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1、概 述,第 8 章 数模和模数转换器,本章小结,A/D 转换器,D/A 转换器,8.1 概 述,主要要求：,理解数模和模数转换器的概念和作用。,一、数模和模数转换的概念和作用,数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。,模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。,为何要进行数模和模数转
2、换？,二、数模和模数转换器应用举例,主要要求：,了解数模转换的基本原理。,了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。,了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的 电路与工作原理。,8.2 D/A 转换器,一、数模转换的基本原理,输出模拟电压 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ),可见，uO D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。,LSB Least Significant Bit,输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 +
3、 D0 20, 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。,组成：,1）求和运算放大器：,2）模拟开关：,3）译码网络：,4）基准电源：,实现求和。通常接成反相比例求和。,控制d=0或d=1时，求和电路的项数。,用来实现2 n-120。,保证系数K的一致性，要求精度高。,二、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC,模拟开关 Si 打向“1”侧时，相应 2R 支路接虚地；打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：,从 A、B、C
4、节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。,可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。,即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0,u0 = - i RF = - D I0 RF = - D ,i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0,n 位 DAC 将参考电压 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。调节 VREF 可调节 DAC 的输出电压。,三、常用 DAC 的类型和主要参数,(
5、一) 常用 DAC 的类型,常用 DAC 主要有权电阻网络 DAC、 R - 2R T 形电阻网络 DAC、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC 和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快， 性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换 精度高，性能最佳。,(二) 主要参数,1. 分辨率,指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。,例如，一个 10 位的 DAC，分辨率为 0.000 978。,DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。,3. 转换时间,指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。,
6、转换时间越小，转换速度就越高。,2. 转换精度,指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。,它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。,通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。,四、模拟电子开关,1 、要求: 在D/A转换器中使用的模拟电子开关是受输入数字信号的状态控制的，因为传输的是模拟信号，所以要求模拟开关应接近于理想开关，其接通和 断开应不影响被传送模拟信号的数值。 2、 分类 CMOS电子开关 双极型电子开关 3、 CMOS模拟电子开关 前面第二章讲双向模拟开关，但它能够传输的是电压信号
7、，而我们现在需要传送的是电流信号。,若d1=1，则VN1 截止，VN2导通，流过2R的电阻流入反馈电阻。 若d1=0，则 VN2 截止，VN1导通，流过2R的电阻流入地。,四、集成 DAC应用举例,五、集成 DAC 应用举例,2. 8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7524 简介,基准电压输入端 VREF 可正可负,片选控制端,电源电压范围 + 5 V + 15 V,8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。,接地端,内部反馈电阻 RF 的引出端,两个输出端，一般将 OUT2 接地，OUT1 接运放反向端。,写信号控制端,解：,当 D7
8、D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。,uO = - UFSR - 9.961 V。,8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于R2RT型电阻网络型。刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品。,主要要求：,了解模数转换的基本原理。,了解 A/D 转换器的主要参数。,了解常用 A/D 转换器。,8.3 A/D 转换器,一、A /D 转换的基本原理和一般步骤,“ ”表示取整。,可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。, 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。,采样：把时间连续变化的信号变换为时
9、间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。,A /D 转换的一般步骤,步骤： （1）采样时，使UL为高电平，S闭合，UO=UI，此时，UCH=UI。 （2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高，Ch上的电压基本保持不变。 （3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合，电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。,采样信号是否会丢失原信号的信息呢？,对信号进行量化会引起误差吗？,量化误差大小与 ADC 的位数、 基准电压 VREF 和量化方法有关。,采样定理：当采样频
10、率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。,量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB 整除， 量化时舍去余数而引起的误差。,划分量化电平的两种方法,最大量化误差 = = (1/8)V,最大量化误差 = /2 = (1/15)V,只舍不入,二、并联比较型 ADC,电阻构成分压器,三、常用 ADC 的类型和主要参数,(一)常用 ADC 的类型,常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次 逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但 价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但 速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中， 因而被广泛采
11、用。,A/D 转 换 器,直接型,间接型,并联比较型,反馈比较型,计数型,逐次渐进型,电压时间变换型积分型(U-T),电压频率变换型(U-F),指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。,(二) 主要参数,2. 相对精度(又称转换误差),指 ADC 输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。,1. 分辨率,例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA,分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。,例如 转换误差不大于 1/2 LSB，即说明
12、实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过 1/2 LSB。,3. 转换时间,指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。,转换时间越小，转换速度越高。,四、逐次渐进型A/D转换器,学习目的：逐次渐进型A/D转换器属直接型A/D，通过这部分内容的学习，同学们一要掌握A/D转换器的原理，二要掌握数字时序逻辑电路的的分析方法，为今后分析和设计更复杂的电路打基础。,1、工作原理：类似天平称物体的原理。天平的一端放被称的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个 比一个小一半。称重时，将各种重量的砝码从大到小逐一放在天平上加以试探，经
13、天平比较加以取舍，一直到天平基本平衡为止。这样就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：顺序脉冲发生器:依次产生各种重量的砝码。 控制电路：决定本次所放砝码的取舍。 寄存器：把顺序脉冲发生器和控制电路处理后的二进制数暂时存放起来。 D/A转换器：寄存器输出的数字量转换成模拟量。 电压比较器：将D/A转换器的输出电压与被转换的电压进行比较，输出用来控制控制电路。,一个输出为3位二进制的逐次渐进型A/D转换器,UI=3.2V,求转换成的数字量D2D1D0,步骤:,1,转换开始前先将FA、 FB 、 FC 置零,同时将F1F5组成的环性形移位寄存器置成 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5=
14、10000状态.,2,转换控制信号vL变成高电平以后,转换开始,第一个CP脉冲到达后,FFA 、FFB 、FFC分别被置为100,寄存器的状态QAQBQC=100 加到D/A转换器的输入端上,并得到模拟电压uo=2.5V,2.5V3.2V,因此QA应保持.同时右移寄存器右移一位Q1Q2Q3Q4Q5变成01000.,3,第二个CP脉冲,结论：3位A/D转换器转换完成用了5个CP脉冲，n位A/D转换器用n+2个脉冲。,例：在 上图中，若时钟频率为1MHz，Ui=3.5V,求完成一次转换所用的时间 及转换后的数字量。,例：请解释输入分别为3.2V和3.5V时，为什么得到的数字量相同。,优点：精度高，
15、转换速度快，转换时间固定，简化了与计算机同步，所以常常用作微机接口。, ：两个模拟信号输入端，用以接收单极性、双极性和差模输入信号。 ：数 据输出端，该输出端具有三态特性，能与计算机总线相连接。 AGND：模拟信号地。 DGND：数字信号地。 CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端。,2、常用的A/D转换器芯片,ADC0809、ADC0804、AD574A。,CLKOUT：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合，可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为 。 ：片选信号输入端，低电平有效，一旦有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。 ：写信号输入端，接收计算机系统或其他数字系统控制芯片的启动输入
16、端，低电平有效，当和同时为低电平时，启动转换。 ：读信号输入端，低电平有效，当和同时为低电平时，可读取转换输出数据。 ：转换结束输出信号，低电平有效。该端输出低电平时表示本次转换已经完成。该信号常用来向计算机系统发出中断请求信号。,：这是一个可选输入端，用以降低内部参考电压，从而改变转换器所能处理的模拟输入电压的范围。当这个输入端开路时，用作为参考电压，它的值为2.5 V( )。若将这个引脚接在外部电源上，则内部的参考电压变为此电压值的两倍，模拟输入电压的范围也相应地改变，如表9.3所示。,另外ADC0809的英文资料也附课件后。ADC0809为CMOS器件，除了有8位A/D转换器外，还有8路
17、模拟开关以及地址锁存与译码，有三条地址输入线ADDA、ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器。,UI3 UI4 UI5 UI6 UI7 START EOC D3 OE CLK VCC +VREF GND D1,UI2 UI1 UI0 ADDA ADDB ADDC ALE D7 D6 D5 D4 D0 -VREF D2,ADC0809,ADC0809,ADC0809,五 双积分型A/D转换器,它属于间接型。基本原理是：通过两次积分。先把模拟电压UI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
18、入模拟电压。,双积分型A/D转换器原理框图,双积分型A/D转换器的电压波形图,双积分型A/D转换器的控制逻辑电路,2、工作原理,1）初始化：令vL=0。则Fn-1F n-1.F1F0FC=00000；D1=1，计数器不工作；D2=1，开关S0闭合使积分电容充分放电；由于QC=0，使开关S1接至vi一侧。 2）第一次积分阶段采样阶段。也叫定时积分。 令vL=1，开关S0断开,积分器开始对vi积分；因为积分过程中积分器的输出为负电压, 所以比较器输出为高电平,将门G打开,计数器对vG端的脉冲计数。当计数器计满2n个脉冲以后,自动返回全0状态,同时给FA一个进位信号,使FA置1 。开关S1接至-UR
19、. 3）第二次积分。开关S1接至-UR，积分器开始反向积分，计数器又从零开始计数，经过时间T2后积分电压回升到0，比较器输出uc为低电平，将门D1封锁，停止计数，转换结束。这时计数器中所存的数字就是转换结果.,第一次积分:,第二此积分:,即,故得到:,因为计数器对固定频率的时钟脉冲计数,从而得到:,若取T1=NTc,则有,实用中取T1=2nTC,即N=2n,故代入以后得出 D=2n/VREF vI,优点：具有较强的抗干扰能力，体现在以下两个方面。 1、采用了测量输入电压在采样时间T1内平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1/n的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。 在工业系统中，当选择
20、T1为20ms的整数倍时，如T1=40 ms，因为50HZ工频干扰信号的周期为20ms，满足T1/n的要求，可很好地抑制工频干扰。 2、因为两次积分采用同一积分器完成，所以转换结果及精度与积分器的有关参数R、C等无关，同时电路比较简单。 缺点：工作速度较低，一般为几十ms左右，常用在要求速度不高的场合，如数字式仪表等，常用的型号有 3位半 MC14433（精度相当于11位二进制数） 4位半ICL7135（精度相当于14位二进制数）,D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比 的模拟电量。常用的 DAC 主要有权电阻网络 DAC、R - 2R T 形电阻网络 DAC、R - 2R 倒 T 形电
21、阻网络 DAC 和权电流网络 DAC。其中， 后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用， 权电流网络 DAC 转换精度高，性能最佳。,本 章 小 结,A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型 ADC 属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。,A/D 转换要经过采样 - 保持和量化与编码两步实现。采样 - 保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽(保持)；量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟信号采样时，必须满足采样定理：采样脉冲的频率 fS 必须大于输入模拟信号最高频率分量的 2 倍。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。,DAC 和 ADC 的分辨率和转换精度都与转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。基准电压 VREF 是重要的应用参数，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。一般应按器件手册给出的范围确定VREF 值，并且保证输入的模拟电压最大值不大于 VREF 值。,