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1、AD.DAAD.DA转换原理转换原理9.1 概述概述从模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，简称从模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，简称A/D转换。转换。从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换，简称从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换，简称D/A转换。转换。分类：分类：D/A转换器的分类：转换器的分类： 权电阻网络型；权电阻网络型；倒梯电阻网络型倒梯电阻网络型；权电流型；权电容型；权电流型；权电容型；开关树型等等。开关树型等等。 直接型直接型间接型间接型反馈比较型反馈比较型并联比较型并联比较型逐次渐进型逐次渐进型计数型计数型电压时间型（电压时间型（VT变换型）变换型）: 双积分型双积分型
2、电压频率型（电压频率型（VF变换型）变换型）A/D转换转换器的器的分类分类主要指标：主要指标：转换精度；转换速度转换精度；转换速度9.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器一、电路组成一、电路组成三部分：三部分：权电阻网络、模拟开关（受代码权电阻网络、模拟开关（受代码d3d0的控制，代码的控制，代码为为1时接时接VREF，为，为0时接地）、求和放大器时接地）、求和放大器二、工作原理二、工作原理即即vO正比于正比于DnVREF可正可负可正可负优缺点：优缺点：电阻少，但差值大，不易集成。电阻少，但差值大，不易集成。9.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器一、电路的组成一、电
3、路的组成电阻网络、模拟开关、求和放大器电阻网络、模拟开关、求和放大器A、基准电压、基准电压VREF。V接地，接地， V为虚地，为虚地，S3S0相当于接地，若数码为相当于接地，若数码为1，接，接V-,数码为数码为0，接，接V 。二、工作原理二、工作原理从每个端口向左看等效电从每个端口向左看等效电阻均为阻均为R，I=VREF/R，每，每个支路电流依次为个支路电流依次为I/2, I/4, I/8, I/16。 对于对于n位位D/A转换器：转换器：VO与与D成正比。成正比。三、集成三、集成D/A转换器转换器CB7520 (AD7520)1、原理图、原理图10位倒位倒T电路，需外接运放，反馈电阻可用内部
4、电路，需外接运放，反馈电阻可用内部R，也可自接，也可自接，VREF需稳定，才能确保转换精度。需稳定，才能确保转换精度。2、CB7520中的中的CMOS模拟开关电路模拟开关电路采用采用15V电压电压9.2.7 D/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度一、一、D/A转换器的转换精度转换器的转换精度用分辨率和转换误差来描述转换精度用分辨率和转换误差来描述转换精度1、分辨率用输入二进制代码的位数给出（理论精度）、分辨率用输入二进制代码的位数给出（理论精度）模拟电压应能区分模拟电压应能区分00.0011.11全部全部2n个不同状态个不同状态用最小电压与最大输出电压之比表示，用最小电压与
5、最大输出电压之比表示，例如例如10位位D/A转换器转换器2、转换误差（实际精度）、转换误差（实际精度）转换误差：实际与理论值的最大偏差（例如：转换误差：实际与理论值的最大偏差（例如：0001时的时的输出电压）输出电压）是一个由各种是一个由各种因素因素引起的转换误差的综合指标。引起的转换误差的综合指标。因素：因素：VREF波动；运放的零漂；波动；运放的零漂； 模拟开关的导通内阻及压降；模拟开关的导通内阻及压降； 电阻阻值偏差；二极管特性不一致电阻阻值偏差；二极管特性不一致二、二、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度用建立时间用建立时间t set定量描述定量描述D/A转换器的转换速度转换器的转换
6、速度t set ：从输入数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳态值相：从输入数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳态值相差差 范围以内的时间。范围以内的时间。一般定为：从全一般定为：从全0变为全变为全1所需的时间。所需的时间。 不包含运放的单片集成不包含运放的单片集成DAC： t set 0.1m 包含运放的单片集成包含运放的单片集成DAC： t set 0.15m外加运放的外加运放的DAC的最大转换时间：的最大转换时间：9.3 A/D转换器转换器9.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理模拟信号是连续的，数字信号是离散模拟信号是连续的，数字信号是离散的，因此需要在一系列选定的瞬间对的，因
7、此需要在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后保持、量输入的模拟信号取样，然后保持、量化、编码，再开始下一次取样。化、编码，再开始下一次取样。一、取样定理一、取样定理取样信号取样信号vS，模拟信号，模拟信号vI ，必须，必须满足满足fS2fi(max)fS 取样频率；取样频率； fi (max)模拟信模拟信号的最高频率分量的频率号的最高频率分量的频率用低通滤波器将用低通滤波器将vS还原为还原为vI ，一般取一般取fS35fi (max)保持电路保持电路二、量化和编码二、量化和编码采样电压表示成最小单位的整数倍，叫采样电压表示成最小单位的整数倍，叫量化量化。最小单位叫最小单位叫量化单位量化单
8、位，用，用表示。数字信号最低有效位表示。数字信号最低有效位（LSB）的）的1所代表的数量大小为所代表的数量大小为 。量化结果用二进制表示出来叫量化结果用二进制表示出来叫编码编码。两种量化方法两种量化方法只舍不入只舍不入 有舍有入有舍有入例如，例如，01V模拟电压转换成三位模拟电压转换成三位二进制代码。二进制代码。 图图(a)中：中： 1/8V 01/8V0 1/8V 2/8V 1 单向误差为，最大误差为单向误差为，最大误差为1/8V。图图9.3.3 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法(a)例如，例如，01V模拟电压转换成三位二模拟电压转换成三位二进制代码。进制代码。 图图(b)中：中
9、： 2/15V 01/15V0 1/15V 3/15V 1 双向误差为双向误差为，最大误差为，最大误差为1/15V。图图9.3.3 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法若若vI在在范围内变化时，一般要范围内变化时，一般要求采用二进制补码形式编码，求采用二进制补码形式编码，例如例如 1V，三位二进制补码，三位二进制补码，如图如图9.3.4。9.3.2 取样保持电路取样保持电路一、基本形式如图一、基本形式如图9.3.5当当vL1时，时，T通，通，vI向向C充电，设充电，设RI=RF，则，则vO vC vI，当，当vL0时，时，T止，止，CH保持。保持。缺点：缺点：速度低，速度低，为提高速度
10、，可减小为提高速度，可减小RI，则输入阻抗降低，则输入阻抗降低，不可取。不可取。解决办法见下页。解决办法见下页。二、实用电路（二、实用电路（LF198）速度低的解决办法：速度低的解决办法：在电路的输入端增加一级隔离放大器，在电路的输入端增加一级隔离放大器，如：如：LF198集成采样保持。集成采样保持。vL1，取样；，取样； vL0，保持；，保持；D1、D2保护二极管，保护二极管，VOS输出调零电压输出调零电压9.3.3 直接直接A/D转换器转换器一、并联比较型一、并联比较型三部分组成：三部分组成：电压比较器、寄存器、电压比较器、寄存器、代码转换电路代码转换电路2/15VREF比较结果：比较结果
11、：0000000，0000001，1111111共共8种种CP寄存。寄存。寄存器输出是一组寄存器输出是一组7位的二值代码，需转换成位的二值代码，需转换成3位二进制数。位二进制数。代码转换电路的逻辑函数式为：代码转换电路的逻辑函数式为：优点：优点：速度高速度高（50nm）可省略采保可省略采保电路电路缺点：缺点：比较器多比较器多（n位代码需位代码需2n1个）个）二、反馈比较型二、反馈比较型A/D转换器转换器1、计数型、计数型A/D转换器转换器转换时间长：转换时间长： 当输出为当输出为n位二进制数码时，最长的转换时间位二进制数码时，最长的转换时间可达（可达（2n1）TCP。2、逐次渐进型、逐次渐进型
12、A/D转换器转换器原理：原理：类似天平称重原理类似天平称重原理从最高位置从最高位置1，判断保留或去除；判断保留或去除；次高位置次高位置1，判断保留或去除；判断保留或去除；.最低位置最低位置1，判断保留或去除；判断保留或去除；n位需位需(n2)个个CP脉冲脉冲工作原理工作原理例如：参考电压例如：参考电压VREF=5V, 模拟模拟vI=3.2. 设初态设初态QAQBQC=000, 环形计数器环形计数器Q1Q510000，即，即Q11（1）CP1 到来到来SA=1, RA=0; SB=0, RB=1; SC=0, RC=1置成置成100 vO5212.5V vO vI vC =1且且CP2 过后，过
13、后， Q1Q5 00100，即即Q3 1（3）CP3 到来到来SA=0, RA=0; SB=0, RB=1; SC=1, RC=0QA保持，保持，QB置置0，QC置置1置成置成 101 vO5(21+ 23)3.125V vO vI vC =0且且CP3 过后，过后， Q1Q5 00010，即即Q4 1（4）CP4 到来到来SA=0, RA=0;SB=0, RB=0; SC=0, RC=0QA、QB、QC均保持均保持 101vC =0 且且CP4 过后，过后， Q1Q5 00001，三态输出三态输出101（5）CP5 到来到来Q1Q5 10000，返回初态返回初态9.3.4 间接间接A/D转换器转换器第一步：第一步：S1合到合到vI一侧，进行固定一侧，进行固定时间时间T1的积分的积分第二步：第二步：S1转到转到vREF一侧，向相一侧，向相反方向积分，积分时间为反方向积分，积分时间为T2。结束结束
