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1、第八章 数/模与模/数转换,8.1 概 述 8.2 D / A转换器 8.3 A / D 转换器,第八章 数/模与模/数转换 8.1 概述,一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁,二、 常见数模、模数转换器应用系统举例,物理量,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,8.2 D / A转换器（DAC）,8.2.1 D / A转换的基本原理,1. D / A转换思路,如 (1101)2,可利用运算放大器实现运算,2. 转换特性,一、输入、输出关系框图,8.2.2 到T型电阻网络D/A 转换器,电子 开关,电阻网络,求和运放,当 d2
2、d1d0 = 100,I = UREF / R,uO,1、工作原理,当 d2d1d0 = 110,当 d2d1d0 = 111,表达的一般形式,2、输入为 n 位二进制数时的表达式,当 D = dn-1 dn-2 d1 d0,Ku 转换比例系数,8.2.3 DAC 的主要参数,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。,LSB Least Significant Bit,(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: （LSB）= 输
3、入为 0001 时输出模拟电压的一半。,(一)分辨率（Resolution）,FSR Full Scale Range,二、转换速度,(一)建立时间 ts,ts 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 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts 0.1 s；包含,UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s 1.5 s。,(二)转换速率 SR,用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示,TTR = ts + tr （tf）,上升时间 下降时间,完成一次转 换所需时间,TTR（max） = ts+ UO（max） / S
4、R,三、主要参数,D/A 转换器 5G7520 的主要参数,四、集成DAC芯片举例,1. 5G7520 的电路结构,参考电压源，可正可负。,2. 应用电路,单极性输出,输入从 0000000000 1111111111 变化时，,uO 从 0 （1023 / 1024）UREF,输出与输入的关系,UREF 0，uO 0,3. 分辨率,单极性输出：,分辨率,分辨率 =,5G7520 为 10 位 D / A 转换器，,分辨率 =,当 UREF = 10 V时，最小输出电压 uO = 9.76 mV,双极性输出：,对于 5G7520,分辨率=,当 UREF = 10 V 时，最小输出电压 uO =
5、 19.6 mV,8.3 A / D 转换器（ADC）,8.3.1 A /D 转换的一般步骤和分类,一、模拟量到数字量的转换过程,模拟量,数字量,量化编码,取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。,保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。,取样保持,（S / H Sample / Hold）,二、取样定理,当满足 fs 2 fimax 时, 取样信号可恢复原信号。,fs 取样频率。,fimax 信号的最高频率分量。,三、量化和编码,量化单位,数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小， 用 表示（即 1 ）。,量化,把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。,量化误差,因模拟电压
6、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。,划分量化电平的两种方法,模拟 电平,二进制 代码,代表的 模拟电平,0 = 0,1 = 1/8,2 = 2/8,3 = 3/8,4 = 4/8,5 = 5/8,6 = 6/8,7= 7/ 8,模拟 电平,二进制 代码,代表的 模拟电平,最大量化误差 = = (1 / 8) V,= / 2 = (1/15)V,四. 取样 - 保持电路,1. 电路组成及工作原理,当 uL 为高电平：,T 导通，Ch 充电至：,uO = uI = uC,当 uL 为低电平：,T 截止，Ch 基本不放电。,uO 保持,矛盾：,为使 Ch 充电快，R
7、i 越小越好；,为使电路输入电阻高，Ri 越大越好。,2. 改进电路 (LF198) 及工作原理,当 uL = 1， S 闭合,uO = uO = uI ，,uC = uI,当 uL = 0， S 断开,uO 保持,D1 、D2的作用：限制 uO 在 uI + uD以内，起保护作用。,8.3.2 直接型A/D转换器 1.快速并行A/D转换器,比较器,CP,寄存器,编码器,1)工作原理,1000,3.2V,8V,1,0111,7V,0110,6V,0101,5V,0100,4V,0011,3V,0,0011,2.逐次比较型 A/D 转换器,2)转换过程举例,CP, 1 2 3 4 5,Q1 Q2
8、Q3 Q4 Q5,QA QB QC,uI/V,uO/V,uO/V,uC,d2 d1 d0,0 0 0 0 1,0 0 0,5.9,0, 0.5,0,0 0 0,1 0 0 0 0,1 0 0,4,3.5,0,0 0 0,0 1 0 0 0,1 1 0,6,5.5,0,0 0 0,0 0 1 0 0,1 1 1,7,6.5,1,0 0 0,0 0 0 1 0,1 1 0,6,5.5,0,0 0 0,0 0 0 0 1,1 1 0,6,5.5,0,1 1 0,8.3.3 间接型A/D转换器,转换思路： 模拟输入 uI t t 控制计数 CP 个数 输出二进制数,一、双积分型 A/D 转换器,CO
9、1,00 0,00 1,01 0,01 1,10 0,10 1,11 1,1,00 0,00 1,0,01 101,每进行完一次 2n 进制计数，定时器置 1， S1 合向基准电压,二、工作原理,uI,积分器输入,I,N2CP,t1 = N1TCP = 2nTCP,t2 = N2TCP = DTCP,= UI / ,单位 电压,REF,8.3.5 ADC的主要技术指标,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),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 5 V 的 8 位 A/D的分辨率为：,转换误差：,表示实际输出与理想输出数字量的差
10、别 以相对误差的形式（LSB的倍数）给出。,如：相对误差不大于（1/2）LSB,二、转换速度,并联比较型 逐次比较型 双积分型,几种A/D转换器的性能比较,一、A/D类型：,直接 A/D,反馈比较型：逐次比较型，计数型。,间接 A/D,电压-时间变换型（V -T）：双积分型,电压-频率变换型（V- F）,并联比较型,二、性能比较：,优点,缺点,并联比较型,转换速度高,转换精度差,逐次比较型,分辨率高、误差低 转换速度较快,双积分型,性能稳定 转换精度高 抗干扰能力强,转换速度低,第八章 小 结,一、D/A 转换器,1. 功能：,将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。,2. 种类：,权电阻
11、网络、R - 2R T 形电阻网络和 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器。,实现数模转换有多种方式，常用的是电阻网络 D/A 转换器，包括,其中以 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器为重点作了详 细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造， 因而被广泛采用。,3. 分辨率和转换精度：,与 D/A 转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。,二、A/D 转换器,1. 功 能：,将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。,2. 转换过程：,采样、保持、量化、编码。,采样 保持电路,A / D 转换器,采样 - 保持电路：,对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。,采样时必须满足采样定理，即 fs 2 fImax 。,量化 对样值脉冲进行分级。,编码 将分级后的信号转换成二进制代码。,A / D 转换器：,二、A/D 转换器,3. 种类：,直接转换型和间接转换型。,直接转换型 并联比较型（速度快、精度低） 逐次渐近型（速度较快、精度较高）,间接转换型 双积分型（速度慢、精度高、抗干扰 能力强）,不论是 D/A 转换还是 A/D 转换，基准电压 VREF 都是一个很重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在 A/D 转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。,