数电第七章数模和模数转换.ppt

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1、数电第七章数模和模数转换 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 D/A转转换换器器和和A/D转转换换器器是是连连接接数数字字世世界界和和模模拟拟世世界界的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。从从数数字字信信号号到到模模拟拟信信号号的的转转换换称称为为D/AD/A（Digital Digital to to AnalogAnalog）转换）转换把把实实现现D/AD/A转转换换的的电电路路称称为为D/AD/A

2、转转换换器器（Digital Digital Analog Converter DACAnalog Converter DAC）模模拟拟信信号号到到数数字字信信号号的的转转换换称称为为模模数数转转换换，或或称称为为A/DA/D（Analog to DigitalAnalog to Digital）把把 实实 现现 A/DA/D转转 换换 的的 电电 路路 称称 为为 A/DA/D转转 换换 器器（Analog Analog Digital Converter ADCDigital Converter ADC）典型应用系统之一多路数据采集系统多路数据采集系统 模拟量、数字量以及二者的相互转换模拟

3、量、数字量以及二者的相互转换 连续变化的物理量称为连续变化的物理量称为模拟量模拟量，模拟量是可以连续取，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为值的。有规律但不连续的变化量称为数字量数字量，也叫，也叫离散量离散量。数字量是不能连续取值的。数字量是不能连续取值的。连续变化的连续变化的模拟量模拟量 电压、电流或频电压、电流或频率等电量率等电量 被控对象被控对象传传感感器器A/D转转换换数字信号数字信号 处理后的数处理后的数字信息字信息 数字系统数字系统电的模拟量电的模拟量 D/A转转换换执执行行机机构构数字控制数字控制系统框图系统框图一、一、D/A转换器的基本概念转换器的基本概念 DAC

4、DnvO数字信号数字信号模拟信号将将数字信号数字信号转化成与其成正比的转化成与其成正比的模拟信号模拟信号。以三位以三位DAC为例，设为例，设K=1，可得出，可得出vO和和Dn的关系的关系D/A转换器的传输特性转换器的传输特性vO/VDn01234567010001011 100110101111D2D1D0vO0 0 00 V0 0 11 V0 1 0 2 V0 1 13 V1 0 04 V1 0 15 V1 1 06 V1 1 17 V1.电路结构及工作原理电路结构及工作原理模拟开关电阻网络I/V变换变换电路电路输入数输入数字量字量输出电压参考电压流过各电阻的电流为多少？流过各电阻的电流为多

5、少？（1）输出电压与输入的数字量成正比；）输出电压与输入的数字量成正比；（2）输出电压与参考电压极性相反；）输出电压与参考电压极性相反；（3）如果数字量为）如果数字量为n位的二进制数，输出电压的变化范围：位的二进制数，输出电压的变化范围：结论：结论：由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻均由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻均有很高精度，在集成有很高精度，在集成DAC中很少采用。中很少采用。思考思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？的精度与电路中的哪些参数有关？权电阻精度权电阻精度外加参考电源精度外加参考电源精度1.电路结构电路结构R R-2-2R R电阻网络参考电压 由于由

6、于R-2RR-2R电阻网络只有两种阻值的电阻，电阻网络只有两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍转换器普遍采用这种电路结构。采用这种电路结构。2.工作原理工作原理同样分析可得：同样分析可得：2.工作原理（续）工作原理（续）通过放大器通过放大器A把电流把电流i转换成输出电压转换成输出电压vO：2.满量程（满量程（Full Scale Range）输出电压）输出电压VFSR1.最小输出电压增量最小输出电压增量VLSB 分辨率分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。常用输入二进制数的有效位数表示。3.分分辨辨率率：最最小小输输出出电电压压增增量量与与最最大

7、大输输出出电电压压的的比比值值来来表表示。示。例例：求求满满量量程程输输出出电电压压VFSR=10V，输输入入数数字字位位数数n=10的的DAC的最小输出电压增量的最小输出电压增量VLSB。数字量为数字量为111时的输出电压值。时的输出电压值。数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。5.输出建立时间输出建立时间4.转换精度转换精度普通普通DAC的建立时间为几到几百微秒；的建立时间为几到几百微秒；高速高速DAC的建立时间小于几微秒；的建立时间小于几微秒；如如MAXIM公司的公司的MAX555为为12位位DAC，转换速度为，转换速度为300MHz。输出模拟电

8、压的实际值与理想值之差。输出模拟电压的实际值与理想值之差。输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要的最大时间。的最大时间。2.数字信号接口特性数字信号接口特性1.转换器的位数转换器的位数 转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。3.模拟信号接口特性模拟信号接口特性4.参考电压参考电压5.动态特性动态特性 是并行接口还是串行接口。是并行接口还是串行接口。是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？是外置参考电压还是内置参考电压？是外置参考电压还是内置参考电压？主要指

9、转换速度。主要指转换速度。一、一、A/D转换的过程转换的过程 要要把把模模拟拟量量转转化化为为数数字字量量一一般般要要经经过过四四个个步步骤骤，分分别别称称为为采样、保持、量化、编码采样、保持、量化、编码。模拟信号的特点：时间模拟信号的特点：时间连续连续，幅值，幅值连续。连续。数字信号的特点：时间数字信号的特点：时间离散离散，幅值，幅值离散。离散。1.采样保持采样保持t0vI(t)t0vSTSCHSvI(t)vI(t)t0vI(t)连续时间信号连续时间信号离散时间信号离散时间信号1.采样采样t0vI(t)t0vSTSCHSvI(t)vI(t)t0vI(t)2.保持保持 采样定理：为了不失真地恢

10、复原始信号，采样频率至采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号少应是原始信号最高有效频率的两倍最高有效频率的两倍。3.量化量化量化：量化：将采样将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数量单保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔，用位（量化间隔，用 表示）的整数倍。表示）的整数倍。（1）确定量化间隔：）确定量化间隔：设设输输入入模模拟拟信信号号的的幅幅值值范范围围为为01V，要要转转化化为为3位位二二进进制代码，则其量化间隔制代码，则其量化间隔 =1/8V。量化过程分为以下两个步骤：量化过程分为以下两个步骤：经量化后的信号幅值均为经量化后的信号幅值均为 的整数倍。的整

11、数倍。方式一：只舍不入量化方式方式一：只舍不入量化方式0VvI1/8V 则量化为则量化为0=0V；（2）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平1/8VvI2/8V 则量化为则量化为1=1/8V；7/8VvI1V 则量化为则量化为7=7/8V。1/82/83/84/85/86/87/80vI/Vt1在量化过程中会产生误差，称为在量化过程中会产生误差，称为量化误差量化误差。0VvI1/16V 则量化为则量化为0=0V；取两个离散电平中的相近值作为量化电平。取两个离散电平中的相近值作为量化电平。量化误差为量化误差为1/2=1/16V方式二：四舍五入量化方式方式二：

12、四舍五入量化方式在实际的在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。中，大多采用舍入量化方式。1/16VvI3/16V 则量化为则量化为1=1/8V；13/16VvI15/16V 则量化为则量化为7=7/8V。1/82/83/84/85/86/87/80vI/Vt11/163/165/167/169/1611/1613/1615/16 量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为编码编码，这，这个数制代码就是个数制代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。4.编码编码二、几种常见的二、几种常见的A/D转换器转换器 1.并行比较型并行比较型A/D转换器

13、（闪烁转换器（闪烁ADC）2.逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器3.双积分型双积分型A/D转换器转换器123456785L 4量化为量化为4尺子尺子物体物体同时与各个刻度同时与各个刻度比较比较用电阻分压的办法用电阻分压的办法刻度是什么？是一系列的标准电压如何实现？用电阻分压形成7个标准电压。模拟信号比较器模拟信号比较器被量物体？模拟输入电压vi如何比较？当当V+大于大于V-时，时，VO输输出高电平；当出高电平；当V+小于小于V-时，时，VO输出低电平输出低电平如何同时比较？每个电压刻度使用一个比较器。Vi=4.32VVi=3.68V1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1

14、 7 1 1 11 1 10 1 1 1 1 1 1 6 0 1 1 1 1 1 1 6 1 1 01 1 00 0 1 1 1 1 1 5 0 0 1 1 1 1 1 5 1 0 11 0 10 0 0 1 1 1 1 4 0 0 0 1 1 1 1 4 1 0 01 0 00 0 0 0 1 1 1 3 0 0 0 0 1 1 1 3 0 1 10 1 10 0 0 0 0 1 1 2 0 0 0 0 0 1 1 2 0 1 00 1 00 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

15、 00 0 0 需要几个比较器？2N-1个比较器。转换一次需要多少时间？1个时钟周期（TCP）。LSB三、并行比较型三、并行比较型A/D转换器转换器 假定被转换的模拟输假定被转换的模拟输入电压入电压uI在在0UREF范围内范围内变化。取变化。取3位二进制数代表位二进制数代表模拟输入模拟输入uI的数字输出。的数字输出。采用有舍有入的量采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压化方式，利用电阻分压把标准电压把标准电压UREF分成分成8段段（量化阶梯），位数越（量化阶梯），位数越多，精度越高。多，精度越高。UR1=UREFRRRRRRUR2=UREFUR3=UREFUR4=UREFUR6=UREFUR5=

16、UREFUR7=UREFUREFLSB/2二进制数输出二进制数输出 其中其中6段间隔为段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔，另外两段间隔（最初和最末）为（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入模拟。因此，输入模拟电压从电压从0到到UREF整个范围整个范围内，它的最大量化误差都内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超是一样的，即永远不会超过过(1/14)UREF。010011100101110111 001是在是在(1/7)UREF时的值。时的值。在在(1/14)UREF，(3/14)UREF之之间的值和间的值和(1/7)UREF最多相差最多相差(1/14)UREF，因此，最大量

17、，因此，最大量化误差不会超过化误差不会超过(1/14)UREF。000001R8R1参考电压参考电压模拟输入电压模拟输入电压uI UREF UREF UREF UREF UREF UREF UREFRRRRRR分压器组分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP 由由7个个D触发器组成触发器组成的同步寄存的同步寄存器组。器组。D2D1D0编码器编码器例：当例：当 ，求输出的数字量。求输出的数字量。0000011001010001010000100 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI

18、 I 5/14UREF 由于各个比较器的工作过程几由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换速率在所有转换器的转换速率在所有A/D转换转换方案中是最高的。方案中是最高的。但需要使用大量的比较器。但需要使用大量的比较器。1.工作原理工作原理逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。1.电路原理框图电路原理框图由由倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC、比较器比较器、SAR三部分组成。三部分组成。2.工作原理工作原理5V 3.4V CPD3D2D1D0vO比比较结较结果果处处 理理12341 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 1 1

19、2.5V3.75V3.125V3.4375VvIvOvIvOvIvOvIvO（D3）1保留（D2）1不保留（D1）1保留（D0）1不保留101043210 vOt3.4V转换时间转换时间 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的原理基于二进制搜索算法，转换器的原理基于二进制搜索算法，N位位的逐次逼近型的逐次逼近型A/D转换器需要转换器需要N个比较周期。个比较周期。一般对一般对14位和位和16位的位的A/D转换器来说，速率达到几转换器来说，速率达到几MSPS已不容易。已不容易。速率主要受内部速率主要受内部D/A转换器和比较器的建立时间限制。转换器和比较器的建立时间限制。位数主要受内部位数主要受内部D/

20、A转换器的元件匹配精度（高于转换器的元件匹配精度（高于12位位的要进行微调和校准），比较器的速度和精度以及噪声等的的要进行微调和校准），比较器的速度和精度以及噪声等的限制限制。逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的特点：转换器的特点：双积分型双积分型A/D转换器属于间接转换器属于间接A/D转换器。将模拟量转换转换器。将模拟量转换为数字量分两步进行。为数字量分两步进行。第一步：将电压转化为时间第一步：将电压转化为时间T，使，使T与输入电压成正比；与输入电压成正比；第二步：将时间第二步：将时间T转化为数字量，使数字量与转化为数字量，使数字量与T成正比成正比 1.基本原理基本原理S1vORC+-VREF

21、vI-A开关S1合到vI一侧 开关S1接到VREF一侧 T1为常数，T2与vI成正比0vOtT1T2T2固定时间积分，到时结束固定时间积分，到时结束固定斜率积分，过零固定斜率积分，过零 结束结束第一步：将电压转化为时间第一步：将电压转化为时间T T，使，使T T与输入电压成正比与输入电压成正比 第二步：将时间第二步：将时间T2转化为数字量，使数字量与转化为数字量，使数字量与T2成正比成正比&计计数数器器CPT2数字量数字量双积分型双积分型A/D转换器原理图转换器原理图S2CP1TC11TC11TC11TC1RRRRd0d2d n-11111&vCn位异步计数器FFCS1vORC-VREF+Av

22、IG1G2C+双积分型双积分型A/D转换器的特点：转换器的特点：双积分型双积分型A/D转换器的突出优点是对噪声和某些特定频转换器的突出优点是对噪声和某些特定频率（如工频）的干扰，有非常好的抑制能力，因而适合在噪率（如工频）的干扰，有非常好的抑制能力，因而适合在噪声和工频干扰严重的环境中应用声和工频干扰严重的环境中应用 双积分型双积分型A/D转换器的转换速度较慢。转换器的转换速度较慢。1.分辨率分辨率2.转换速度转换速度 A/D转转换换器器的的分分辨辨率率用用输输出出二二进进制制数数的的位位数数表表示示，位位数数越越多，误差越小，转换精度越高。多，误差越小，转换精度越高。转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换速度是指完成一次转换所需的时间。例例 一个一个8位位ADC，满度输入电压为，满度输入电压为+5V，采用舍入量化方，采用舍入量化方式，计算输出二进制数据为式，计算输出二进制数据为10 000 000 时所对应的输入电时所对应的输入电压范围。压范围。解：解：1LSB所对应的电压（量化间隔）为所对应的电压（量化间隔）为5000mV/255=19.6mV 二进制数二进制数10 000 000对应的输入电压为：对应的输入电压为：即即2499.02518.6mV 考虑的量化误差，输入电压的范围为：