数字电子线路课件7

第七章数模、模数转换电路概述7.1 D / A 转换器(DAC)7.2 A / D 转换器(ADC)概述一、数/模和模/数是模拟、数字系统间的桥梁模/数（A /D ）转换:Analog to Digital Converter （ADC ）数/模（D /A ）转换:D igital to A nalog C onverter （DAC）二、常见数模、模数转换器应用系统举例压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC……模拟控制器模拟控制器液位传感器DAC…DAC…模拟控制器模拟控制器生产控制对象DACADC物理量二进制信号模拟信号三、A/D、D/A 转换器的精度和速度精度保证转换的准确性速度保证适时控制7.1 D / A 转换器（DAC）7.1.1 D / A转换的基本要求1. D/A转换思路…d0d1dDACu O或i O n位二进制如(1101)213148212121023=++=⨯+⨯+⨯=∑-=⨯=10210nii idN可利用运算放大器实现运算2. 转换特性u O/V001 010 011 100 101 110 111一、输入、输出关系框图二、D/A 转换的电路组成RR R2R2R 2R 2R UREFS 0S 1S 2d 0d 0d 1d 2d 1d 2电子开关电阻网络求和运放三、工作原理当d 2d 1d 0 = 100,II /2I /4I /8I/2I = U REF / RR I u 2O -=R R U 2REF -=23REF 212⨯⨯-=U O当d 2d 1d 0 = 110,I RR R 2R 2R2R2RU REFu OI /2I /4I /8R I I u )42(O +-=)2121(2123REF ⨯+⨯-=U RRU R U )42(REFREF +-=当d 2d 1d 0 = 111,I RR R 2R 2R2R2RU REFu OI /2I /4I /8R u )842(O ++-=)212121(20123REF ⨯+⨯+⨯-=U RRR R )842(REFREF REF ++-=表达式的一般形式)222(2011223REF O ⨯+⨯+⨯-=d d d U u三、输入为n 位二进制数时的表达式当 D = d n -1 d n -2… d 1d 0)22 (2)(201111REF O ⨯+⨯++⨯-=--d d d U u n n nDK D U u n⋅=-=u REF O 2K u —转换比例系数nU K 2REF u -=7.1.2 DAC 的转换精度、速度和主要参数（自学）一、转换精度指D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。

为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。

U LSB U FSR=12n –1分辨率=LSB —L east S ignificant B it (二)转换误差可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（LSB ）的倍数表示。

如: ½ （LSB ）= 输入为00…01 时输出模拟电压的一半。

(一)分辨率（Resolution ）FSR —F ull S cale R ange二、转换速度(一)建立时间t st s 为在大信号工作下（输入由全0 变为全1，或由全1 变为全0）,输出电压达到某一规定值所需时间。

不包含U REF 和运放的单片DAC 最短t s < 0.1 μs ；包含U REF 和运放的单片DAC 最短t s < 1.5 μs 。

(二)转换速率S R用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示T TR = t s +t r （t f ）上升时间下降时间完成一次转换所需时间T TR （max ）= t s + U O （max ）/S R三、主要参数D/A 转换器5G7520 的主要参数参数名称单位参数值分辨率位10非线性度转换时间U REF 全量程的%≤ 0.05 % ns≤ 500VV电源电压–25 ~+25 V5 ~15 V功耗mW20温度系数FSR ⨯10–6/ºC四、集成DAC 芯片举例（不讲）1. 5G7520 的电路结构U REFI O1I O2d 45G752012345678161514131211109V DDd 3d 2d 1d 0d 5d 6d 7d 8d 9R fGNDu O R I O1参考电压源，可正可负。

2. 应用电路单极性输出u O U REF I O1I O25G7520223416151413V DD d 0~d 9R f ~1–V EE R R W1R W2R W3输入从0000000000 ~1111111111 变化时，u O 从0 ~（1023/1024）U REF 输出与输入的关系数码输入模拟输出d 9 d 8 d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1 d 0u O1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 0…0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0–（1023 / 1024）U REF –（1022 / 1024）U REF…–（1 / 1024）U REFU REF > 0，u O < 03. 分辨率单极性输出：分辨率121-=n分辨率=1211--n 5G7520 为10 位D /A 转换器，分辨率=000978.01023112110≈=-当U REF =10 V 时，最小输出电压u O = 9.78 mV 双极性输出：对于5G7520分辨率=00196.051111219≈=-当U REF =10 V 时，最小输出电压u O = 19.6 mV见王建珍P217~2187.2 A / D 转换器（ADC ）7.2.1 A /D 转换的一般步骤和取样定理一、模拟量到数字量的转换过程u I (t )CADC 的量化编码电路d n -1d 1d 0…u I (t )S模拟量数字量取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号,使有充分时间变其为数字信号。

取样保持二、取样定理取样定理：当满足f s ≥2 f imax 时, 取样信号可恢复为原信号。

f s —取样频率。

f imax —模拟信号u I 的最高频率分量。

tOu SfO)(f A f s –f imaxf max u ItO输入模拟信号取样信号在满足取样定理的条件下，可用如左图幅频特性的滤波器将u S 还原为u I取样频率越高，取样越密，取样信号u S 的包络线越接近于输入信号u I三、量化和编码量化单位（最小数量单位）数字信号最低有效位(LSB)(即1)所对应的模拟信号大小，用∆表示。

量化把采样保持的信号化为量化单位的整数倍。

量化误差采样保持的信号不一定能被∆整除而引起的误差。

编码把量化的数值用二进制代码表示。

L east S ignificant B it对模拟信号取样保持得到的信号为阶梯波，还必须把每个离散的阶梯幅值转换成与其幅度成正比的数字量。

用数字量表示这些阶梯幅值的大小时，首先要选定一个最小数量单位∆，然后把阶梯幅值与∆比较，取比较的整数倍值来表示阶梯幅值的大小，这就是量化。

如果这个整数倍值用二进制数来表示，它就是A/D 转换输出的数字信号。

把0~1V 的模拟电压转换为三位二进制代码，划分量化电平的两种不同方法。

不同划分方法，产生的量化误差不同。

1V 1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0∆= 01∆= 1/82∆= 2/83∆= 3/84∆= 4/85∆= 5/86∆= 6/87∆= 7/81V 1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模拟电平二进制代码代表的模拟电平0∆= 01∆= 2/152∆= 4/153∆= 6/154∆=8/155∆= 10/156∆= 12/157∆=14/15最大量化误差= ∆=(1/8) V最大量化误差= ∆/ 2 =(1/15)V△=V REF /2n =(1/8)V △=2V REF /(2n+1−1)=(2/15)V7.2.2 取样—保持电路一、电路组成及工作原理为高电平：当uLT导通，C h充电：u C= u Iu O=u C= u I（取样）当u为低电平：LT 截止，C h基本不放电。

u O= u C（保持）二、实际电路(LF198)R 2C hR 1u I u Ou Lu 'O300Ω30k ΩD 1D 2S当u L = 1，S 闭合u O =u 'O =u C = u I （取样）当u L = 0，S 断开u O = u C （保持）S 断开时，A 1工作在开环状态，u 'o 可能很大，用D1、D 2将u 'o 限制在u I + u D 以内，起保护作用。

62145387u O u Iu LC hLF198A 1A 2一、基本工作原理电路DACu I逐次渐近寄存器比较器参考电源时钟信号MSB LSB MSBLSB并行数字输出转换控制信号10003.2V 8V 101117V 01106V 01015V 01004V 00113V000117.2.3 逐次渐近型A/D 转换器读出控制控制逻辑电路逐次渐近寄存器比较器二、转换过程举例3位DACQ 1S1R d 0&+CPd 1d 2&≥1Q 1S 1RFF B FF C ≥1&&&d 0d 1d 2u Iu O u CC五位环行移位寄存器Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q FF A 1S1R&∑∆/2输出偏移Qn +11 11 00 10 0功能R S Q n10不用保持置1置0不许CP ⨯12345Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q A Q B Q C u I (V)u O (V)u 'O (V)u Cd 2 d 1d 00 0 0 0 10 0 0 5.90–0.500 0 01 00 0 0 1 0 04 3.500 0 00 10 0 0 1 1 06 5.500 0 00 0 10 0 1 1 17 6.510 0 00 0 0 1 0 1 1 06 5.500 0 00 0 0 0 11 1 065.51 1 07.2.4 双积分型A/D 转换器转换思路：模拟输入u I →t→t 控制计数CP 个数→输出二进制数一、电路组成C O ＝101 ... 001 ... 110 ... 010 ... 111 (11)00 ... 000 ... 1001 (101)每进行完一次2n 进制计数，定时器置1，S 1 合向基准电压电容C 放电S 2CS 1u I逻辑控制门C定时器n 位二进制计数器&d n –1d 0u ｏＴCPCP基准电压< 0二、工作原理u I积分器输入ＵIu ｏ(t )积分器输出固定时间t 1t 2⋯⋯N 1ＴCPN 2ＴCP1I0I 1o 11)(t RCU dt u RC t u t -=-=⎰T 1 = N 1T CP = 2n T CP)()(2REF 1o 2o =-=t RCU t u t u T 2 = N 2T CP = D T CP1REFI2t U U t = nn U U U U D 2/2REF IREF I ==∴= U I / ∆单位电压ＵREF&&&&&&7.2.5 并联比较型A/D 转换器RRR R R RRR /2U REF u I比较器1D 71D 61D 51D 41D 31D 21D 1CP寄存器d 2d 1d 0编码器REF 151UREF153U REF155U REF1513UREF157U REF159U REF 1511U00u I <UREF /15000011100110u I0u I 00101u I 0001111110101101100u I1u I 1101010u I 1111111001100101111I来自取样保持电路的7.2.6 A/D 转换器的转换精度和转换速度一、转换精度分辨率1. 用二进制或十进制位数表示(设计参数)2.LSB变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量(测量参数)如最大输出电压为5V 的8 位ADC 的分辨率为：V582/6.19m A转换误差：表示实际输出与理想输出数字量的差别以相对误差的形式（LSB的倍数）给出。