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1、9.1 概论,9.2 D/A转换器,9.3 A/D转换器,第九章 D/A和A/D转换器,D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。,9.1 概 论,从数字信号到模拟信号的转换称为D/A（Digital to Analog）转换把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（Digital Analog Converter DAC）,模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，或称为A/D（Analog to Digital）把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter ADC）,典型应用系统之一多路数据采集系统,
2、概 论,模拟量、数字量以及二者的相互转换,连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为数字量，也叫离散量。数字量是不能连续取值的。,连续变化的模拟量,电压、电流或频率等电量,被控对象,传感器,A/D转换,数字信号,处理后的数字信息,数字系统,电的模拟量,D/A转换,执行机构,一、D/A转换器的基本概念,9.2 D/A转换器,将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。,以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系,D/A转换器,D/A转换器的传输特性,1.电路结构及工作原理,9.2.1 权电阻型D/A转换器,流过各电阻的电流为多少？,权电阻型D/A转换器,权电
3、阻型D/A转换器,（1）输出电压与输入的数字量成正比；,（2）输出电压与参考电压极性相反；,（3）如果数字量为n位的二进制数，输出电压的变化范围：,结论：,权电阻型D/A转换器,由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻均有很高精度，在集成DAC中很少采用。,思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？,权电阻精度,外加参考电源精度,9.2.2 R-2R 网络型D/A转换器,1.电路结构,由于R-2R电阻网络只有两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。,R-2R 网络型D/A转换器,2.工作原理,同样分析可得：,R-2R 网络型D/A转换器,2.工作原理（续
4、）,通过放大器A把电流i转换成输出电压vO：,2.满量程（Full Scale Range）输出电压VFSR,1.最小输出电压增量VLSB,9.2.4 D/A转换器的主要参数,分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。,3.分辨率：最小输出电压增量与最大输出电压的比值来表示。,例：求满量程输出电压VFSR=10V，输入数字位数n=10的DAC的最小输出电压增量VLSB。,数字量为111时的输出电压值。,数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。,5.输出建立时间,4.转换精度,D/A转换器的主要参数,普通DAC的建立时间为几到几百微秒；,高速DAC的建立时间小于几微秒；,如MAXIM公司的MAX55
5、5为12位DAC，转换速度为300MHz。,输出模拟电压的实际值与理想值之差。,输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要的最大时间。,2.数字信号接口特性,1.转换器的位数,9.2.5 集成D/A转换器的选择,转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。,3.模拟信号接口特性,4.参考电压,5.动态特性,是并行接口还是串行接口。,是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？,是外置参考电压还是内置参考电压？,主要指转换速度。,一、A/D转换的过程,要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别称为采样、保持、量化、编码。,9.3 A/D转换器,模拟信号的特点：时间连续，幅值连续。,数字信号的特
6、点：时间离散，幅值离散。,1.采样保持,A/D转换器,连续时间信号,离散时间信号,1.采样,A/D转换器,2.保持,采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍。,3.量化,量化：将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔，用表示）的整数倍。,A/D转换器,（1）确定量化间隔：,设输入模拟信号的幅值范围为01V，要转化为3位二进制代码，则其量化间隔=1/8V。,量化过程分为以下两个步骤：,经量化后的信号幅值均为的整数倍。,A/D转换器,方式一：只舍不入量化方式,0VvI1/8V 则量化为0=0V；,（2）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平,1/8
7、VvI2/8V 则量化为1=1/8V；,7/8VvI1V 则量化为7=7/8V。,在量化过程中会产生误差，称为量化误差。,0VvI1/16V 则量化为0=0V；,A/D转换器,取两个离散电平中的相近值作为量化电平。,量化误差为1/2=1/16V,方式二：四舍五入量化方式,在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。,1/16VvI3/16V 则量化为1=1/8V；,13/16VvI15/16V 则量化为7=7/8V。,A/D转换器,量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为编码，这个数制代码就是A/D转换器输出的数字量。,4.编码,A/D转换器,二、几种常见的A/D转换器,1.并行比较型A/D转换器
8、（闪烁ADC）,2.逐次比较型A/D转换器,3.双积分型A/D转换器,9.3.1.并行比较型A/D转换器,5L 4,量化为4,尺子,物体,同时与各个刻度比较,并行比较型A/D转换器,用电阻分压的办法,刻度是什么？,是一系列的标准电压,如何实现？,并行比较型A/D转换器,用电阻分压形成7个标准电压。,并行比较型A/D转换器,模拟信号比较器,被量物体？,模拟输入电压vi,如何比较？,当V+大于V-时，VO输出高电平；当V+小于V-时，VO输出低电平,并行比较型A/D转换器,如何同时比较？,每个电压刻度使用一个比较器。,Vi=4.32V,Vi=3.68V,1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 10
9、 1 1 1 1 1 1 6 1 1 00 0 1 1 1 1 1 5 1 0 10 0 0 1 1 1 1 4 1 0 00 0 0 0 1 1 1 3 0 1 10 0 0 0 0 1 1 2 0 1 00 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,并行比较型A/D转换器,需要几个比较器？,2N-1个比较器。,转换一次需要多少时间？,1个时钟周期（TCP）。,LSB,三、并行比较型A/D转换器,假定被转换的模拟输入电压uI在0UREF范围内变化。取3位二进制数代表模拟输入uI的数字输出。,采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段
10、（量化阶梯），位数越多，精度越高。,二进制数输出,其中6段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过(1/14)UREF。,001是在(1/7)UREF时的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之间的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF，因此，最大量化误差不会超过(1/14)UREF。,R8,R1,参考电压,模拟输入电压uI,UREF,例：当，求输出的数字量。,0000011,0010100,1,0,1,1,0,由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所
11、以并行比较型A/D转换器的转换速率在所有A/D转换方案中是最高的。但需要使用大量的比较器。,1.工作原理,9.3.2.逐次逼近型A/D转换器,逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。,1.电路原理框图,逐次逼近型A/D转换器,由倒T形电阻网络DAC、比较器、SAR三部分组成。,2.工作原理,逐次逼近型A/D转换器,5V,3.4V,1,2,3,4,1 0 0 0,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,2.5V,3.75V,3.125V,3.4375V,vIvO,vIvO,vIvO,vIvO,（D3）1保留,（D2）1不保留,（D1）1保留,（D0）1不保留,转换时间,逐次逼近型
12、A/D转换器,逐次逼近型A/D转换器的原理基于二进制搜索算法，N位的逐次逼近型A/D转换器需要N个比较周期。,一般对14位和16位的A/D转换器来说，速率达到几MSPS已不容易。,速率主要受内部D/A转换器和比较器的建立时间限制。,位数主要受内部D/A转换器的元件匹配精度（高于12位的要进行微调和校准），比较器的速度和精度以及噪声等的限制。,逐次逼近型A/D转换器的特点：,9.3.3.双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器属于间接A/D转换器。将模拟量转换为数字量分两步进行。,第一步：将电压转化为时间T，使T与输入电压成正比；,第二步：将时间T转化为数字量，使数字量与T成正比,1.基本原理
13、,双积分型A/D转换器,开关S1合到vI一侧,开关S1接到VREF一侧,T1为常数，T2与vI成正比,固定时间积分，到时结束,固定斜率积分，过零 结束,第一步：将电压转化为时间T，使T与输入电压成正比,双积分型A/D转换器,第二步：将时间T2转化为数字量，使数字量与T2成正比,双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器原理图,双积分型A/D转换器的特点：,双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器的突出优点是对噪声和某些特定频率（如工频）的干扰，有非常好的抑制能力，因而适合在噪声和工频干扰严重的环境中应用,双积分型A/D转换器的转换速度较慢。,9.3.4A/D转换器的主要参数,1.分辨率,2.转换速度,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。,转换速度是指完成一次转换所需的时间。,A/D转换器,例 一个8位ADC，满度输入电压为+5V，采用舍入量化方式，计算输出二进制数据为10 000 000 时所对应的输入电压范围。,解：,1LSB所对应的电压（量化间隔）为5000mV/255=19.6mV,二进制数10 000 000对应的输入电压为：,即2499.02518.6mV,
