数模和模数转换教材.ppt

第 十一 章,数－模和模－数转换,教学内容,§11.1 概述 §11.2 D/A转换器 §11.3 A/D转换器,教学要求,1、掌握DAC和ADC的定义及应用； 2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度； 3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度11.1 概述,,模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-Digital Converter),数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-Analog Converter),用途,Sensor,放大器,A/D,Microcomputer,控制 对象,D/A,,,,,,,,,,要求: ！精度 ！速度,,D/A转换器的任务是接收到一个数字量(D)后，输出一个相应的电压(A)11.2 D/A转换器,,将数字信号转换为模拟信号的电路D 00111111 …,D/A 转换器,,,A(电压or电流) ？,电阻网络,求和放大器,参考电压,一、权电阻网络D/A转换器,电子开关,虚短: V-≈V+=0,电子开关由输入数字信号D控制；D=d3d2d1d0， ；当di=1时Si接到VREF；当di=0时Si接到地。

一、权电阻网络D/A转换器,虚短: V-≈V+=0,,n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：,输出电压的变化范围:,优点：结构简单，所用的电阻元件数很少缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度二、倒T形电阻网络D/A转换器,由于V-≈V+=0,所以无论开关S合到哪一边，都相当于接到了“地” ，流过各支路的电流始终不变n 位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：,优点： （1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度； （2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛CB7520电路原理图,,习题3、4、5,三、权电流型D/A转换器,恒流源,为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源按比例加大发射结的面积,DAC0808电路结构框图,已知VREF=10V,,?,当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为± 例：输入为三位二进制补码最高位为符号位：正数为0，负数为1,四、具有双极性输出的D/A转换器,,,*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,双极性输出,单极性输出,,,如何将单极性的D/A转换器改造成双极性D/A转换器？,*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,电路实现：,,,,,*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,电路实现：,偏移-4V,使输入D=100时,v0=0V,选择合适的VB和RB可实现双极性输出,习题6、7,,五、D/A转换器的主要参数,（1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。

1. D/A转换器的转换精度,分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示例如：10位D/A转换器的分辨率为：,分辨率可以用输入二进制数码的位数表示分辨率也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压表示（1LSB）2）转换误差： D/A转换器实际上能达到的转换精度（误差） 可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用最低位有效值的倍数（ m LSB ）表示1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需要的时间通常建立时间在100 ns ~几十s之间2. D/A转换器的转换速度,（2）转换速率SR：,习题13、11,,11.3 A／D转换器,,0 V ~ 5 V,00000000 ~ 11111111,,一、A/D转换的基本原理,,A/D转换的三个过程：,采样－量化－编码,采样,采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程 把模拟信号 vI 转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟信号值的离散信号 vS 采样定理：fs≥2fi(max),输入模拟信号中的最高频率,采样频率,由采样-保持电路完成,量化,将采样－保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。

量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为编码编码,量化－编码过程,,,,,,取量化间隔: △=0.5V,双极性信号量化－编码过程,量化误差： 当采样电压不能被Δ整除时，将引入量化误差,,,,,0V,,,二、直接A/D转换器,并联比较型,*快: CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十ns *精度: 受参考电压、分压网络等因素影响 *电路规模: n位需要2n-1比较器，触发器并联比较型特点,逐次比较型A／D转换器,其工作原理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克设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：,反馈比较型,！电路不太复杂 ！较快,反馈比较型,1 0 0 0 0,,,逐次比较型A/D转换器电路原理图,0 0 0,0,0 0 0,1 1,1 0 0 0 0,3位：5个CP N位: ( n+2)个CP,逐次比较型A/D转换器电路原理图,0 0 0,0,0 0 0,1 1,,,,,1,0 1 0 0 0,0 0,1,1,,0,三、间接A/D转换器,双积分型A/D转换器,又称为电压－时间变换型（V－T变换型）,双积分型A/D转换器,,0~,，t =T1时,,,,,,双积分型A/D转换器,,,,,,,先将Vi转换成与之成正比的时间信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数.,双积分型A/D转换器原理:,（V－T变换型） A/D转换器,控制电路的实现,,V-F 变换型,fout=k1vI ; 计数器在TG时间里对fout计数， 则 D= TG fout = TGk1vI,D,,适合远距离传输,不同的A/D转换器的比较,四、A/D转换器的主要参数,A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。

分辨率也可以用1LSB的电压表示，是 A/D转换器能够分辨出来的最小输出电压 例如：输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出10位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－10＝4.88mV1)分辨率：,1.A/D转换器的转换精度,（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2. A/D转换器的转换速度,A/D转换速度是指完成一次转换所需的时间转换时间是指从接到模拟输入信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间A/D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 双积分型：几十mS/次,AD7767是高速、低功耗、单电源供电、高精度的24位AD转换器，它采用逐次逼近结构芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用于多通道系统中其特点如下： (1) 功耗为15mw，109.5dB动态范围，转换速率128kbs (2) 高精度：24位內无误编码(No Missing Codes；NMC) (3) 温度漂移性低，零误差漂移为15nV/度(摄氏) (5) 工作温度范围：-40℃至105℃ (6) 片内自带低通FIR滤波器: 带通纹波：±0.005dB，带阻衰减：100dB,*A/D转换器芯片介绍,AD7767的主要引脚及功能： VREF：基准输入端,电压值范围是2.4V~5V MCLK：主时钟输入。

AD7767的采样频率 等于主时钟频率 DVDD：数字电源输入端 CS ：片选端在它的下降沿，转换结果 放到数据总线上 SDI：串行数据输入端用于多片D7767 级联的输入 SDO：24位串行数据输出端，高位先出 DRDY：数据准备输出端它的下降沿表示有新的转换数据已经存在输出寄存器中 SCLK：串行时钟输入 V in+ ：模拟差分输入的正端 V in- ：模拟差分输入的负端 ：多片同步及掉电输入端功能框图如图,,,AD7767时序图,,,AD7767与单片机接口,,,,,,3.0,3.1,,,ADS1271内部结构图,ADS1271: 高带宽的24位模/数转换器（ADC）,ADS1271接收差分模拟信号，要测量的输入信号接到引脚AINP和AINNAINP为正信号输入端，AINN为负信号输入端。