数模和模数转换器.ppt

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1、第 11 章 数模和模数转换器,11.2 数模转换器 (DAC) 11.3 模数转换器 (ADC) 11.4 集成ADC,在数字系统内部，只能对数字信号进行处理，而实际信号大多是连续变化的模拟信号，如电压、电流、声音、温度、压力等。因此应把这些模拟信号转换成数字信号后才能进入数字系统内进行处理；经数字系统处理后的数字信号需再转换成模拟量，以便实际使用。 模数转换：将电模拟量转换成数字量的过程； 数模转换：将数字量转换成模拟量的过程。 模数转换器（ADC）：完成模数转换的电路； 数模转换器（DAC）：完成数模转换的电路。,11.2 数模转换器 (DAC),11.2.1 数模转换原理和一般组成,输

2、出电压模拟量的大小与输入数字量大小成正比。,DAC 输出特性,最小分辨电压：1 LSB,最大输出电压：FSR,1. 数模转换原理,转换比例系数：k,=1 k V,=15 k V,2. DAC 的一般组成,基准电压,或基准电流,输出模拟电压,输入数字量,用输入数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与位权成正比的电流值，再由运放求和并转换成电压值。,3.转换原理：,不同位权网络构成不同DAC,11.2.2 权电阻网络 DAC,1. 电路结构,4 位权电阻网络 DAC,电子开关,位权电阻值与该位的权值成反比,待转换的数字量,11.2.2 权电阻网络 DAC,2

3、.工作原理,电子开关,数码Di=0时，电子开关掷右，对应位权电阻接地;两端电位差为0，流过该电阻的电流Ii=0；,虚地,数码Di=1时，电子开关掷左，使对应位权电阻接基准VREF;,通过各位权电阻的电流之和为：,输出电压模拟量与输入数字量成正比。,例: 4 位权电阻网络, VREF = - 8V, 2RF = R ,求: D3D2D1D0 = 1101 时的输出电压值及 LSB 和 FSR,解: D3D2D1D0 = (1101)2 = (13)10,1 LSB =,0.5 V,FSR =,输出电压范围: 0 7.5V,1 k V =,具有双极性输出的权电阻网络 DAC,若: RB = R,D

4、 = 1000 时，输出为 0。,D = 0000 时，输出为 -4V; D = 1111 时，输出为3.5V,权电阻网络 DAC的特点：,转换精度取决于基准电压、模拟电子开关、运放及各权电阻值的精度，,缺点：,各权电阻的阻值不同，当位数多时，其阻值相差甚大，难以保证精度，不利于制作集成电路。,R 2R 倒 T 型电阻网络 的DAC只有两种阻值的电阻，可克服此缺点。,11.2.3 R 2R 倒 T 型电阻网络 DAC,1. 电路结构,点虚地，,无论输入数字量D为0或1，即无论电子开关掷向右边或左过边，从A、B、C点向右边看的对地电阻都是2R，,由基准电源VREF流出总电流I每经过一个2R电阻就

5、被分流一半，所以：,由数字量D控制的电子开关决定各支路电流是流入地，还是流向运放。,11.2.3 R 2R 倒 T 型电阻网络 DAC,2. 工作原理,3. DAC 集成片 AD7524 简介及应用举例,结构框图,数据输入端,片选端,写输入控制端,电阻网络的电流输出端,反馈电阻端 RF=R,基准电源端,3. DAC 集成片 AD7524 简介及应用举例,结构框图,3. DAC 集成片 AD7524 简介及应用举例,结构框图,模拟电子开关,当Di=1时，T1导通，2R支路电流流向OUT1端；,当Di=0时，T2导通，2R支路电流流向OUT2端；,应用举例,1. 用作数模转换,当输入最小数字量 0

6、0000000 时,vOmin = 0 V,片选端和写输入控制端同时为0，可从D7D0端输入数据。,通过调零电位器RP3可进行零点校准。,应用举例,1. 用作数模转换,当输入最大数字量 11111111 时,若vOmax小于9.96V，调节RP2，增大反馈电阻，提高运放的放大倍数，使vOmax增大；,若vOmax大于9.96V，调节RP1，降低基准电源VREF，使vOmax减小。,2. 构成数字衰减器,衰减倍数:,输入数字量 00000100,衰减倍数是 64;,输入数字量 00010000,衰减倍数是 16。,在权电阻网络及R-2R倒T型电阻网络DAC中，是由电子开关将基准电压接到电阻网络，

7、而电子开关存在导通电阻，所以会引起转换误差。 电流型DAC是将恒流源切换到电阻网络中，而恒流源的内阻很大，因而连同电子开关在内，对转换精度的影响都很小。,11.2.4 单值电流型网络 DAC,Di=1时，电子开关Si使恒流源与电阻网络的对应结点接通； Di=0时，电子开关使恒流源与地接通。,虚地,电阻网络中的各结点（A、B、C、D），3个支路的对地电阻均为2R，,所以Di=1使结点接通恒流源时，电流将被3个支路等分，向右传递时每经过一个结点又被2等分。,11.2.4 单值电流型网络 DAC,D3D2D1D0 = 0001 时，A点接通恒流源,D3D2D1D0 = 0010 时， B点接通恒流源

8、,D3D2D1D0 = 0100 时， C点接通恒流源,D3D2D1D0 = 1000 时， D点接通恒流源,11.2.4 单值电流型网络 DAC,根据叠加原理，输入任意数字量时：,11.2.5 DAC 的转换精度与转换速度,1. 转换精度,用分辨率和转换误差描述DAC的转换精度,分辨率的两种衡量方式：,DAC的位数(位数越多，分辨能力越高) DAC能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比,该值越小，分辨率越高。,所以，DAC的位数越多，分辨率越高。,11.2.5 DAC 的转换精度与转换速度,转换误差：,实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。,(1) 非线性误差(非线性度),非线性误差,例

9、:AD7524 非线性误差为,最大正、负误差,(2) 漂移误差(平移误差),漂移误差,2. 转换速度,增益误差,从输入由全 0 突变为全 1 时开始，到输出电压稳定在 FSR(1/2)LSB 范围内为止的时间。,() 增益误差(比例系数误差),11.3 模数转换器 (ADC),11.3.1 模数转换原理,将时间上和数值连续的模拟信号转换为数字信号，需经过取样、保持、量化和编码四步。,取样：按一定时间间隔对输入的模拟电压值取样，使它变成时间上离散的信号； 保持：将取样值保持一定时间，以便完成转换； 量化：在保持时间内将取样值变成离散的量值； 编码：把量化后的离散量值转换成数字量输出。,11.3.

10、1 模数转换原理,由S(t)控制开关： S(t)=1时，开关接通，输出vS=vI; S(t)=0时，开关断开，输出vS=0。,取样电路示意图：,11.3.1 模数转换原理,取样,保持,1. 取样、保持,取样-保持电路,S(t)=1时，管子导通，vI为C充电，使其电压（即vO）基本跟随输入vI的变化，即取样; S(t)=0时，管子截止， C无放电回路， vO保持不变，即保持。,2. 量化、编码,量化方法之一:四舍五入,方法之二:舍去小数,模拟信号经取样、保持而抽取的取样电压值是离散的，不能用有限位的数字量准确表示。,量化：根据数字量的位数，确定量化级、量化单位、量化值。,编码：用有限位的数字信号

11、表示各量化值。,2. 量化、编码,例：对 07.5 V 的模拟电压进行量化编码，转换为3位二进制数。,模拟电压 vI/V,量化值,二进制数,量化单位,3位二进制数有8个数值，可表示8个不同的模拟电压值。因此将07.5 V 的模拟电压分为8个量化级；,对应有8个量化值，对落入某一量化级范围内的模拟电压，取整归并到该量化值上；,将各量化值转换成对应的3位二进制数。,量化单位：相邻量化值之间的差值。,2. 量化、编码,例：对 07.5 V 的模拟电压进行量化编码，转换为3位二进制数。,模拟电压 vI/V,量化值,二进制数,量化单位,对应有8个量化值，对落入某一量化级范围内的模拟电压，取整归并到该量化

12、值上。,量化方法:四舍五入,最大量化误差为/2=0.5 V,模拟量VI对应的数字量是：,=( )2,量化误差：实际输入电压值与量化值之间的偏差。,2. 量化、编码,量化方法之二:舍去小数,例：对 08 V 的模拟电压进行量化编码,模拟电压 vI/V,量化值,二进制数,最大量化误差为=1 V,例：vI=5.7V时,(N)10=(5.7/1)舍去小数=(5)10,=(101)2,量化误差为0.7V,如果用四舍五入的量化方法，,(N)10=(6)10=(110)2,量化误差为0.3V,11.3.2 并联比较型 ADC,1. 电路结构,分压电阻链,电压比较器,寄存器,作用：确定量化值,11.3.2 并

13、联比较型 ADC,2. 工作原理,当取样脉冲S(t)=0时，取样保持电路提供一个稳定的取样值；由vI送入比较器，在保持时间内进行量化；量化值在S(t)的上升沿时送入到寄存器寄存；并由优先编码器产生相应的二进制编码，完成模数转换。,11.3.2 并联比较型 ADC,量化过程：,若,则,则,若,则,若,3 位并联比较型 ADC 量化编码表,量化单位:,量化误差:,编码,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,量化值,0,量化方法：,四舍五入,并联比较型ADC的特点：,采用各量级同时并行比较、各位输出码同时产生，因此转换速度快。,并联比较型DA

14、C的缺点：,n位输出的ADC需要2n个电阻、（ 2n-1）个比较器和D触发器、复杂的编码器。当位数增加时，所需元件数量以几何级数上升，因此成本高、功耗大。,适用于要求高速、（精度）分辨率低的场合。,11.3.3 逐次逼近型 ADC,1. 电路组成及各部分作用,vR,3位R-2RT型电阻网络DAC：,由不同的输入数码d2 d1 d0产生一组相应的比较电压vR,电压比较器C：,将取样保持电路提供的输入电压vI与比较电压vR比较，,vI vR 时，C0=1； vI vR 时，C0=0,11.3.3 逐次逼近型 ADC,1. 电路组成及各部分作用,vR,4 节拍脉冲发生器,JK触发器：在4节拍脉冲的推

15、动下，记忆比较器每次比较的结果，并向DAC提供输入数码。,11.3.3 逐次逼近型 ADC,1. 电路组成及各部分作用,vR,4 节拍脉冲发生器,3D寄存器：记忆最后比较结果，并输出二进制代码。,11.3.3 逐次逼近型 ADC,2.转换原理,首先与基准电压的一半比较，确定最高位为1或0；然后确定次高位为1或0，逐次确定每位数字量。,例：vI = 5 .9 V，基准电压VREF=8V,CP3将转换结果101存入寄存器。,转换误差：0.9V，量化方法：只舍不入。,接有偏移电压的逐次比较型ADC,量化方法：四舍五入 转换误差：0.4V,5.9V,8 V,V- =vR-2/,逐次逼迫型ADC的特点：

16、所用元件少,缺点：速度较慢，需(n+1)个时钟周期完成转换。,用于集成电路。,11.3.4 双积分型 ADC,1. 电路结构,积分器,检零比较器,n 位计数器,0,1,1,0,QC=0时，S1接vI QC=1时，S1接-VREF,L=0时，S2断开 L=1时，S2闭合,2. 工作原理,初始阶段（vS=0）,0,1,1,0,设vI为正，-VREF为负,FFC及计数器清零；S1接vI，S2闭合，电容C充分放电。,+vI,第一次积分,0,1,1,0,t=0时，vS=1,S2断开，积分器对vI积分，,vO 0，C=1，计数器开始计数,计数器计满2n个数时清零，FFC置1，S1接-VREF，第一次积分结

17、束。,-VREF,+vI,第一次积分时间：T1,0,1,1,0,定时积分,VO1,T1,T1时刻积分器输出电压VO1：,VI为取样时间（T1）内输入电压的平均值,-VREF,+vI,-VREF,t=T1时，积分器对-VREF积分，,0,1,1,0,VO1,VO2,T1,T1+T2,第二次积分,V02 = 0,计数器从0开始重新计数，,经过T2时间，积分器输出电压为0，比较器输出0，计数器停止计数。,定值积分,积分器继续积分，直到vS=0,t = T1 +T 2 时，,最大量化误差为：,VO1,VO2,VI与M成正比，所以与M对应的计数器状态即为转换结果。,双积分型 ADC 的特点：,优点：,抗

18、干扰能力强；,稳定性好。,缺点：,转换速度低。,适用于要求精度高而转换速度要求不高的仪器登记表中。,11.4 集成 ADC,双积分型集成 ADC 逐次逼近型集成ADC,11.4.1 双积分型集成 ADC （CC14433）,1. 逻辑框图,Q3 Q2 Q1 Q0,构成积分器的运放和检零比较器,个十百位为8424BCD码，千位只有数码0、1,存放计数器输出的转换结果,逐位（十进制位）输出数据寄存器中存储的8421BCD码,产生控制信号,产生计数脉冲,11.4.1 双积分型集成 ADC,2. 引出端功能,模拟电压输入端,基准电压输入端,为1时将转换结果存入数据寄存器,外部时钟输入端,在CPI与CP

19、O间接电阻，将由片内产生时钟,为1时转换结束,CC14433,3. CC14433应用举例：,位数字电压表,AD转换,基准电源,译码驱动器,3. CC14433应用举例：,位数字电压表,工作过程：,转换结束时，EOC输出1，DU=1，寄存器保存转换结果。,数据选择器输出千位数据Q3Q2Q1Q0，译码后驱动显示器显示1或0；同时输出千位选通脉冲DS1，推动5G1413使千位显示管发光。,依次输出并显示百位、十位和个位；转换结束后，EOC输出1，立即进行下一次转换。,测量范围为-1.999V+1.999V。,11.4.2 逐次逼近型集成 ADC,为8位逐次逼近型ADC，采用四舍五入的量化方法。,6

20、、7为模拟信号输入端,VREF/2端悬空时基准电压由片内提供，等于VDD；或由外部接入，此时VREF等于2倍的外接电压。,时钟脉冲可由CLKIN端接入；图中由片内产生。,SB转换启动开关，按下，开始转换。,11.4.2 逐次逼近型集成 ADC,VREF=VDD=5.12V,量化单位：,最大量化误差：,全 0 时，对应的理论输入电压范围：,输出 全1 时，对应的理论输入电压范围：,=（ ）2,11.4.3 ADC 的转换精度和转换速度,1. 转换精度,分辨率：,以输出二进制或十进制数字的位数表示。,转换误差：,2. 转换速度,完成一次 A/D 转换所需要的时间。,分辨率1(2n1),本章小结：,

21、最小分辨电压：1 LSB,最大输出电压：FSR,一、数模转换：,权电阻网络 DAC,= 1 k V,= （2n-1） k V,R 2R 倒 T 型电阻网络 DAC,单值电流型网络 DAC,集成片 AD7524 应用,二、模数转换：,1. 取样、保持、量化、编码四步,量化单位,数字信号最低位 1LSB 所对应的模拟信号大小。,量化,把采样后的保持信号化为量化单位的整数倍。,量化误差,编码,把量化的数值用二进制代码表示。,因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。,四舍五入法：,最大量化误差为/2,最大量化误差为,2. 量化方法：,舍去小数法：,量化单位:,最大量化误差: ,逐次逼近型ADC,舍去小

22、数法,加接偏移电压后，四舍五入法，最大量化误差为/2,量化单位：,双积分型ADC,舍去小数法,最大量化误差: ,要求：对于给定ADC，能求出量化单位；最大量化误差；写出 A/D 转换公式。,量化单位:,最大量化误差: /2,3. 典型ADC,并行比较型ADC,四舍五入法,三、转换精度和转换速度,三种ADC的比较（精度、速度）,转换精度由位数决定，位数多，精度高。,分辨率1/(2n1),双积分型：精度高，速度最慢； 并型比较型：速度最快，精度低； 逐次逼近型：速度和精度介于双积分和并型比较型之间。,8线-3线优先编码器真值表：,状态转移表,0 1 1 1,1 0 1 1,1 1 1 0,1 1 0 1,环形计数器,