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1、第9章 数模和模数转换,学习要点：掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点正确理解D/A、A/D转换器的主要参数,ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。,将温度、压力、流量等物理量转换为模拟电量。,计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等,用模拟量作为控制信号,概述,9 模数与数模转换器,9 模数与数模转换器,第9章 数模和模数转换,9.1 D/A转换器,9.2 A/D转换器,退出,概述,能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换
2、为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。,9.1 D/A转换器,9.1.1 D/A转换器的基本原理,9.1.3 权电流型D/A转换器,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1.6 D/A转换器的应用,9.1.2 倒T型电阻网络D/A转换器,9.1.5 D/A转换器的主要技术指标,退出,概述,将数字量转换为与之成正比模拟量。,A=K D,O=K NB,9.1.1 D/A转换器的基本原理,数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将
3、这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量-模拟量的转换。,NDb424b323b222b121b020 124123022021120,将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。,1、实现D/A转换的基本思想,2、D/A转换器的组成,DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入,用来存放数字量的各位数码,由输入数字量控制,产生权电流,将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压,3、实现D/A转换的原理电路,按解码网络结构分类,T型电阻网络DAC,倒T形电阻网络DAC,权电流DAC,权电阻网络DAC,按模拟电子开关电路分类,CMOS开关型DAC,双极型开关型DAC,电流开关型D
4、AC,ECL电流开关型DAC,D/A 转换器,4、D/A转换器的分类,9.1.2 倒T型电阻网络D/A转换器,1、4位倒T型电阻网络D/A转换器,电阻网络,基准电压,模拟电子开关,求和运算放大器,输入4位二进制数,输出模拟电压,Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路,不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。分别从每个节点处向左看的二端网络等效电阻都是R。,D/A转换器的倒T型电阻网络,R,R,R,R,关于D/A转换器精度的讨论,(1)基准电压稳定性好；,(2)倒T形电阻网络中R和
5、2R电阻比值的精度要高；,(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。,为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。,为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：,(3)每个模拟开关的开关电压降要相等；,2、集成 D/A转换器,使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻,1、4位权电流D/A转换器,权电流型D/A转换器的原理电路,9.1.3 权电流型D/A转换器,在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。,采用恒流源电路后对提高转换精度
6、有什么好处？,9.1.4 D/A转换器的输出方式,单极性输出方式:,倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路,反相输出,同相输出,双极性输出的8位D/A转换器输入与输出关系,在实际应用中，D/A转换器输入的数字量有正极性也有负极性。这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量对应转换为正负极性的模拟电压，工作于双极性方式。,偏移二进制码与无符号码形式相同，实际上是将二进制对应的模拟量的零值偏移至80H，使移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于128的则为负数。所以将单极性8位D/A转换器的输出电压减去（80H所对应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码输出。,双极性输出的8位D/A
7、转换器,（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。（2）转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。包括：比例系数误差（由VREF引起）；失调误差（由运算放大器的零点漂移引起）；非线性误差（由模拟开关和电阻网络中的电阻误差等引起）。（3）转换速度 当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出电压达到规定误差范围所需要的时间。通常用建立时间 和转换速率来描述。,9.1.5 D/A转换器的主要技术指标,数字式可编程增益控制电路,9.1
8、.6 D/A转换器的应用,脉冲波产生电路,74163具同步清零功能,74163和与非门构成十进制计数器：00001001,本节小结,D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，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。,如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：,9.2 A/D转换器,9.2.1 A/D转换的一般工作过程,9.2.2 并行比较型A/D转换器,9.2.3 逐次比较型A/D转换器,
9、9.2.4 双积分型A/D转换器,9.2.5 A/D转换器的主要技术指标,9.2.6 集成A/D转换器及其应用,退出,概述,2.A/D转换器分类,并联比较型 特点:转换速度快,转换时间 10ns 1s,但电路复杂。,逐次逼近型 特点:转换速度适中,转换时间 为几s 100 s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。,双积分型 特点:转换速度慢,转换时间 几百s 几ms,但抗干扰能力最强。,取样,时间上离散的信号,保持、量化,量值上也离散的信号,编码,A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,1.取样与保持,采样是将随时间
10、连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。,采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。,采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，,则 fs 2fimax,S(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。,采样,保持,取样与保持电路及工作原理,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,2.量化与编码,量化后的数值
11、最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。,编码,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,量化：将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。,在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。,量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。,两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,3.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差,4.量化方式,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,最小量化单位，是数字信号最低位为1时所对应
12、的模拟量，即1LSB.,a)只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。,最大量化误差为：,最小量化单位,1/8V,=1LSB=,1/8 V,例：将01V电压转换为3位二进制代码,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,b)四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。,最大量化误差为：,最小量化单位：,=1LSB=,2/15 V,例：将01V电压转换为3位二进制代码,9.2.1 A/D转换器的一般工作过程,间接法：,将采样保持的模拟信号先转换为时间T或频率F,然后再将时间T或
13、频率F转换为数字量。通常采用频率恒定的时钟脉冲通过计数器来实现转换，因此，也称为计数式方法。,间接法A/D转换器特点：,工作速度比较低，但转换精度比较高，抗干扰能力强，一般在测试仪表中用的较多。,直接法：,主要通过2n个量化级电压与输入采样保持模拟电压进行比较，将比较的结果直接转换为数字量。,直接法A/D转换器特点：,工作速度快，调整方便，但转换精度比间接法低。,A/D转换电路一般分为两大类：,间接法,直接法,电压比较器,输入模拟电压,精密电阻网络,精密参考电压,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,输出
14、数字量,1、电路组成,9.2.2 并行比较型A/D转换器,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,001,9.2.2 并行比较型A/D转换器,vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0,7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,11VREF/15 vI 13VR/
15、15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0,13VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。,9.2.2 并行比较型A/D转换器,3、电路特点：,在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的
16、转换时间最短。,缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。,为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。,单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。,9.2.2 并行比较型A/D转换器,9.2.3 逐次比较型A/D转换器,1、转换原理,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。,所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。,基准电压UREF,n位A/D转换器,第一个CP,10 00,10 00,0.
17、5UREF,uIuO,1,uIuO,0,第二个CP,01 00,Dn-11 00,0.75UERF or 0.25UERF,1or 0,uIuO,uIuO,1,0,转换开始前先将所有寄存器清零。电路由启动脉冲启动后，开始转换，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uO，送到比较器中与uI进行比较。若uIuO，说明数字过大了，则最高位应保存0；若uIuo，说明数字还不够大，则最高位应保存1。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求
18、的数字量输出。,例：8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压 UREF=10V。,相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。,uIuO为1否则为0,8位逐次比较型A/D转换器波形图,1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；,2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；,电路特点,双积分A/D转换器是V-T变换型的另一种形式。双积分A/D又称为双斜率A/D转换器。,工作原理：,双积分是对输入模拟电压、参考电压 进行两次积分，是将输入采样保持电压变换成与输入电压平均值成正比的时
19、间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出其时间间隔，再把时间间隔变换成数字量。,电路结构：,积分器：由运放和RC积分网络组成。输入端接开关S,开关S受触发器Qn控制。,S,开关S接输入信号VI，积分器对输入信号VI进行积分。,开关S接基准电压VREF，VREF=-VR，积分器对VR进行积分。,积分器进行两次相反积分，积分的结果VB送入过零比较器。,9.2.4 双积分型A/D转换器,过零比较器：,当积分器输出；,VB0时，,VC=0,封锁与门，CP 不能加给计数器。,当积分器输出；,VB0时，,VC=1,与门开放，CP加到计数器，计数器开始计数。,时钟控制与门：,计数器和定时器,其中FF0FFn-1
20、为M=2n典型异步加法计数器。CP接前级输出。,FFn为定时触发器。,n级计数器,定时,S接VI,S接VREF=-VR,工作过程：,在清零信号/RD的作用下，所有触发器置0,Qn=0,开关S接输入VI,积分器对输入进行积分。n位计数器开始计数，当计数器计到2n+1个脉冲Qn由01、控制开关S接VR，积分器对基准电压进行二次积分。计数器又从0开始计数。,VA,S,0,0,1,反相输入大于基准输出为0,=0,采样阶段,以正极性VI为例，定量说明双积分A/D工作过程。工作过程分为两个阶段。,一、采样阶段：,在启动脉冲的作用下，全部触发器置0，由于Qn=0,开关S接VI，积分器对VI进行积分，积分输出
21、为：,由于VB0，零值比较器输出VC=1,CP通过与门加到计数器，n位二进制计数器从0开始计数，一直计到2n个脉冲后：,TCP:标准时钟周期,n位计数器又全部返回到0，定时触发器Qn由01，使开关S接基准电压VREF，VREF=-VR，采样结束。,采样结束时的积分电压为：,采样结束时：积分器输出电压VB和输入模拟电压VI成正比关系。,VI,-VR,二、比较阶段,由于采样结束时：Qn=1，开关S接VR，积分器对-VR进行积分。（积分器负向积分）积分电压为：,当VB积分电压逐步上升至：,VB0，过零比较器VC=0，与门封锁，计数器停止计数。,假设二次积分时，计数器记录了M个脉冲：,二次积分结束时，
22、VB=0,代入二次积分电压表达式：,可见M个脉冲和VI成正比，M所对应的二进制码即为数字量输出，这样通过二次积分实现了对输入信号的A/D转换。,比较阶段,采样阶段,VI,-VR,1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。,2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。,3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。,电路特点,（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分
23、辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）转换误差 A/D转换器实际输出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。（3）转换时间 转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。它与转换电路的类型有关。并行比较A/D转换器的转换速度最快，逐次比较型A/D转换器次之，间接A/D转换器的速度最慢（如双积分A/D转换器）。,9.2.5 A/D转换器的主要技术指标,9.2.6 集成A/D转换器及应用,引脚功能,IN0IN7:模拟输入。,VR(+)和VR(-):外输入基准电压的正
24、端和负端，基准电压的中心点应在VCC/2附近，其偏差不应超过0.1V。,ADDC、ADDB、ADDA：模拟输入端选通地址输入。,ALE:地址锁存允许信号输入端。高有效。,D7D0:数码输出。,OE:输出允许信号，高有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。,CLK:时钟脉冲输入端。一般在此端加500KHZ的时钟信号。,START:启动信号。,为了启动A/D转换过程，在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将内部的寄存器全部清零，在其下降沿开始A/D转换过程。,EOC:转换结束输出信号。,在START信号上升沿之后18个时钟周期内，EOC信号变为低电平。当转换结束后，转换后的数据可以读出
25、时，EOC变为高电平。,主要技术指标,分辨率：八位。,转换时间：100S。,功耗：15mW。,电源：5V。,工作时序,ALE:地址锁存允许信号输入端。高有效。,START:启动信号。,脉冲的上升沿将内部的寄存器全部清零，在其下降沿开始A/D转换过程。,EOC:转换结束输出信号。,在START信号上升沿之后18个时钟周期内，EOC信号变为低电平。当转换结束后，转换后的数据可以读出时，EOC变为高电平。,OE:输出允许信号,数据信号,使用A/D转换器时应注意以下几点：,(1)转换过程各信号的时序配合,9.2.6 集成A/D转换器及应用,ADC的典型应用,9.2.6 集成A/D转换器及应用,A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。,本节小结,
