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1、第8章 数/模与模/数转换 数字电子技术第第8 8章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 范立南 代红艳 恩莉 刘明丹中国水利水电出版社第8章 数/模与模/数转换 第第8 8章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 8.1 DAC 8.2 ADC 第8章 数/模与模/数转换 图 8-1A/D、D/A转换器在数字系统中的应用 第8章 数/模与模/数转换 8.1DAC 8.1.1DAC的基本概念的基本概念 1.转换特性转换特性 DAC电路输入的是n位二进制数字信息B(Bn-1,Bn-2,B1、B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为 第8
2、章 数/模与模/数转换 DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO或电流iO，即 式中K为转换比例常数。图 8-2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路的输出与输入转换特性如图8-3所示，输出为阶梯波。第8章 数/模与模/数转换 图 8-2DAC框图 第8章 数/模与模/数转换 图图 8 3 转换特性转换特性 第8章 数/模与模/数转换 2.分辨率分辨率 分辨率分辨率即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,当n=10时，DAC分辨率=;当n=11时，DAC分辨率 。第8章 数/模与模/数转换 3.精度精度 (1)非非线线性性误误差差：它是由电子开关导通的电压降和电阻
3、网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数表示。(2)比比例例系系数数误误差差：它是参考电压UR偏离引起的误差，也用满刻度的百分数表示。(3)漂漂移移误误差差：它是由集成运放漂移产生的误差。增益的改变也会引起增益误差。(4)转转换换时时间间：也称输输出出建建立立时时间间。它是从输入数字信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。第8章 数/模与模/数转换 8.1.2 DAC的电路形式及工作原理的电路形式及工作原理 1.权电阻权电阻 图 8 4 权电阻DAC电路 第8章 数/模与模/数转换 当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流
4、当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0,因此电流表达式应为 根据叠加原理，总的输出电流为 第8章 数/模与模/数转换 通过集成运算放大器，输出电压为 将 代入则得 例如，UR=8V,输入八位二进制数码为11001011，则输出电压为 第8章 数/模与模/数转换 2.倒倒T型网络型网络DAC 图 8 5 R-2R倒T型网络DAC电路 第8章 数/模与模/数转换 运算放大器的输出电压为 若Rf=R,并将I=UR/R代入上式，则有 第8章 数/模与模/数转换 图 8 6 权电流DAC原理图 第8章 数/模与模/数转换 当图 8-6 中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输入端，相应权电流流入求和电
5、路；当Bi=0时，开关接地。故 扩大至n位，则 第8章 数/模与模/数转换 8.1.3 集成集成DAC 图 8-7AD7520引脚图 第8章 数/模与模/数转换 图 8-7为AD7520的引脚图。D0D9为10个数码控制位，控制着内部CMOS的电流开关。IO1和IO2为电流输出端。Rf端为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。UREF端为基准电压输入端。+UDD端接电源的正端。GND端为接地端。第8章 数/模与模/数转换 8.2ADC 8.2.1ADC的组成的组成 1.ADC的两个组成部分及其作用的两个组成部分及其作用 图图 8-8ADC的组成部分的组成部分 第8章 数/
6、模与模/数转换 (1)采样保持电路。采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足公式fs2f imax(fimax为输入电压频谱中的最高频率)，即其周期Ts很小，而且采样时间比Ts更要小许多倍，这样就能将采样保持后的 不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式称为采样定理。第8章 数/模与模/数转换 图 8 9 采样保持前后的波形举例 第8章 数/模与模/数转换 图 8 10 采样保持电路原理图 第8章 数/模与模/数转换(2)量化编码电路。采样保持电路的输出信号 虽已成为阶梯状，但其阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只限于在
7、某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量量化化”。将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码(如二进制码、BCD码或Gray码等)对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码编码”。第8章 数/模与模/数转换 2.量化方式和量化误差量化方式和量化误差(k为整数)(2)四舍五入法。当uI的尾数不足 时，用舍尾取整法得其量化值；当uI的尾数等于或大于 时，则入整。例 如，已 知 s=1V,则 uI=2.1V时，uI=2V;uI=2.7V时 。第8章 数/模与模/数转换 图
8、 8 11 两种量化方法的比较 第8章 数/模与模/数转换 8.2.2ADC电路电路 1.双积分双积分ADC 双积分ADC又称双斜率ADC，是间接法的一种，它先将模拟电压uI转换成与之大小对应的时间T，再在时间间隔T内用计数器对固定频率计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。第8章 数/模与模/数转换 图 8 12 双积分A/D电路原理图 第8章 数/模与模/数转换 图图 8 13 双积分双积分ADC工作波形工作波形 第8章 数/模与模/数转换 (1)采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接,A/D转换开始。uI加至积分器的输入端后，积分器对
9、uI进行积分，输出为 式中，=RC，为积分时间常数。由于uA0，过零比较器输出UC=1，G门打开，n位二进制计数器从0开始计数，一直到 时，触发器F0Fn-1又全部回到0，而触发器Fn由0翻至1，Qn=1，开关S转接至基准电源-UR，采样阶段结束。此时第8章 数/模与模/数转换 (2)比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分器对-UR进行积分，积分器输出 当uA0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则 代入上式得 求得 第8章 数/模与模/数转换 2.逐次逼近式逐次逼近式ADC 图 8 14 四位逐次逼近型A/D转换器原理框图 第8章 数
10、/模与模/数转换 表 8 1 输出与输入数码的关系第8章 数/模与模/数转换 假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信号电压uI=6.25V。首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压 (见表 8-1)，所以 。由于 ，比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参考电压。由于 ，比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1,K
11、=0。第8章 数/模与模/数转换 CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参考电压 。由于，比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参考电压 。由于 ，比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。第8章 数/模与模/数转换 CP3作
12、用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触 发 器 A，使 QA=0，JK触 发 器 的 状 态 为QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V的二进制代码。暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的二进制代码。第8章 数/模与模/数转换 3.并行比较并行比较型电路型电路 图 8-16三位二进制数的并行比较型ADC电路 第8章 数/模与模/数转换 输入模拟电压的范围uI=08V,uIm=8V；输出
13、三位二进制代码(n=3)。采用四舍五入的量化方式，量化间隔 。量化标尺是用电阻分压器形成 各分度值的，并作为各比较器C1C7的比较参考电平。因采用四舍五入法量化，第一个比较器的参考电平应取 。采样保持后的输入电压uI与这些分度值相比较，当uI大于比较参考电平时，比较器输出1电平，反之输出0电平，从而各比较器输出电平的状态就与输入电压量化后的值相对应。各比较器输出并行送至由D触发器构成的寄存器内，再经过编码电路将比较器的输出转换成三位二进制代码x2x1x0。输入电压与代码的对应关系如表 8-2 所示。第8章 数/模与模/数转换 表 8 2 输入电压与代码的对应关系 第8章 数/模与模/数转换 8
14、.2.3ADC的主要技术指标的主要技术指标 1.分辨率分辨率 分分辨辨率率指ADC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ADC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值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如，ADC输出为八位二进制数，输入信号最大值为 5V，其分辨率为 分辨率分辨率第8章 数/模与模/数转换 2.转换误差转换误差 转转换换误误差差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示ADC实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。如给出相对误差小于等于LSB/2，这就
15、表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。第8章 数/模与模/数转换 3.转换速度转换速度 转转换换时时间间是指ADC从转换信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。此时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器，其转换速度相差很大。并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其转换时间在50ns内，逐次逼近型ADC转换速度次之，一般在1050s，也有的可达数百纳秒。双积分式ADC转换速度最慢，其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。第8章 数/模与模/数转换 8.2.4 集成集成ADC 图 8 17 ADC0801引脚图 第8章 数/模与模/数转换 图 8-18ADC0801电路典型应用 第8章 数/模与模/数转换 谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH