第9章AD转换和DA转换20100611.ppt

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1、1,第9章 A/D转换与D/A转换,本章课时：5学时,第9章 A/D转换与D/A转换,2,目 录,9.1 概述 9.2 D/A转换 9.3 A/D转换器 9.4 D/A转换器和A/D转换器的综合应用 9.5 用Mulitisim 2001分析D/A转换器,第9章 A/D转换与D/A转换,3,作 业,9-1 9-2 9-3 9-4 9-6 9-11,第9章 A/D转换与D/A转换,4,9.1 概述,模拟信号：在时间和数值上都是连续的，即对应于任意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是连续的，如正弦波信号就是典型的模拟信号，温度、压力和声音等。 数字信号：在时间和数值上是离散的，或者说是不连续的

2、。数字系统中信号的存储方式都采用数字形式。,9.1 概述,通常需要将模拟信号转换为数字信号，以送到数字系统加工处理； 经过处理得到的数字信号也经常再被转换成模拟信号，送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。,第9章 A/D转换与D/A转换,5,第9章 A/D转换与D/A转换,6,数字-模拟接口电路中的基本概念,模/数转换（ADC ）：模拟信号到数字信号的转换 模/数转换器 （ADC）：完成模/数转换功能的电路 数/模转换 （DAC）：数字信号到模拟信号的转换 数/模转换器 （DAC）：完成数/模转换功能的电路,第9章 A/D转换与D/A转换,7,9.2 D/A转换,D/A转换可以将输入的一个

3、n位的二进制数转换成与之成比例的模拟量（电压或电流）。 D/A转换器通常：由译码网络、模拟开关、集成运放和基准电压等部分组成 。,第9章 A/D转换与D/A转换,8,根据译码网络的不同，D/A转换器分为权电阻网络型、T形电阻网络型、倒T形电阻网络型和权电流型等。 下面以倒T形电阻网络型为例介绍D/A转换器的工作原理。,第9章 A/D转换与D/A转换,9,9.2.1 倒T形电阻网络D/A转换器 1. 电路的组成,它由R-2R构成的倒T形电阻网络、模拟开关Si（i=03）、集成运放A和基准电压VREF组成,4位倒T形电阻网络D/A转换器,第9章 A/D转换与D/A转换,10,2. 模拟开关,模拟开

4、关又称为模拟电子开关。 在D/A转换器中使用的模拟开关受输入数字信号的控制。 模拟开关分为CMOS型和双极型两类。 CMOS型模拟开关转换速度较低，转换时间较长，但其功耗低 。,第9章 A/D转换与D/A转换,11,5G7520D/A转换器采用的CMOS型模拟开关,当di输入端为高电平时，VP3、VN4组成的反相器输出高电平，VP4、VN5组成的反相器输出低电平，从而使得VN1截止，VN2导通，电流流入IOUT2。 当di为低电平时，电流流入IOUT1 。,1,0,1,0,0,1,1,第9章 A/D转换与D/A转换,12,3. 集成运算放大器,集成运放的逻辑符号、简化的集成运放低频等效电路及其

5、电压传输特性 理想集成运放的主要参数为：1）开环增益为无穷大，Aod=；2）输入电阻无穷大，Rid=；3）输出电阻为零，Ro=0。,第9章 A/D转换与D/A转换,13,引入负反馈时，集成运放工作在线性工作区。 此时输出电压与输入电压成线性关系。 线性区：净输入电压近似为零，称为“虚短”； 净输入电流也近似为零，称为“虚断”。,X,X,第9章 A/D转换与D/A转换,14,4. 倒T形D/A转换器的工作原理,输入d3d2d1d0=1000时的等效电路 从虚线AA、BB、CC、DD处向左看进去的等效电阻均为R,I,I/2,第9章 A/D转换与D/A转换,15,流向虚地点的总电流,虚地点,第9章

6、A/D转换与D/A转换,16,输出电压: n位倒T形电阻网络D/A转换器输出电压:,第9章 A/D转换与D/A转换,17,第9章 A/D转换与D/A转换,17,9.2.2 集成D/A转换器5G7520,5G7520D/A转换器：n=10位倒T形电阻网络反馈 电阻R（10k，Rf内）已集成在芯片内部,第9章 A/D转换与D/A转换,18,5G7520的应用,反馈电阻Rf与电阻R的关系为：Rf=mR 输出电压,第9章 A/D转换与D/A转换,19,当采用内部集成的反馈电阻时，Rf=Rf内，即m=1，则有：,第9章 A/D转换与D/A转换,20,例9-1：下图中反馈电阻Rf=100k。 试计算当输入

7、从全0变为全1时电压放大倍数的变化范围是多少？,输出电压 所以 则可得,当输入从全0变为全1时 放大倍数的变化范围为 0-9.99,第9章 A/D转换与D/A转换,21,9.2.3 D/A转换器的主要技术参数,分辨率：D/A转换器所能分辨的最小输出电压VLSB与满刻度输出电压Vm（当输入的数字代码各位均为1时输出的电压值）之比。 VLSB也就是当输入的数字代码最低位为1，其余各位为0时对应的输出电压值，也被称为输出电压增量。,第9章 A/D转换与D/A转换,22,当Vm一定时，输入数字代码的位数n越多，分辨率数值越小，分辨能力越高。 10位D/A转换器的分辨率为 8位D/A转换器的分辨率为,第

8、9章 A/D转换与D/A转换,23,分辨率也经常直接用输入数字代码的位数n来表示。 如果已知一个D/A转换器的分辨率及满刻度输出电压Vm，则可计算出输入最低位所对应的最小输入电压VLSB，即输出电压增量。 例如：当Vm=10V，n=10时,第9章 A/D转换与D/A转换,24,转换精度 ：指输出电压或电流的实际值与理论值之间的误差。 一般来说，转换精度应低于VLSB/2。 转换精度的影响因素主要有模拟开关导通的压降、电阻网络阻值差、参考电压偏差和集成运放漂移等。,第9章 A/D转换与D/A转换,25,线性度 :通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻

9、度输出之比的百分数定义为非线性误差。,第9章 A/D转换与D/A转换,26,转换时间：当输入数字代码变化时，输出模拟电压或电流达到稳定输出所需的时间，即为建立时间或稳定时间，该参数一般由手册给出。 当转换器的输入由全为0变化为全为1或反向变化时，其输出达到稳定值所需的时间为最大转换时间。,第9章 A/D转换与D/A转换,27,9.2.4常用D/A转换器及其参数,第9章 A/D转换与D/A转换,28,9.3 A/D转换器,A/D转换可以将输入的模拟量（电压或电流）转换为与之成比例的二进制代码。 A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程可以进行合并，如采样和保持、

10、量化和编码在转换中一般同时实现。,第9章 A/D转换与D/A转换,29,9.3.1 A/D转换的一般步骤,采样：把一段时间内连续变化的信号变换为对时间离散的信号 。 为了使采样输出信号能不失真地代表输入的模拟信号，对于一个频率有限的模拟信号来说，可以由采样定理确定其采样频率，即,第9章 A/D转换与D/A转换,30,保持：把每次的采样值存储到下一个采样脉冲到来之前。,第9章 A/D转换与D/A转换,31,采样-保持电路的输出信号虽然已经成为阶梯状。 量化：把采样后的电压幅值转化为最小量化单位的整数倍的过程 。 量化的方法有两种，一种是只舍不入，另一种是有舍有入。 编码：用数字代码表示量化结果的

11、过程。,第9章 A/D转换与D/A转换,32,（1）只舍不入法 ：取最小量化单位=Vm/2n，其中Vm为输入模拟电压的最大值，n为转化输出数字代码的位数，将0之间的模拟电压归并为0，把2之间的模拟电压归并为1，依次类推。这种方法产生的最大量化误差为。,第9章 A/D转换与D/A转换,33,例9-2 把01V的模拟信号电压转换成3位二进制代码。, =1/23=1/8V 可见其最大量化误差为 （1/8）V,第9章 A/D转换与D/A转换,34,有舍有入法 ：取最小量化单位= 2Vm/（2n+1 -1）。将0(1/2)之间的模拟电压归并为0，把(1/2) (3/2 )之间的模拟电压归并为1，依次类推

12、。这种方法产生的最大量化误差为（1/2）。,第9章 A/D转换与D/A转换,35,例9-2：采用有舍有入法把01V的模拟信号电压转换成3位二进制代码。,取 =2/15V 最大量化误差减小到(1/15)V。,第9章 A/D转换与D/A转换,36,9.3.2 A/D转换器的分类,按模拟量的输入方式可分为单极性输入和双极性输入两类； 按数字量输出方式可分为串行输出和并行输出两类； 按工作原理可以分成直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。,第9章 A/D转换与D/A转换,37,直接A/D转换器不需要经过中间变量就能把输入的模拟信号直接转换为输出的数字代码，常用的电路有并联比较型和反馈比较型； 间接

13、A/D转换器首先将输入的模拟信号转换成一个中间变量（时间或频率），然后再将中间变量转换成数字量。,第9章 A/D转换与D/A转换,38,A/D转换器按工作原理的分类图,第9章 A/D转换与D/A转换,39,9.3.3 逐次渐近型A/D转换器,逐次渐近型A/D转换器又称为逐次逼近型A/D转换器，其转换过程类似天平称物体重量的过程。以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。 组成：寄存器、D/A转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。,第9章 A/D转换与D/A转换,40,第9章 A/D转换与D/A转换,41,转换开始前将寄存器清零 转换时，逐位改变寄存器的数字代码 将此代码经D

14、/A转换器转换成模拟电压vO vO与输入电压vI进行比较,以判断此数字位是否保留 逐位比较下去，直到最低位为止。,第9章 A/D转换与D/A转换,42,3位逐次渐近型A/D转换器的电路框图,第9章 A/D转换与D/A转换,43,3个同步RS触发器FA、FB、FC作为寄存器 F1F5构成的环形计数器作为顺序脉冲发生器 控制电路由门电路组成。,第9章 A/D转换与D/A转换,44,设参考电压VR=-5V，则对应不同输入DAC的输出为：,第9章 A/D转换与D/A转换,45,设待转换的模拟电压vI=3.2V。工作前先将寄存器清零，同时将环形计数器置成F1F2F3F4F5=00001。,第9章 A/D

15、转换与D/A转换,46,5V,3.2V,F1F2F3F4F5预设为00001，则第一个CP到来时,1,0,0,0,0,1,0,0,2.5V,0,0,第9章 A/D转换与D/A转换,47,5V,3.2V,0,1,0,0,0,1,1,0,3.75V,0,1,第9章 A/D转换与D/A转换,48,5V,3.2V,0,0,1,0,0,1,0,1,3.125V,1,0,第9章 A/D转换与D/A转换,49,5V,3.2V,0,0,0,1,0,1,0,1,0,第9章 A/D转换与D/A转换,50,5V,3.2V,0,0,0,0,1,1,0,1,1 0 1,第9章 A/D转换与D/A转换,51,经过5个CP

16、周期后，输入的模拟电压3.2V被转换成数字信号101。 逐次渐近型A/D转换器优点是精度高，转换速度较快，由于它的转换时间固定，简化了与CPU间的同步，所以常常用作与CPU间的接口电路。,第9章 A/D转换与D/A转换,52,9.3.4 双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器-间接A/D转换 通过两次积分，先将模拟电压vI转换成与之大小相对应的时间T，再在时间间隔T内用计数频率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压,第9章 A/D转换与D/A转换,53,第一次积分为采样阶段。 开关S接至模拟电压vI，积分器其在T1内进行反向积分。积分结束时vO的绝对值与vI的大小成正比,

17、第9章 A/D转换与D/A转换,54,第二次积分为比较阶段。 积分器对基准电压-VR进行反向积分。积分器的输出电压开始回升，经时间T2后回到0，由于T2阶段定斜率反向积分，所以T2与vI成正比。,第9章 A/D转换与D/A转换,55,双积分型A/D转换器的电路图。,第9章 A/D转换与D/A转换,56,定时积分阶段的工作情况,1,第9章 A/D转换与D/A转换,57,积分器对vI在固定时间T1内进行积分,时钟CLK的周期,第9章 A/D转换与D/A转换,58,第二次积分开始时的状态,0,第9章 A/D转换与D/A转换,59,第二阶段反向积分时，积分器输出电压为,第9章 A/D转换与D/A转换,

18、60,N2与输入电压在T1时间间隔内的平均值VI成正比。只要VI VR，转换器就可以将模拟电压转换为数字量。当VR =2n V时，N2 =VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。,第9章 A/D转换与D/A转换,61,双积分型A/D转换器与逐次渐近型A/D转换器相比，最大的优点是它具有较强的抗干扰能力。 由于双积分型A/D转换器采用了测量输入电压在采样时间内的平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1/n（n=1，2，3，）的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。,第9章 A/D转换与D/A转换,62,9.3.5 集成A/D转换器,AD574A为逐次渐近型的集成A/D转换器，其内部结构如

19、图9-22所示,芯片允许信号,片 选信号,读出和转换控制信号,数据输出 方式控制,转换位数 控制信号,模拟地,数字地,基准电压输入,基准电压输出,双极性偏移 零点调整,10V范围输入端,20V范围输入端,输换结束信号,第9章 A/D转换与D/A转换,63,第9章 A/D转换与D/A转换,64,第9章 A/D转换与D/A转换,65,9.3.6 A/D转换器的主要技术参数,分辨率：A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。 设A/D转换器的位数为n，满量程电压为Vm，则 也可用百分比来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率,分辨率=,相对分辨率=,第9章 A/D转换与D/A转换,66,转换时

20、间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。一般用s或ms来表示。 转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。,第9章 A/D转换与D/A转换,67,转换精度：A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。 绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。绝对误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差和量化误差。 相对精度：绝对精度与满刻度电压之比的百分数，即 相对精度=,第9章 A/D转换与D/A转换,68,9.3.7 常用A/D转换器及其参数,不同的A/D转换器具有不同的输入、输出以及控制信号的连接方式。 从输入端来看，有单端输入的，也有差

21、动输入的。 输入信号的极性有单极性和双极性输入。 从输出方式来看， 输出寄存器有内部具有输出三态门控制的和不具有。 A/D转换器的启动转换控制信号有电平和脉冲两种形式。,第9章 A/D转换与D/A转换,69,几种典型的A/D转换器及其主要性能,第9章 A/D转换与D/A转换,70,9.4 D/A转换器和A/D转换器的综合应用,录音笔的组成框图,第9章 A/D转换与D/A转换,71,9.5 用Mulitisim 2001分析D/A转换器,运行Mulitisim 2001，打开混合集成器件库，取出电压输出型D/A转换器VDAC,第9章 A/D转换与D/A转换,72,DAC仿真电路波形图,第9章 A/D转换与D/A转换,73,本章小结,1. D/A转换 掌握4位倒T形D/A转换器的工作原理 5G7520集成D/A转换器的应用 D/A转换器的主要性能指标：分辨率、转换精度等 2. A/D转换 A/D转换的4个过程 了解逐次渐近型和双积分型A/D转换器 的工作原理 A/D转换器的主要性能指标：分辨率、转换精度等,