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1、第七章 数模与模数转换器,内容提要：,7.1 D/A转换器 7.2 A/D转换器,模数转换： 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； 数模转换： 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。,7.1 D/A转换器,DAC,输 入 字 量 D,Dn-1 Dn-2 D1 D0,i,001 010 011 100 101 110 111,7,6,5,4,3,2,1,0,U0或I0 Um,ULSB,D,图7-1 D/A转换器的框图 图7-2输入3位二进制数的D/A转换特性,7.1.1 D/A转换器及其主要参数,D=d n-12 n-1+d n-22 n-
2、2+d121+d020 （7-1）,A=KD=K（d n-12 n-1+d n-22 n-2+d121+d020） =,i2i,2. 主要技术指标,（1）分辨率 电路所能分辨的最小输出电压ULSB（输入的数字代码最低有效位为1，其余各位都为0）与满刻度输出电压Um（输入的数字代码的各位均为1）之比，即 分辨率=,0.0009781,n=10的D/A转换器的分辨率为,Um=10V，n=10时，,10V110mV,（2）绝对误差和非线性度 绝对误差是指输入端加对应满刻度的数字量时，D/A转换器输出的理论值与实际值之差，一般来说，绝对误差应低于ULSB/2。其影响因素主要有电子开关导通的电压降，电阻
3、网络阻值偏差、参考电压偏离、集成运放漂移产生的误差。 在满刻度范围内偏离转换特性的最大值称为非线性误差。它与满刻度之比称为非线性度，常用百分比来表示。,（3）转换时间 从数码输入到模拟电压或电流稳定输出之间的响应时间称为转换速度。当转换器的输入变化为满度值（输入由全0变为全1或由全1变为全0）时，其输出达到稳定值所需的时间为转换时间，也称建立时间或稳定时间。,根据电阻网络的不同，可以构成多种D/A转换电路，如权电阻网络型、T形电阻网络型、倒T形电阻网络型和权电流型等。,D/A转换器通常由电阻网络、模拟开关、求和运算放大器和基准电压源等部分组成。,组成,分类,7.1.2 权电流型D/A转换器,u
4、ORF i=,=,DAC0808 8位权电流型D/A转换器，其中D0D7是数字量输入端。使用时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1。,当VREF=10V、 R1=5k、 RF=5k时， 输出电压为：,5,6,7,8,9,10,11,12,D,D,D,D,D,D,D,D,0,1,2,3,4,5,6,7,vU,O,5k,5k,5k,REF,U,0.01F,13,CC,V,=+5V,EE,V,=-15V,数字量输入,模拟量输出,DAC0808,LSB,MSB,14,15,2,4,16,3,R,F,1,R,2,R,A,- +,+,d0 d1 d2 d3,2R 2R 2R 2R 2R,R R
5、R I,UREF,I/2,S0 S1 S2 S3,I/16,(LSB) (MSB),i1,R=RF,A,U0,_ +,+,图7-4 倒T形电阻网络D/A转换器的原理电路图,7.1.3 倒T形电阻网络D/A转换器,I/16,I/8,I/,I/,uO=-i IR=,uO=,2. 集成D/A转换器,图7- AD7520内部逻辑结构图,AD7520外引线图,单极性输出数模转换应用电路,D0D9：数据输入端 IOUT1：电流输出端1 IOUT2：电流输出端2 Rf：10K反馈电阻引出端 VCC：电源输入端 UREF：基准电压输入端 GND：地。,d0=1时,R,UE,2R,uO,3R,7.1.4 模拟电
6、子开关,1,例7-1 已知n位倒T形电阻网络D/A转换器（DAC）中的RF=R，UREF=12V，试分别求出4位和8位倒T形电阻网络DAC的最小输出电压ULSB，并说明这种DAC的ULSB与位数n的关系。 解： 4位倒T形电阻网络DAC的最小输出电压 ULSB=,8位倒T形电阻网络DAC的最小输出电压 ULSB=,T型电阻网络D/A转换器,例7-2,例7-3 用AD7520设计一个单极型D/A转换电路，要求电压输出范围为0+5V。 解： AD7520连接成单极型D/A转换电路，如图7-10所示。因为AD7520是10位CMOS倒T形电阻网络DAC，所以不需要设计电平偏移电路，只需外接运放、VD
7、D=+5V和UREF=-5V即可。 注意：图中“#/”是DAC的限定符；图中1k可调电位器用于增大放大倍数。,d9,d3,d2,d8,d7,d6,d5,d4,d1,VSS,#/,VDD,UREF,RFB,I02,I01,1k,+5V,5V,+,+,-,AD7520,0+5V,方法二：取8/15 V，0 8/15 V 的电压以0 表示，则,模拟电压,二进制编码,0V,8/15 V,24/15 V,39/15 V,54/15 V,69/15 V,83/15 V,107/15 V,8V,000,001,010,011,100,101,110,111,可见量化误差最大达/2=1/15 V,7.2.2
8、并行比较型A/D转换,图7-13 3位并行比较型ADC,表7-1 并行比较型A/D转换器输入/ 输出对照表,取 样 保 持 电 路,5位 并行 比较 A/D 转换 器,5位 D/A 转换 器,5位 并行 比较 A/D 转换 器,32,+ _,D9 D8 D7 D6 D5,D4D3D2D1D0,UI UREF,图7-14 10位ADC的分级并行转换原理,7.2.3 逐次逼近型A/D转换器,转换原理：,转换开始前先将所有寄存器清零。 开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。 若uiuo ，说明
9、数字过大了，故将最高位的1清除； 若ui uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。 这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。,工作过程,原理框图,R 1D,R 1D,R 1D,R 1D,S 1D,C1 C1,C1,C1 C1,&,1S C1 1R R,1S C1 1R R,1S C1 R 1R,=1,&,&,=1,&,3 位 D / A 转 换 器,1 EN,CP UL,F1 F2 F3 F4 F5,uC QA QB QC,uI u0,+,- +,1 EN,1 EN,d2
10、d1 d0,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,FA,FB,FC,图7-16 3位逐次逼近型A/D转换器,例7-4 在图7-16所示电路结构的逐次逼近型ADC中，若n=8，且已知时钟脉冲频率为1MHz，试问完成一次转换所需的时间是多少？如要求该8位逐次逼近型ADC完成一次转换的时间小于100s，问时钟频率应选多大？ 解： 由上述分析推知，n位逐次逼近型ADC完成一次转换所需的时间为 T=（n+2）TCP （TCP为时钟脉冲CP的周期） 根据题意，已知n=8，TCP=1s，代入上式得 T=10s 如要求完成一次转换的时间T0.1MHz。,7.2.4 双积分型A/D转换器,基本原理： 对输入模拟电压和基
11、准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。,o,o,o,o,T,T,1,2,t,t,t,t,T,1,T,2,v,s1,o,v,G,v,c,+,I,v,REF,U,1,2,o,t,t,1,t,2,v,Q,n,(a),(b),(c),(d),(e),UP,7.2.5 A/D转换器的主要参数,1、分辨率 A/D转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。 2
12、、转换误差 A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。 3、转换时间 A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。,例7-5 某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1秒（s）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00.025V（对应于0450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: 对于从0450温度范围，信号电压为00.025V，分辨温度 为0.1的要求，这相当于,的分辨率。,故需选用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。对于这样慢速的取样，任何一种A/D转换器都可达到，故选用带有取样-保持（S/H）的逐次逼近型A/D转换器或不带S/H的双积分式A/D转换器均可。,12位A/D转换器的分辨率为,
