第9章 模数转换器与数模转换器

1重大通信学院•何伟第11章模数转换器与数模转换器主要内容11.1转换系统11.2数模转换器11.3模数转换器11.4集成ADC2重大通信学院•何伟11.1转换系统数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域，例如通信、网络、控制系统、检测系统等。但是接口输入信号（如温度、位移）和输出信号（如电压、图象信号）往往是模拟量，因此A/D和D/A必不可少。A/D转换：将模拟信号转换为数字信号，相应的电路叫A/D转换器，简称ADC；D/A转换：将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫D/A转换器，简称DAC。3重大通信学院•何伟11.1转换系统§11.1.1数字控制系统特点：每路有单独的ADC和DAC，由计算机循环检测与控制。4重大通信学院•何伟11.1转换系统特点：共用ADC、信道和DAC；采用多路模拟开关。§11.1.3自动测试与测量设备§11.1.4多媒体计算机系统§11.1.2数据传输系统5重大通信学院•何伟第11章模数转换器与数模转换器主要内容11.1转换系统11.2数模转换器11.3模数转换器11.4集成ADC6重大通信学院•何伟11.2数模转换器§11.2.1D/A转换原理和一般组成1．D/A转换原理输出模拟电压的大小与输入数字量大小成正比。10)2(niiiODkVLSB：最低位的权值，即2O=1，它是信息所能分辨的最小量，如“00000001”。MSB：最高位的权值，即2n-1=128，如“10000000”。FSR：最大数字量所对应的值，如“11111111”，也叫满度值。7重大通信学院•何伟11.2数模转换器2．DAC的一般组成8重大通信学院•何伟11.2数模转换器1．电路§11.2.2权电阻网络DAC2．原理)2222(2)2122(2)(001122334032230123DDDDVDRVDRVDRVDRVRIIIIRRiRiVREFREFREFREFREFFFFFOD优点：结构简单，所用电阻元件少；缺点：①阻值相差很大，精度难以保证；②模拟开关有内阻，影响精度。③模拟开关切换瞬间，存在寄生电容充放电现象。【例11-1】【例11-2】P412~413自看9重大通信学院•何伟)(22222001122334RRDDDDViRVFREFFO令）（11.2数模转换器1．电路§11.2.3例T形电阻网络DAC2．原理D①由于“虚地的存在，S3、S2、S1、S0无论置于何处，各支路的电流不变；②由于从A、B、C向右看其等效电阻均为2R，所以从左到右各支路电流依次为:16842IIII、、、RVIDIDIDIDIiREF，且012316842③优点：电阻值范围小，且只有两种阻值，便于集成；无寄生电容充放电现象。缺点：电阻用量较多，模拟开关内阻将影响精度。10重大通信学院•何伟11.2数模转换器3．DAC集成片AD7524简介及其应用举例【实例1】000000000V000000010.039V(LSB)111111119.96V(FSR)【实例2】00000000衰减∞00000001衰减256倍00000100衰减64倍10000000衰减2倍11重大通信学院•何伟11.2数模转换器1．电路§11.2.4单值电流型网络DAC2．原理优点：①采用恒流源克服了开关内阻对转换精度的影响；②采用ECL开关电路，提高了转换的速度。前两种方法都受模拟开关内阻的影响，降低了转换精度。该法可克服之。12重大通信学院•何伟11.2数模转换器1.转换精度§11.2.5DAC的转换精度与转换速度①分辨率：表示DAC对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所对应模拟量的值。由于满度值所代表的模拟值在不同的应用中是可变的，因此分辨率通常用DAC二进制的位数来表示，如8位、10位、12位，有时也表示成：1211nFSRLSB分辨率②转换误差：指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差。通常有两种表示方法，即绝对误差、相对误差。绝对误差：用最低有效位的分数形式表示，如±(1/2)LSB，则它表示最大误差：1221nFSEVV相对误差：用最大误差与满量程电压VFS的百分数表示。例如相对误差为±0.1%，则表示最大误差：VE=±0.1%·VFS，如果VFS=10V，VE=±10mV。13重大通信学院•何伟11.2数模转换器转换误差主要由三种误差构成：(1)非线性误差（非线性度）理想DAC的转换特性应是线性的，实际转换中，在满刻度范围内偏离理想，转换特性的最大值称为线性误差。通常较好的DAC的线性误差不大于1/2LSB。产生原因：①模拟电子开关导通电阻的离散性；②R和2R电阻值的离散性。14重大通信学院•何伟11.2数模转换器(2)漂移误差在整个范围内出现的大小和符号都固定不变的误差。（也叫系统误差）产生原因：由运放的零点漂移造成。消除方法：通过零点校准的方法，但不能在整个温度范围内校准。(3)增益误差由RF、R和VREF的精度和稳定性造成的输出电压偏离理想直线的最大值。消除方法：外围电阻选择精密电阻，VREF选择高精度、高稳定性电源。2.转换速度定义：指输入数字量有满度值变化时，输出电压达到稳定所需要的时间。稳定：模拟输出稳定到FSR±(1/2)LSB15重大通信学院•何伟第11章模数转换器与数模转换器主要内容11.1转换系统11.2数模转换器11.3模数转换器11.4集成ADC16重大通信学院•何伟11.3模数转换器§11.3.1A/D转换基本原理基本流程：模拟信号(A)→采样→保持→量化→编码→数字信号(D)1.采样、保持①为什么要采样、保持？原因：A/D转换是需要时间的，不能对所有连续点都转换，只能对采样点；为避免数据量过大，造成存储和处理的困难。采样：将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散，数值连续的模拟量。保持：A/D转换并不是瞬间完成的，它要求在转换器件被转换的模拟值保持不变，以保证转换的精度。②取样原理：定义：为保证能从取样信号将原来的被取样信号无失真地恢复，必须满足：fs≥2fimax17重大通信学院•何伟③取样—保持电路原理：①S(t)=1,T٧,VI对CH充电,VO=VI采样②S(t)=0,T,VO=VC不变保持18重大通信学院•何伟11.3模数转换器2.量化、编码量化：将取样电压转化为最小单位的整数倍的过程。最小单位也叫量化单位，用Δ表示，显然Δ=1LSB。编码：把量化结果用代码(通常是二进制、二一十进制、七段码)表示的过程。两种均匀量化编码方式：VV11最大量化误差VV5.0211最大量化误差19重大通信学院•何伟11.3模数转换器§11.3.2并联比较型ADC直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。直接ADCADC间接ADC并联反馈型*反馈比较型计数型逐次逼进型*双积分型（即V-T变换型）*V-F变换型20重大通信学院•何伟11.3模数转换器1.电路组成：①电压比较器；②寄存器；③优先编码器。2．工作原理：21重大通信学院•何伟11.3模数转换器REFV1415~0输入电压范围：REFV71REFV14121最大误差范围优点：①转换速度快，如TDC1007J8ADC转化速率达30MHz，SDA5010型6位ADC达100MHz②该ADC内含寄存器，可以不用附加取样—保持电路，因为比较器和寄存器兼着取样—保持的功能。缺点：电路复杂、成本高、功耗大。适用场合：高速、低分辨率的场合。22重大通信学院•何伟11.3模数转换器§11.3.3逐次逼进型ADC计数型ADC原理：先将输出数字量置0，经D/A转换后与VI比较，若小于VI，则计数器对CP计数，其输出经D/A转化后再与VI比较,直到等于VI时停止计数,此时的数字量输出即为A/D转换的结果。缺点：速度慢。优点：电路非常简单。23重大通信学院•何伟11.3模数转换器2．工作原理：①转换开始前先将寄存器清零；②当VL=1时，开始转换，CP先将寄存器最高位置1，该数字量被DAC转换成相应的模拟电压VO，并送入比较器C与VI进行比较。③如果Vo-Δ/2VI说明该数过大，此1应去掉，否则说明该数字不超大，保留1；④将次高位置1，并比较Vo-Δ/2与VI的大小以确定这一位的1是否保留；⑤逐次比较直至LSB为止，此时寄存器中的数字就是A/D转换的输出数字量。1．逐次逼进型电路结构框图注意：①该过程类似于对分搜索的问题。②该过程也如同天平称重每次所用法码依次减半的称法。24重大通信学院•何伟11.3模数转换器电路结构与波形：25重大通信学院•何伟11.3模数转换器【例】转换范围0~7.5V，3位逐次逼进型ADC，采用四舍五入法量化，模拟输入为5.9V时的转换过程如下：开始000→0VCP0100→4V-0.5V5.9V(保留)CP1110→6V-0.5V5.9V(保留)CP2111→7V-0.5V5.9V(不保留)CP3将结果110送入输出寄存器。优点：①转换速度较快，只需n+1或n+2个CP即可完成。②电路较简单，（比并联比较型的电路规模小得多），可将位数做得较高，是目前用得最多的产品。转换过程为：100（）→110（）→111（）→110（输出）26重大通信学院•何伟11.3模数转换器§11.3.4双积分型ADC27重大通信学院•何伟11.3模数转换器双积分型ADC的优点：抗干扰力强（因为采用了积分电路）稳定性好，可实现高精度A/D转换（不受R、C、TC的影响）双积分型ADC的缺点：转换速度低适用场合：低速、高分辨率的场合。28重大通信学院•何伟第11章模数转换器与数模转换器主要内容11.1转换系统11.2数模转换器11.3模数转换器11.4集成ADC29重大通信学院•何伟11.4集成ADC30重大通信学院•何伟11.4集成ADC31重大通信学院•何伟【第11章习题】P439：3，6第11章模数转换器与数模转换器32重大通信学院•何伟第11章模数转换器与数模转换器【第11章习题】3.在图11-2-5所示的倒T形电阻DAC网络中，设VREF=5V，RF=R=10KΩ，Q求对应于输入4位二进制数码为0101、0110、1101时的输出电压vo解：)(22222001122334RRDDDDViRVFREFFO令）（当D=0101时，vo=-（5/16）5=-1.5625V当D=0110时，vo=-（6/16）5=-1.875V当D=1101时，vo=-（13/16）5=-4.0625V