第13章数模与模数转换器精选文档.ppt

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1、第13章数模与模数转换器2023/1/5本讲稿第一页，共三十四页引言引言模拟信号模拟信号 数字信号：数字信号：A/D转换器转换器 (ADCAnalog Digital Converter)数字信号数字信号 模拟信号：模拟信号：D/A转换器转换器 (DAC Digital Analog Converter)图图13-1 A/D和和D/A转换器应用示意图转换器应用示意图 2023/1/5本讲稿第二页，共三十四页A/D转换器、转换器、D/A转换器的应用转换器的应用放大器放大器传感器传感器(温度、压温度、压力、流量、力、流量、应力等）应力等）采样采样/保持器保持器A/D计算机计算机显示器显示器D/A示

2、波器示波器打印机打印机计算机进行各种数计算机进行各种数字处理（如滤波、字处理（如滤波、计算）、数据保存、计算）、数据保存、打印等打印等显示器显示字符、显示器显示字符、曲线、图形、图象曲线、图形、图象等等2023/1/5本讲稿第三页，共三十四页13.1数数/模（模（D/A）转换器）转换器常用在电阻网络常用在电阻网络D/A转换器和转换器和T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 13.1.1权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络、权电阻网络、电子开关、电子开关、基准电压源基准电压源和运算放大和运算放大器等部分组器等部分组成。成。图图13-2 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 20

3、23/1/5本讲稿第四页，共三十四页1.电子开关的作用及其组成电子开关的作用及其组成双向电子开关双向电子开关 分别受输入二进制数码分别受输入二进制数码 的控制的控制 图图13-3 5位二进制数位二进制数11010D/A转换示意图转换示意图 2023/1/5本讲稿第五页，共三十四页电子开关由电子开关由晶体管或场晶体管或场效应晶体管效应晶体管构成构成 图图13-4 晶体管双向电子开关晶体管双向电子开关2.权电阻网络权电阻网络权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和每一位的每一位的“权权”相对应，所以称为权电阻网络相对应，所以称为权电阻

4、网络 2023/1/5本讲稿第六页，共三十四页运算放大器输入端的权电阻网络构运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可成反相加法运算电路。这样，就可以将权电阻网络所转换得的各位模以将权电阻网络所转换得的各位模拟量相加，最后获得拟量相加，最后获得D/A转换。转换。3.运算放大器运算放大器2023/1/5本讲稿第七页，共三十四页 D/A的组成的组成输入输入4位二进制数位二进制数输出输出模拟模拟电压电压S0S3:模拟电子开关模拟电子开关D=0,S倒向地倒向地D=1,S倒向倒向VREF电阻网络电阻网络求和运算放大器求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精

5、密参精密参考电压考电压D0D1D2D3+-3R3R/2UO2023/1/5本讲稿第八页，共三十四页VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当当D3D2D1D0=0000时时,S3S2S1S0都倒向地都倒向地UO=0V D/A转换原理转换原理当当D3D2D1D0=0000时时UO3R2R+-3R/2R等效电路等效电路3R0000AV=-12023/1/5本讲稿第九页，共三十四页VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理转换原理(续续)当当D3D2D1D0=1000时时,S2S1S0都

6、倒向地，都倒向地，S3倒向倒向VREFUO3R+-3R/2等效电路等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当当D3D2D1D0=1000时时0001AV=-13R2023/1/5本讲稿第十页，共三十四页VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理转换原理(续续)当当D3D2D1D0=0100时时,S3S1S0都倒向地都倒向地S2倒向倒向VREF当当D3D2D1D0=0100时时UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效电路等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-12023/1/5本讲

7、稿第十一页，共三十四页D/A转换原理转换原理(续续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推导，当同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，时，UO=VREF/8 当当D3D2D1D0=0001时，时，UO=VREF/162023/1/5本讲稿第十二页，共三十四页 D/A转换原理转换原理(续续)D3D2D1D0=1000时，时，UO=VREF/2=D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，时，UO=VREF/4=D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，时，UO=VREF/8=D1VREF/23D3D2D1D0=0001时

8、，时，UO=VREF/16=D0VREF/24根据叠加原理根据叠加原理:UO=(D3VREF/21+D2VREF/22+D1VREF/23+D0VREF/24)=(D3/21+D2/22+D1/23+D0/24)VREF =(VREF/24)(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)2023/1/5本讲稿第十三页，共三十四页UO=(VREF/24)(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)D/A转换原理转换原理(续续)此式表明此式表明:D/A电路输出模拟电压电路输出模拟电压UO与输入的与输入的 数字量数字量D3D2D1D0成正比成正比2023/1/5本讲稿第十四页，共三十四页

9、例例13-1 设设，试分别求出二进制数，试分别求出二进制数1010和和1111相对应的模拟输出量。相对应的模拟输出量。解：解：（1）当数字量为当数字量为1010时时（2）当数字量为当数字量为1111时时显然，输出模显然，输出模拟量与输入数拟量与输入数字量成正比字量成正比 权电阻网络权电阻网络D/A转换器的转换器的优点优点：电路结构简单，可适用于：电路结构简单，可适用于各种有权码各种有权码；缺点缺点：阻值有一定的误差，且易受温度变：阻值有一定的误差，且易受温度变化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大 2023/1/5本讲稿第十五页，共三十四页13.1.2 T

10、形电阻网络形电阻网络D/A转换转换T形电阻网络形电阻网络D/A转换器只采用了转换器只采用了R、2R两种阻值的电阻，两种阻值的电阻，克服了权电阻网络克服了权电阻网络D/A转换器的不足在集成转换器的不足在集成D/A转换芯片转换芯片中得到更广泛的应用中得到更广泛的应用 图图13-5 T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 2023/1/5本讲稿第十六页，共三十四页基准电压源基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：输出的总电流是固定的，其大小为：输出电流和各支路电流的关系为：输出电流和各支路电流的关系为：因为因为 输出模拟电压输出模拟电压Uo：T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的输出模拟电压转

11、换器的输出模拟电压Uo与输入的数字量成正比与输入的数字量成正比（13-4）2023/1/5本讲稿第十七页，共三十四页一般取一般取RF=R，则式，则式（13-4）可写成如下形式可写成如下形式（135）T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的转换器的特点特点：电子开关：电子开关Sk不管是不管是接地还是接虚地，流过各支路接地还是接虚地，流过各支路2R电阻中的电流总是近似电阻中的电流总是近似恒定值，在集成芯片中应用得最广泛恒定值，在集成芯片中应用得最广泛 2023/1/5本讲稿第十八页，共三十四页13.1.3 D/A转换器主要技术指标转换器主要技术指标1.分辨率分辨率 DAC电路所能分辨的最小输出电压增量

12、电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与最大输出与最大输出电压电压Um之比称为之比称为分辨率分辨率，它是转换器的一个重要参，它是转换器的一个重要参数，其表示式为数，其表示式为：2.线性度线性度通常用非线性误差的大小来表示通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性度，并转换器的线性度，并且把偏离理想的输入且把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。的百分数定义为非线性误差。2023/1/5本讲稿第十九页，共三十四页3.绝对精度绝对精度在在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际模转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电压值与其理想电

13、压值之差的最大值定义为拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为绝绝对精度对精度，它描述了在整个工作区内实际的输出电压，它描述了在整个工作区内实际的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差与理想的输出电压之间的最大偏差 4.建立时间建立时间实际上实际上D/A转换器内的电容、电感和开关电路均存在时转换器内的电容、电感和开关电路均存在时间延迟，即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来，间延迟，即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来，这段时间就是这段时间就是D/A转换器的转换器的建立时间建立时间，它反映了，它反映了D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。2023/1/5本讲稿第二十页，共三十四页13.1

14、.4 集成集成D/A转换器举例转换器举例集成集成D/A转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数的位数分类有的位数分类有8位、位、10位、位、12位和位和16位等多种。位等多种。8位的位的如如DAC0832、DAC0808，10位的如位的如DA7533、DA7520，12位的如位的如DA7543等。等。CC7520集成集成D/A转换器（相应的国产型号为转换器（相应的国产型号为5G7520）图图13-6 CC7520集成集成D/A转换器转换器2023/1/5本讲稿第二十一页，共三十四页在其基本应用电路图在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的输出中，运算放大器

15、的输出电压为电压为图图13-7 CC7520的的CMOS电子开关电子开关2023/1/5本讲稿第二十二页，共三十四页13.2 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 13.2.1 A/D转换器概述转换器概述AD转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换成在数值上与之成正比的二进制数。成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接一类是直接AD转换器转换器 一类是间接一类是间接AD转换器转换器 A/D转换转换 采样和保持采样和保持 量化和编码两大步骤量化和编码两大步骤 采样采样保持保持电路来完成电路来完成 A/D转换器转换器内实现内实现 2023/1/5本

16、讲稿第二十三页，共三十四页将一个时间上和幅值上连续的模拟量将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间上离散转换成时间上离散的模拟量的模拟量vS的过程称为采样的过程称为采样:图图13-8 模拟信号的采样模拟信号的采样采样后，采样后，v I被转换被转换成连续的相等时间成连续的相等时间间隔的脉冲信号，间隔的脉冲信号，其幅值等于采样时其幅值等于采样时输入模拟量的值采输入模拟量的值采样后的电压需要保样后的电压需要保持一段时间持一段时间 2023/1/5本讲稿第二十四页，共三十四页把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。叫做量化。只舍不

17、入只舍不入 有舍有入有舍有入 图图13-9 划分量化电平的两种方法示意图划分量化电平的两种方法示意图用数字代码表示量化结用数字代码表示量化结果的过程叫做编码果的过程叫做编码 2023/1/5本讲稿第二十五页，共三十四页13.2.2 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较器、寄存器和编码电路器、寄存器和编码电路4部分组成。部分组成。图图13-10电路为电路为2位二进制数输出的并联比较型位二进制数输出的并联比较型A/D转换器转换器 2023/1/5本讲稿第二十六页，共三十四页表表13-1 图图13-10中输入模拟电

18、压和输出数码之间的关系中输入模拟电压和输出数码之间的关系 输入模拟电压UI寄存器状态C2C1C0数字输出D2D100000001010111011111 最大量最大量化误差为化误差为。2023/1/5本讲稿第二十七页，共三十四页并联比较型并联比较型A/D转换器（三位）原理转换器（三位）原理(补充补充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8时，输出时，输出=1UI 7VR/8时，输出时，输出=1UI 7VR/8时，输出时，输出=0UI 6VR/8时，输出时，输出=0电压比较器电压比较器D锁存器锁存器

19、编编 码码 器器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压输入模拟电压精密精密 参参考电压考电压精密电阻网络（精密电阻网络（23个电阻）个电阻）输输出出数数字字量量CPUI VR/8时，输出时，输出=1UI VR/8时，输出时，输出=0本讲稿第二十八页，共三十四页并联比较型并联比较型A/D转换器中的编码器真值表转换器中的编码器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1

20、 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压特点：输入电压UI每增加每增加VR/8，输出数字量增加输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）2023/1/5本讲稿第二十九页，共三十四页13.2.3 逐次逼近

21、型逐次逼近型A/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型A/D转换的过程与转换的过程与天平称物重量的过程相似天平称物重量的过程相似 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器被转换的电转换器被转换的电压相当于天平所称的物体重量，压相当于天平所称的物体重量，而所转换的数字量相当于在天平而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝上逐次添加砝码所保留下来的砝码重量码重量 2023/1/5本讲稿第三十页，共三十四页1.逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的基本电路转换器的基本电路 图图13-11 3位逐位逐次逼近型次逼近型A/D转转换器换器2023/1/5本讲稿第三十一页，共三十四页2.逐次逼近型逐次逼近型

22、A/D转换器的工作原理转换器的工作原理输入的模拟电压输入的模拟电压UI，经采样，经采样保持电路得到的采保持电路得到的采样电压，设为样电压，设为，作用在比较器的同相输作用在比较器的同相输入端，而三位入端，而三位D/A转换器的输出经修正后的电压转换器的输出经修正后的电压Uf，作，作用在比较器的反相输入端见课本用在比较器的反相输入端见课本P P286286图图13-11所示的所示的n位位A/D转换器，转换一次需要（转换器，转换一次需要（n+2）个时钟周期（包）个时钟周期（包括读出周期），位数越多，转换时间也就相应增长。括读出周期），位数越多，转换时间也就相应增长。与并联比较型相比，速度要低一些，但所

23、需硬件则与并联比较型相比，速度要低一些，但所需硬件则较少。因而对速度要求不是特别高的场合，逐次逼较少。因而对速度要求不是特别高的场合，逐次逼近型的应用最为广泛。近型的应用最为广泛。2023/1/5本讲稿第三十二页，共三十四页13.2.4 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率：分辨率：ADC的分辨率又称分解度的分辨率又称分解度 2.转换速度完成一次转换速度完成一次A/D转换所需的时间转换所需的时间 3.相对误差：用相对误差可以表示相对误差：用相对误差可以表示ADC转换转换的误差的误差 2023/1/5本讲稿第三十三页，共三十四页小结：小结：本章主要介绍了并联比较型和逐次逼近型本章主要介绍了并联比较型和逐次逼近型ADC等两种类型。目前以逐次逼近型等两种类型。目前以逐次逼近型A/D转换器在集成转换器在集成电路中应用较多，这主要是由于它的转换速度较快电路中应用较多，这主要是由于它的转换速度较快而所用的器件又比并联比较型少得多。而所用的器件又比并联比较型少得多。A/D转换器最主要的性能指标是它的分辨率，转换器最主要的性能指标是它的分辨率，通常用通常用A/D转换器的所输出的二进制代码的位数转换器的所输出的二进制代码的位数来表示，位数越多，量化误差越小，转换精度就来表示，位数越多，量化误差越小，转换精度就越高。越高。2023/1/5本讲稿第三十四页，共三十四页