第11章DA与AD转换器

了解A/D、D/A转换器的作用；掌握A/D、D/A转换的原理方法；了解A/D、D/A转换器的主要技术参数。本章学习要求第11章D/A与A/D转换器•11.1D/A转换器•11.2A/D转换器•11.3本章小结本章大纲D/A转换器的功能是将数字信号转换为模拟信号（电压或电流）1．DAC的基本概念一个n位二进制数Dn-1Dn-2…D1D0可以用其按权展开式表示为：（Dn-1Dn-2…D1D0）2=Dn-12n-1+Dn-22n-2+…D121+D020从最高位Dn-1（MostSignificantBit，简写为MSB）到最低位D0（LeastSignificantBit，简写为LSB）的权依次为2n−1、2n−2、…、21、20。数模转换器（DAC）的输入是数字量，输出为模拟量，输出u0应与输入数字量的大小成正比。故有：u0=K（Dn−12n−1+Dn−22n−2+…D121+D020）也就是说，将表示数字量的有权码每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了D/A转换。11.1D/A转换器11.1.1DAC的基本原理图11-1所示是一个输入为3位二进制数时D/A转换器的转换特性，它形象地反映了D/A转换器的基本功能。图11-13位D/A转换器的转换特性11.1.2变换网络1．权电阻变换网络权电阻变换网络如图11-2所示。每一个电子开关Si所接的电阻Ri等于2n−1−iR（i=0～n−1），即与二进制数的位权相似，R0=2n−1R，Rn−1=R。对应二进制位Di=1时，电子开关Si合上，Ri上流过的电流Ii=VREF/Ri。令VREF/2n−1R=IREF，则有Ii=2iIREF，即Ri上流过对应二进位权倍的基准电流，Ri称为权电阻。权电阻网络中的电阻从R到2n-1R成倍增大，位数越多阻值越大，很难保证精度。图11-2权电阻D/A变换网络2．R-2RT型电阻变换网络R-2RT型电阻网络中串联臂上的电阻为R，并联臂上的电阻为2R，如图11-3所示。从每个并联臂2R电阻往后看，电阻都为2R，即流过每个与电子开关Si相连的2R电阻的电流Ii是前级电流Ii+1的一半。因此，Ii=2iI0=2iIREF/2n，即与二进制i位权成正比。3．权电流型变换网络R-2RT型电阻变换网络虽然只有两个电阻值，有利于提高转换精度，但其电子开关并非是理想器件，模拟开关的压降以及各开关参数的不一致都会引起转换误差。采用恒流源权电流能克服这些缺陷，集成D/A变换器一般采用这种变换方式。图11-4给出了4位权电流型D/A变换器的示意图。高位电流是低位电流的倍数，即各二进制位所对应的电流为其权乘最低位电流。图11-3R-2RT型变换电阻网络图11-44位权电流型D/A变换器的示意图在D/A变换器中，使用了各种电子模拟开关，有双极型晶体管的，也有MOS管的。模拟开关在输入数字信号（Di）的控制下，使变换网络中相应支路在基准电源和地之间或在运算放大器输入（虚地）和地之间切换。理想模拟开关要求在接通时压降为0V，断开时电阻无穷大。而双极型晶体管在饱和导通时管压降很小，截止时有很大的截止电阻，因此可用作理想模拟开关11.1.3模拟开关D/A转换器的主要技术指标包括转换精度、转换速度和温度系数等。1．转换精度D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。（1）分辨率分辨率是D/A转换器在理论上可达到的精度，定义为电路能分辨的最小输出（V）和满度输出（Vm）之比。分辨率=D/A变换器的位数n表示了分辨率，分辨率也可以用数字位数表示。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。11.1.4D/A转换器的主要技术指标121n（2）转换误差转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。转换误差用以说明D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用满度值的百分数表示，也可用LSB的倍数表示。如转换误差为（1/2）LSB，表示绝对误差为V/2。D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2。2．转换速度（1）建立时间tset建立时间是指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量NB从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间来表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。（2）转换速率SR转换速率是指大信号工作状态模拟输出电压的最大变化率，通常以V/s为单位。反映了电压型输出的DAC中输出运算放大器的特性。3．温度系数温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。11.1.5集成D/A转换器图11-5AD7520的引脚图图11-6AD7520内部电路及组成的D/A转换器•A/D转换是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。但在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中也是同时实现的。11.2A/D转换器11.2.1采样和保持采样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，但其幅值仍取决于采样时间内输入模拟信号的大小。采样频率fS（1/Ts）越高，采样越密，采样值就越多，其采样信号的包络线就越接近于输入信号的波形。由于进行A/D转换需要一定的时间，在这段时间内输入值需要保持稳定，因此，必须有保持电路维持采样所得的模拟值。采样和保持通常是通过采样-保持电路同时完成的。为使采样后的信号能够还原模拟信号，根据取样定理，采样频率fS必须大于或等于2倍输入模拟信号的最高频率fImax，fS≥2fImax即两次采样时间间隔不能大于1/fS，否则将失去模拟输入的某些特征。图11-7采样-保持电路的原理图11.2.2量化和编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在转换过程中还必须把采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相对应的离散电平上。这一过程称为数值量化，简称量化。量化过程中的最小数值单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为1，其他位为0时所对应的模拟量，即1LSB。量化过程中，采样电压不一定能被整除，因此量化后必然存在误差。这种量化前后的不等（误差）称之为量化误差，用表示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位来减小量化误差。11.2.2量化和编码量化的近似方式有只舍不入和四舍五入两种。只舍不入量化方式量化后的电平总是小于或等于量化前的电平，即量化误差始终大于0，最大量化误差为，即max=1LSB。采用四舍五入量化方式时，量化误差有正有负，最大量化误差为/2，即|max|=LSB/2。显然，后者量化误差小，故为大多数A/D转换器所采用。量化后的电平值为量化单位的整数倍，这个整数用二进制数表示即为编码。量化和编码也是同时进行的。11.2.3A/D转换器按工作原理不同，A/D转换器可以分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。前者可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型和反馈比较型A/D转换器都属于这一类。而后者先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型A/D转换器则属于这一类。1．并行比较型A/D转换器图11-8并行比较型A/D转换器的结构框图2．反馈比较型A/D转换器图11-9逐次比较型A/D转换器图11-10计数型A/D转换器3．双积分型A/D转换器图11-11双积分型A/D转换器原理图输入信号Vi：积分时间通过计数器计时为T1；参考信号VREF：反向积分通过计数器计时为T2；21TTVVREFi则有：由于参考电压VREF已知，反向积分时间T2也已知，则我们可以通过间接求积分时间T1就可以算出输入的模拟电压值。11.2.4A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的主要技术指标包括转换精度和转换时间等。1．转换精度A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描述转换精度。（1）分辨率分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位（LSB）时，输入模拟量的最小变化量。它反映了A/D转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。（2）转换误差转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示，反映了A/D转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。11.2.4A/D转换器的主要技术指标2．转换时间转换时间是指从转换控制信号（vL）到来，到A/D转换器输出端得到稳定的数字量所需要的时间。转换时间与A/D转换器类型有关，并行比较型一般在几十个纳秒，逐次比较型在几十个微秒，双积分型在几十个毫秒数量级。在实际应用中，应从数据位数、输入信号极性与范围、精度要求和采样频率等几个方面综合考虑A/D转换器的选用。11.2.5集成A/D转换器图11-12ADC0804的引脚图【例11-1】某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片，在1s内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～0.025V（对应于0～450℃温度范围），需要分辨的温度为0.1℃。试问，应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？解：对于0～450℃温度范围，信号电压范围为0～0.025V，分辨的温度为0.1℃，这相当于0.1/450=1/4500的分辨率。12位A/D转换器的分辨率为1/212=1/4096，所以必须选用13位的A/D转换器。系统的取样速率为每秒16次，取样时间为62.5ms。对于这样慢的取样，任何一个A/D转换器都可以达到。可以选用带有取样-保持（S/H）的逐次比较型A/D转换器•A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。将表示数字量的有权码每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了D/A转换。•D/A转换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。变换网络一般有权电阻变换网络、R-2RT型电阻变换网络和权电流变换网络等几种。•为了将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。不同的A/D转换方式具有不同的特点，在要求转换速度高的场合，可选用并行A/D转换器；在要求精度高的情况下，可采用双积分型A/D转换器，当然也可选高分辨率的其他形式A/D转换器，但会增加成本。由于逐次比较型A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。•A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。11.3本章小结