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1、集成电子技术基础教程,2003 2004学年第2学期,第四篇 电子系统组成与应用,第三章 信号转换电路,第三章 信号转换电路,4.3.1 数/模转换电路,4.3.2 模/数转换电路,*4.3.3 电压/频率转换电路,*4.3.4 频率/电压转换电路,第三章 D/A和A/D转换器,在计算机控制系统和智能仪器仪表中，经常需要进行数字量-模拟量转换（D/A转换），以及模拟量-数字量的转换（A/D转换）。,生产过程自动化流程图：,4.3.1 数/模(D/A)转换电路,一、DAC的基本原理,将输入数字量变换成模拟量输出的电路称为数/模转换器，简称D/A转换器或DAC(Digital to Analog
2、Converter)。,D/I,DAC的基本思路：先将输入的二进制数按其位权的大小转换成与之成正比的电流量，然后再将电流量转换成电压量输出。,D/I,三位D/A转换器的转换特性,最小输出电压增量VLSB表示输入数字量中最低位LSB变化时所引起的输出电压变化量。,二、倒T型电阻网络D/A转换器,只有两种电阻,精度可以做得很高；,由于运放的反相输入端为虚地，所以开关切换时流过支路电流不变，所以没有尖峰电流。,从VREF看入的总电阻为R，故流过VREF的总电流为：,而流过每一个节点的电流依次降低一半，即流过每一个支路的电流依次为：,当输入二进制数的某一位高电平时，对应支路的电流流向反相端，反之流向地
3、。因此流向反相端的电流有：,所以输出电压有：,若输入为n位数字量：,一般取 R = Rf ：,这种DAC的典型产品是AD7520(10位D/A转换器),三、正负模拟量输出的DAC电路,当正负的数字量输入时，要求有正负的模拟量输出（称为双极性输出）。,在集成DAC中，一般均考虑了器件作单极性使用和双极性使用两种情况，只是在接线方式上有所不同。,一个负数通常用补码表示。因此，一个用补码输入的正、负数，通过偏移电路可以转换成正、负极性输出的模拟量。,输入与偏移码和D/A输出间的关系,以3位二进制补码为例：,双极性输出的DAC电路,当输入补码d2d1d0= 000，即偏移码为100时，调节RB的值，使
4、IB=VB/RB =IMSB ，所以输出模拟电压为0。,在其它输入情况下：,对于n位的双极型DAC电路有：,Imax为偏移码全为1时的电流。,四、集成D/A转换器主要技术指标及应用要点,1、D/A转换器的主要技术指标,分辨率,DAC电路所能分辨的最小输出电压增量VLSB与最大输出电压Vm之比称为分辨率：,分辨率的大小仅由输入数字量的位数决定，因此在手册上常用DAC的位数来表示,DAC输入数字量的位数越多，则分辨能力越高,非线性(线性度),转换精度,也称非线性误差，指DAC的零点调整好后，实际的模拟量输出与理论值之差。,常用百分数或位数来表示。如 非线性为10位，表示最大偏差为满刻度的 内。,以
5、静态转换误差的形式给出。,包括非线性误差、增益误差、零点误差、漂移误差及噪声误差等综合误差。,注意转换精度与分辨率之间的区别！,建立时间,温度系数,对于实际的DAC，当输入信号变化时，输出跳变到新的模拟信号存在时间延迟。,建立时间定义为DAC的输入信号满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的 LSB或（1LSB）所需的时间。,不同型号的DAC ，其建立时间是不同的。,指温度变化时， DAC的增益、线性度、零点等参数的变化量。,2、DAC的应用要点,DAC芯片主要性能指标的选择,数字量输入特性,各项精度指标：满足应用系统允许误差要求,转换时间：速度满足应用系统实时响应要求,工作环境条件指标,输入
6、码制：是否带符号位,数据格式：并行码/串行码,逻辑电平：TTL/CMOS电平,模拟量输出特性,锁存特性及转换控制,参考源,是电流输出型还是电压输出型,是否设有数据寄存器,控制信号的脉宽、建立时间、保持时间等是否满足系统的时序要求,影响模拟输出结果，对转换精度有较大影响,五、集成D/A转换器DAC0832应用举例,8位分辨率，与8位微机兼容 价格低，接口简单 转换控制容易 电路为R-2R T型电阻网络结构 VREF外接参考电压，可正、可负 IOUT1和IOUT2是电流输出端，接运放,DAC0832特点：,内部电路框图,当 由0变1时， D7D0输入数据送入8位输入寄存器； 当 由0变1时，输入寄
7、存器的数据锁存至8位DAC寄存器，并使8位DAC转换器的输出发生相应的变化。,典型应用电路,4.3.2 模/数转换器（A/D）,一、A/D转换的基本原理,将模拟量转换成数字量的电路称为模/数转换器，简称A/D转换器或ADC(Analog to Digital Converter)。,模拟信号在时间和幅值上都是连续的，而数字信号在时间和幅值上都是离散的。,对连续变化的模拟量在一系列取定的时间瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。,由于将采样值转变为数字量需要一定的时间，因此，取样电压还须保持一段时间。,A/D转换过程一般包括四个步骤：采样、保持、量化和编码。,1 . 采样定理和采样-保
8、持电路,采样-保持电路,S是模拟开关，CH是保持电容。当vS高电平时，开关S闭合，vI对CH充电（采样）；当vS 低电平时，CH上的采样电压保持。,为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，对采样信号频率fs有一定的要求。由采样定理得： 。,在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差下，采样脉冲频率fs常按下式选取：,一个实用的采样-保持电路,2. 量化和编码,将取样后的值用一个最小单位的整数倍来表示，称为量化（数值量化或数值分层）。,舍尾取整法,当输入值vI为：,量化值取：,S为量化单位：,最大量化误差为：,四舍五入法,最大量化误差为：,量化单位的计算：,如图中，,二、逐次逼近型A/
9、D转换器,三位逐次逼近型A/D转换器,转换原理,开始转换前，设Q2Q1Q0=000,顺序脉冲发生器波形：,设S=1V，输入模拟电压vI=4.65V,逐次逼近转换过程：,电压逼近波形图,逐次逼近型ADC特点：,转换速度较快，转换一次的时间需( n+2)TCP,转换精度较高，可做到0.005%,三、双积分式A/D转换器,这是一种间接A/D转换器，它首先把输入的模拟信号转换成中间变量时间，然后再将时间转换成数字量输出。,双积分式A/D转换器由积分器、过零比较器和n位二进制加法计数器等电路组成。,原理框图,转换原理,转换开始前，进行初始化处理：计数器和触发器清零，S1接通A，S2闭合，使积分电容C充分
10、放电，vO1=0，C0=0，与门G封锁。输出dn-1d1d0=00。,第一阶段：对输入模拟电压进行定时积分,S2打开，S1连输入电压，C0=1，CP脉冲加入，计数器以二进制加法计数。,当计满1111并返回000 0后，附加触发器由0变1，S1开关接通 -VREF。定时积分结束。,S1接通负参考电压(-VREF)。积分器正向积分，但C0=1，计数器由零开始进行第二次加法计数。当积分器正方向积分至0V时，C0=0，,第二阶段：对基准电压进行定斜率积分,当积分器积分至0V时，C0=0，CP脉冲被封锁，计数器停止计数。则此时计数器所累计的数据就是输入模拟量所对应的数字量了。,定量分析,第一次积分（t0
11、t1),第二次积分（t1t2),所以，,双积分式A/D转换器的特点,由于采用了积分器，抗干扰能力强；,两次积分用同一个积分器，使输出结果与积分参数无关，精度高；,当选取积分时间为工频周期的整数倍时，理论上可完全消除工频干扰，因为这时对工频干扰的平均积分为0；,转换时间一般在几十毫秒以上(2n+1-1)，转换速度较低；,主要应用在精度高，而速度相对较慢的数字测试设备和仪表中。,四、ADC的主要技术指标与应用要点,1. ADC的主要技术指标,分辨率,能区分相邻两个数字量的最小输入模拟电压增量，所以，对一个n位的A/D转换器，其分辨率为输入满度电压与2 n的比值。如一个12位的满刻度输入10V的A/
12、D转换器，其分辩率=10/2122.44mV。,精度误差,输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差，其最大值定义为精度误差。,精度误差包括： 量化误差、偏移误差、 增益误差、非线性误差,转换时间,完成一次A/D转换所需的时间。,2. A/D转换器应用要点,位数选择,A/D转换器的位数与设计系统的测控范围以及精度要求有关。A/D转换器的位数通常应比总精度要求的最低分辩率高一位。,转换速度选择（转换时间）,根据采集对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证对系统的实时性要求。,并行比较型ADC,逐次逼近型ADC,转换时间仅为20100nS，用于数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、
13、视频数字转换系统等。,转换时间在1S100S，用于工业上的多通道测控系统和声频数字转换系统、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。,双积分式A/D转换器,转换时间在1mS100mS，用于温度、压力、流量等慢变化的检测和控制系统，一般的仪器和仪表中。,工作电压和参考电压选择,工作电压有15V、+12+15V、+5V等，最好选择能与数字系统共用一个电源比较方便。,参考电压（基准电压）VREF的稳定性对A/D的转换精度关系大，应选用高精度、高稳定性的基准电压。,ADC量程选择,常见ADC的量程有：,0+5V、0+10V 单极性输入,-5+5V、-10+10V 双极性输入,应根据系统的极性要
14、求决定。,五、集成A/D转换器实例,ADC0809芯片介绍,8位逐次逼近型A/D转换器 8路模拟量输入，具有与微机兼容的控制逻辑 CMOS工艺，15mW功耗 输入模拟电压05V 转换时间为100S 精度1LSB,ADC0809内部电路图, 模拟量输入通道选择,由三位地址代码控制，地址输入后，加ALE将地址锁存住。经地址译码后，去选通多路开关，决定选择哪一路模拟量。,工作过程, A/D转换过程,加启动脉冲START， A/D转换开始，启动脉冲上沿先清0逐次逼近寄存器，下沿开始A/D，EOC为转换结束标志位，高电平表示转换结束。,转换时，输入模拟电压与树状开关网络（D/A）比较，得出从高位至低位的数字量，并存入输出三态锁存器。, 输出数字量,转换结束标志位EOC=1，表示A/D转换结束，在使能输出OE端加上正脉冲，三态输出锁存器与输出数据线接通，将其中的数据送至数据总线以供读出。,ADC0809的典型应用,END,