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1、第八章集成数模和模数转换器第1页，共54页，编辑于2022年，星期三传感器压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理.驱动电路.驱动电路驱动电路驱动电路传感器传感器传感器执行机构执行机构执行机构执行机构压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.传感器.传感器传感器传感器.放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理.驱动电路.驱动电路驱动电路驱动电路.执行机构执行机构执行机构执行机构第2页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1 集成数集成数/模转换器模转换器(DAC)DAC:把输入的把
2、输入的数字量数字量变换成与之成一定比例的变换成与之成一定比例的模拟量模拟量。D：n位数字量位数字量K：比例常数比例常数VREF：参考电压参考电压图图8.2 DAC框图框图第3页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.1 集成集成D/A转换技术转换技术1.T型电阻网络型电阻网络DAC电流相加型电流相加型特点：任意一个节点向三个支路方向看进去的特点：任意一个节点向三个支路方向看进去的等效电阻均为等效电阻均为2R第4页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.1 集成集成D/A转换技术转换技术例：当例：当D31时，时，其余各位为其余各位为0，等，等效电路如图效电路如图T型电阻网络型电阻网络DA
3、C的优点：电阻的取值少，在集成的优点：电阻的取值少，在集成制造时，可以保证网络的转换精度。制造时，可以保证网络的转换精度。T型电阻网络型电阻网络DAC的缺点：输入信号发生变化，会的缺点：输入信号发生变化，会使流过开关的电流方向发生改变，容易产生毛刺和使流过开关的电流方向发生改变，容易产生毛刺和影响工作速度。影响工作速度。第5页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.1 集成集成D/A转换技术转换技术2.倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC缺点：开关的导缺点：开关的导通电阻和各支路通电阻和各支路电阻串联影响转电阻串联影响转换精度。换精度。优点：流经开优点：流经开关的电流数值关的电流数值及方向均保
4、持及方向均保持不变，有利于不变，有利于提高转换速度，提高转换速度，降低对参考电降低对参考电压源的要求。压源的要求。第6页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.1 集成集成D/A转换技术转换技术3.电流激励型电流激励型DAC特点：用恒特点：用恒流源流源IREF,开开关用差分放关用差分放大器，速度大器，速度高。高。第7页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.1 集成集成D/A转换技术转换技术第8页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.2 DAC的主要技术指标的主要技术指标2.2.转换误差转换误差表示方法：表示方法：（1）用）用VLSB的倍数的倍数 （2）用）用VFSR的百分数的百
5、分数第9页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.2 DAC的主要技术指标的主要技术指标3.3.转换速度转换速度(建立时间建立时间)D/A D/A转换器输入发生阶跃到输出稳定在规定转换器输入发生阶跃到输出稳定在规定的误差范围内的最大时间。的误差范围内的最大时间。低速：建立时间低速：建立时间300s,工作速度工作速度3.3KHz中速：建立时间中速：建立时间10300s,工作速度工作速度1003.3kHz高速：建立时间高速：建立时间0.0110s,工作速度工作速度100MHz100kHz超高速：建立时间超高速：建立时间100MHz第10页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.4 典型集成
6、典型集成DAC及其应用及其应用图图8.7 DAC0832原理框图原理框图第12页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.4 典型集成典型集成DAC及其应用及其应用图图8.8 DAC0832内倒内倒T形电阻网络形电阻网络第13页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.4 典型集成典型集成DAC及其应用及其应用(1)直通工作方式直通工作方式第14页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1.4 典型集成典型集成DAC及其应用及其应用(2)单缓冲工作方式单缓冲工作方式(3)双缓冲工作方式双缓冲工作方式第15页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2 集成模集成模/数转换器数转换器(ADC)
7、ADCADC：把模拟信号转换为一定格式的数字量。把模拟信号转换为一定格式的数字量。ADC框图框图模拟信号转换为模拟信号转换为数字信号：经过数字信号：经过采样采样、保持保持、量量化化、编码编码4个步个步骤。骤。第16页，共54页，编辑于2022年，星期三取样定理取样定理：设取样脉冲：设取样脉冲s(t)s(t)的频率为的频率为f fS S，输入模拟信号，输入模拟信号x(t)x(t)的最高频率分量的频率为的最高频率分量的频率为f fmaxmax，必须满足，必须满足 f fs s 2 2f fmaxmaxy(t)y(t)才才可可以以正正确确的的反反映映输输入入信信号号(从从而而能能不不失失真真地地恢恢
8、复原模拟信号复原模拟信号)。8.2.1 A/D 转换的步骤转换的步骤1.采样和保持采样和保持采样：采样：把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。（一定的周期读取输入电压信号）（一定的周期读取输入电压信号）通常取通常取f fs s （2.52.53 3）f fmaxmax 第17页，共54页，编辑于2022年，星期三第18页，共54页，编辑于2022年，星期三保持：保持：将采样信号保持一段时间，使将采样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分的时间转换器有充分的时间进行进行A/D转换。（使读取的信号在周期内不变）转换。（使读取的信号在周期内不变）
9、取样保持电路及输出波形取样保持电路及输出波形s(t)s(t)有效期间，开关管有效期间，开关管VTVT导通，导通，u uI I向向C C充电，充电，u uO O (=(=u uc c)跟跟随随u uI I的变化而变化；的变化而变化；s(t)s(t)无效期间，开关管无效期间，开关管VTVT截止，截止，u uO O (=(=u uc c)保持不变，直保持不变，直到下次采样。（由于集成运放到下次采样。（由于集成运放A A具有很高的输入阻抗，在具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容保持阶段，电容C C上所存电荷不易泄放。）上所存电荷不易泄放。）第19页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.1 A/D
10、 转换的步骤转换的步骤采样和保持电路采样和保持电路C：保持电容器：保持电容器S(t):采样脉冲信号采样脉冲信号T:采样开关采样开关i第20页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.1 A/D 转换的步骤转换的步骤采样波形图采样波形图保持波形图保持波形图第21页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.1 A/D 转换的步骤转换的步骤集成采样保集成采样保持器常见有持器常见有两种：两种：（1）需要外）需要外接存储电容接存储电容（2）具有内）具有内存储电容存储电容第22页，共54页，编辑于2022年，星期三 取取样样保持后的信号已成保持后的信号已成为为在在时间时间上离散的上离散的阶阶梯信号，而
11、梯信号，而阶阶梯信梯信号的幅号的幅值值是是连续连续可可变变的，有无限多个的，有无限多个值值。需要把。需要把这这无限多个无限多个值值与数与数字量一一字量一一对应对应。v2.量化和编码量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数的整数倍的过程叫做倍的过程叫做量化量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。编码。一个一个n n位二进制数只能表示位二进制数只能表示2 2n n个量化电平，量化过程中不个量化电平，量化过程
12、中不可避免会产生误差，这种误差称为可避免会产生误差，这种误差称为量化误差量化误差。量化级分得越多。量化级分得越多（n n越大），量化误差越小。越大），量化误差越小。第23页，共54页，编辑于2022年，星期三量化：量化：把取样电平归化到最接近的离散电平上。把取样电平归化到最接近的离散电平上。编码：编码：用二进制码表示离散电平。用二进制码表示离散电平。四舍五入四舍五入只舍不入只舍不入第24页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.1 A/D 转换的步骤转换的步骤量化误差：量化误差：第25页，共54页，编辑于2022年，星期三 划分量化等级时的两种方法划分量化等级时的两种方法第26页，共54页
13、，编辑于2022年，星期三v图中：图中：v左边量化方法：只舍不入法左边量化方法：只舍不入法v量化单位：量化单位：=1/8V，v最大量化误差：最大量化误差：1/8V。vv右边量化方法：有舍有入法右边量化方法：有舍有入法v量化单位：量化单位：2/15Vv最大量化误差：最大量化误差：1/2=1/15V。vv 结论：采用有舍有入的方法比只舍不入结论：采用有舍有入的方法比只舍不入法量化误差要小。法量化误差要小。第27页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2 集成模集成模/数转换器数转换器(ADC)A/D转换器可分为直接转换器可分为直接A/D转换器和间接转换器。转换器和间接转换器。所谓直接转换器就是把
14、输入的模拟电压直接转换为输出所谓直接转换器就是把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。的数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有常用的电路有并联比较型并联比较型和和反馈比较型反馈比较型两种。两种。第28页，共54页，编辑于2022年，星期三第29页，共54页，编辑于2022年，星期三1.并行型并行型A/D转换器转换器(1)电阻分电阻分压器压器(2)电压比电压比较器较器(3)数据寄数据寄存器存器(4)编码编码器器第30页，共54页，编辑于2022年，星期三v（1）电压比较器：）电压比较器：v它由电阻分压器和电压比较器组成。电阻分它由电阻分压器和电压比较器组成。电阻分压器由压器
15、由8个电阻构成，产生不同数值的参考电个电阻构成，产生不同数值的参考电压，作为量化刻度，分别送到各个比较器与取压，作为量化刻度，分别送到各个比较器与取样样保持的输入模拟电压保持的输入模拟电压vi进行比较。进行比较。v当当vi高于量化刻度时，比较器输出为高电平；高于量化刻度时，比较器输出为高电平；反之比较器输出为低电平。反之比较器输出为低电平。v（2）寄存器）寄存器v它由它由7个个D触发器组成，它在时钟脉冲触发器组成，它在时钟脉冲CP作作v用下，将比较的结果暂时寄存在寄存器中，供用下，将比较的结果暂时寄存在寄存器中，供编码用。编码用。第31页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成
16、A/D 转换技术转换技术第32页，共54页，编辑于2022年，星期三v（3）编码网络（代码转换器）编码网络（代码转换器）v 它的作用是将寄存器输出信号编译成相它的作用是将寄存器输出信号编译成相应的二进制代码。编码网络的函数表达式为：应的二进制代码。编码网络的函数表达式为：第33页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术并行并行ADC特点：特点：(1)转换速度极快，采用一组数据寄存器，无需采样保持转换速度极快，采用一组数据寄存器，无需采样保持电路。电路。(2)但当输出位数增加时，所需电压比较器和数据寄存器的但当输出位数增加时，所需电压比较器和数据寄存器的数
17、目将以几何级数增加，器件量太大。数目将以几何级数增加，器件量太大。如果需要的二进制如果需要的二进制代码增加一倍，分压电阻、电压比较器、寄存器的硬件代码增加一倍，分压电阻、电压比较器、寄存器的硬件数目近似增加一倍。如输出数目近似增加一倍。如输出n位二进制代码，需位二进制代码，需2n个电阻，个电阻，(2n-1)个电压比较器和个电压比较器和D触发器以及复杂的编码网络。触发器以及复杂的编码网络。因此，适用于转换速度高、高精度、分辨率相对较低因此，适用于转换速度高、高精度、分辨率相对较低的场合。的场合。第34页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术2.串并行串并
18、行ADC特点：特点：兼顾转兼顾转换速度换速度和器件和器件量。量。第35页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术3.逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器特点：转换速度中速（几十特点：转换速度中速（几十K到几百到几百KHz），），成本较低。成本较低。抗干扰能力较积分式的差。抗干扰能力较积分式的差。第36页，共54页，编辑于2022年，星期三12位二进制位二进制A/D转换电压转换电压2865（量化单位）的比较过程（量化单位）的比较过程第37页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术 逐次比较型逐次比较型ADC的
19、的VF波形图波形图第38页，共54页，编辑于2022年，星期三 逐次比较型逐次比较型ADCv 逐次比较型逐次比较型ADCADC，由于转换速度较快，分辨，由于转换速度较快，分辨率较高，误差较小，因此在集成芯片中得到率较高，误差较小，因此在集成芯片中得到了广泛应用了广泛应用第39页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术4.4.双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器第40页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术双积分型双积分型A/D转换器工作原理转换器工作原理1、开始时，计数器为零，电容、开始时，计数器为零，电容C
20、上电压为零。上电压为零。2、第一阶段：、第一阶段：S1接通，接通，S2断开，积分器对断开，积分器对VA积分，积分，G为高，门为高，门开，计数器计数，直到计满，计数器重新回零。开，计数器计数，直到计满，计数器重新回零。第41页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术3、第二阶段：、第二阶段：S2接通，接通，S1断开，积分器对断开，积分器对-VREF积分，积分，G为高，门开，计数器计数，直到为高，门开，计数器计数，直到G低，门关，计数器低，门关，计数器停止计数。停止计数。注意：注意：转换速度较低；转换速度较低；抗干扰能力强；抗干扰能力强；转换精度高。转换精度
21、高。第42页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术4.4.双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器第43页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术双积分双积分ADC工作波形工作波形第44页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术5.-型型A/D转换器转换器第45页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/D 转换技术转换技术 图图8.22-型型ADC在在 vA=0 时的工作波形时的工作波形第46页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.2 集成集成A/
22、D 转换技术转换技术 图图8.23-型型ADC在在 vA=8V 时的工作波形时的工作波形第47页，共54页，编辑于2022年，星期三 表表8.5 -型型ADC在在 VA=8V 时的各点电压或逻辑关系表时的各点电压或逻辑关系表第48页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.3 ADC的主要技术参数的主要技术参数2.转换误差：转换误差：绝对误差：定义为输出数字量对应的理论模拟值与实绝对误差：定义为输出数字量对应的理论模拟值与实际输入模拟值之间的差值（际输入模拟值之间的差值（1/2LSB,1LSB)。相对误差：定义为上述差值与额定最大输入模拟值的相对误差：定义为上述差值与额定最大输入模拟值的百分
23、数（百分数（0.05%，0.1%)。3.转换时间：转换时间：ADC完成一次转换所需的时间。完成一次转换所需的时间。第49页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.5 典型集成典型集成ADC及其应用及其应用1.ADC0809简介简介第50页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2.5 典型集成典型集成ADC及其应用及其应用ADC0809时序图时序图第51页，共54页，编辑于2022年，星期三v8.3 ADC转换过程及各步骤功能：转换过程及各步骤功能：(1)采样：把一个时间上连续的信号变换为时间采样：把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。上离散的信号。(2)保持：将采样信号保持一段时间，使保持：将采样信号保持一段时间，使A/D转转换器有充分的时间进行换器有充分的时间进行A/D转换。转换。(3)量化：把取样电平归化到最接近的离散电平量化：把取样电平归化到最接近的离散电平上。上。(4)编码：用二进制码表示离散电平。编码：用二进制码表示离散电平。第52页，共54页，编辑于2022年，星期三v8.4输入模拟电压输入模拟电压VA数据寄存器输出数据寄存器输出Q4Q3Q2Q1第53页，共54页，编辑于2022年，星期三第54页，共54页，编辑于2022年，星期三