。一般应按器件手册给出的范围确定UREF 值，并且保证输入的模拟电压最大值不大于UREF 值。,7-61,（6）学习方法 从电路基本原理入手理解不同类型DAC和ADC的优缺点、性能指标及应用场合。 分析电路结合模拟电路的相关知识。,7-62,第七章 THE END,
