1、第十一章 数-模和模-数转换,概述数-模转换器(DAC)模-数转换器(ADC)计算举例小结,概述,数-模转换器（Digital to Analog Converter)模-数转换器（Analog to Digital Converter)ADC和DAC在数字系统中的应用ADC和DAC的分类ADC和DAC的主要性能指标:,* 将数字信号转换成模拟信号的过程称：数模转换 * 完成数模转换的电路数模转换器（DAC）,* 将模拟信号转换成数字信号的过程称：模数转换 * 完成模数转换的电路模数转换器（ADC）,转换精度、转换速度,11.1 概述,ADC和DAC在数字系统中的应用,ADC和DAC在数字系统
2、中的应用,* 数据测量/数据处理系统将自然界的模拟量，经传感器转换成电信号(电流或电压)，电模拟量通过ADC变成数字量，此数字量可由数字系统传输和处理。 * 程序控制系统将数字系统传输和处理的数字量，经DAC转换成电模拟量，再经模拟控制器实现对各种模拟量的控制。,ADC和DAC应用举例,ADC与DAC,ADC和DAC的主要分类,DAC分类:,ADC分类:,11.1 概述ADC和DAC的主要分类,一.数-模转换器DAC,主要类型：,一. 数-模转换器DAC,权电阻型、权电流、倒T型电阻型、权电容型、开关树型,权电阻网络DAC倒T型电阻网络DAC其它类型DAC具有双极性输出的DAC集成DAC数-模
3、转换器的主要参数,1.权电阻网络DAC,电路原理图,组成：权电阻网络(4条支路)、求和放大器(1个)、模拟开关(4个),1. 权电阻网络DAC,权电阻网络DAC,分析,权电阻网络DAC（续）,计算电压vO （对n位DAC）：,若取RF=R/2， 有：,权电阻网络DAC-计算举例,计算电压vO (取RF=R/2)例1：对4位DAC，若输入d3 d2 d1 d0 =0110, VREF=10V，例2：对8位DAC，若输入D=10011011, VREF =-10V，,则输出vO =-10*(6)/16= - 3.75 (V),则输出vO =-(-10*(155)/256= 6.046875 (V)
4、,倒T型电阻网络DAC,电路图,2R/2R=R,(R+R)/2R=R,2.倒T型电阻网络DAC,4条支路 模拟开关S,等效电路如图,R,S i (i=03): -接V+(0) -接V-(虚地),倒T型电阻网络DAC,计算输出V O,2.倒T型电阻网络DAC,I,I/2,I/2,I/4,I/4,I/8,I/16,倒T型电阻网络DAC,由R 和2R 两种阻值构成; 误差小;转换速度快.,计算输出V O,倒T型电阻网络的特点:,2.倒T型电阻网络DAC,3. 其它类型DAC,权电流型电路图:权电容网络型电路图:,开关树型电路图,其它类型DAC,具有双极性输出的DAC,双极性输出:当输入数字量有极性时
5、，输出的模拟电压也对应为。 原理: (以3位DAC为例),4.具有双极性输出的DAC,*将符号位反相后接至高位输入 *输出偏移。使输入为100时输出为0,具有双极性输出的DAC,电路实现:(以3位DAC为例),计算输出vO双极性网络的特点:,倒T型电阻网络 +偏置电路,集成DAC,集成DAC芯片（两类型）:* 含DA(倒T型电阻)网络、模拟开关* 含DA(倒T型电阻)网络、模拟开关、运算放大器常用集成DAC芯片：集成DAC芯片的输入方式：并行输入有：DAC0832（8位）串行输入有：MAX515 （10位）CB7520与模拟开关电路例：集成DAC0832,8位；10位；16位等,并行输入；串行
6、输入,集成DAC与模拟开关电路,CB7520,CB7520中的CMOS模拟开关电路:,10位DAC:含DA 网络、模拟开关,外接运算放大器,内设R=2K,5.DAC的主要性能指标和主要参数,模拟输出量VO:转换精度：* 分辩率：* 转换误差：转换速度：,5. 数-模转换器的主要性能指标和主要参数,实际输出与理论值之间的偏差。一般由电路的参考电压、电阻的偏差、模拟开关的内阻、和导通压降、运算放大器的零点漂移等多种原因造成。,指送入数字量经DAC后输出模拟量达到稳态值所需要的时间。一般有：DAC的位数越多，转换时间越长。,对输出最小电压的分辨能力（ n - DAC的位数） DAC的位数越多，分辨率
7、越高,二.模-数转换器ADC,主要类型：,*直接比较型: *并联比较型 *反馈比较型(计数型 逐次渐近型) *间接比较型: *双积分型ADC（V-T型） *V-F型,ADC的基本原理并联比较型ADC计数型ADC逐次渐近型ADC双积分型ADC（V-T型） 集成ADC和模-数转换器的主要参数,二. 模-数转换器ADC,ADC的基本原理,A/D转换的基本步骤：采样和保持,采样、保持、量化、编码,采样按一定的时间间隔取出模拟信号，即：将随时间变化的模拟信号变化为对应的离散信号。这一过程叫采样。为保证采样后的信号能反映原来的模拟信号，要求采样频率fs与输入模拟信号的最高频率fimax满足关系：fs =
8、2fimax,保持采样后的模拟信号保持一段时间，以便进行模数转换。,量化和编码量化将采样的电平值换算到与之相近的离散电平的过程，称为量化。编码将量化后的离散值用二进制代码表示，称为编码。,ADC的采样和保持,采样和保持波形说明：,输入的模拟信号,采样的控制信号,输出的采样信号,采样,保持,ADC的采样和保持电路,采样和保持电路：组成：C、T管、电压跟随器（运放）,工作原理：* 当采样的控制信号VL（高电平）到来后，T管导通，输入的模拟信号通过T存储在C上，uo=ui （称：采样）。* 采样的控制信号结束（低电平），T管截止，电容C上的电压在一定时间内保持不变（称：保持）。,ADC的量化和编码,
9、量化和编码说明：,(B)图： 4位ADC的量化和编码 将输入的最大值(满量程),按 0000 1111，区分16个范围的值。,(A)图： 3位ADC的量化和编码 将输入的最大值(满量程),按000 111，区分8个范围的值。,量化的两种方法：,ADC的量化方法,量化的两种方法(以三位ADC为例)：,最大量化误差 = = (1/8)V,最大量化误差 = /2 = (1/15)V,并联比较型ADC,电路图（3位ADC）：,输入信号经过7个参考电压的分压器和比较器，将比较结果送入触发器寄存。再经代码转换器输出3位数码。（输入/输出的逻辑函数式见P531 表11.3.1）,工作原理：电路特点：,组成:
10、分压器比较器 寄存器(D触发器)代码转换器(输出电路),并联比较型A/D转换器,量化及编码,代码转换,寄存编码,比较输出,代码转换 电路,并联比较型A/D转换器量化及编码,Vi,VR,并联比较型A/D转换器,*并联比较型ADC代码转换表,*输出逻辑表达式,并联比较型A/D转换器-代码转换及代码转换电路,2.计数型ADC,电路图（4位ADC）：组成: n位二进制计数器、 n位DA转换器、比较器、控制电路,工作原理：电路特点：,取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压VO，将该值与输入电压Vi比较，如两者不等，则调整增加D，到相等为止,则D为所求值。,2.计数型ADC,2.计数型ADC,电路图（
11、4位ADC）：,工作原理：,当VL=1,AD转换开始。 n位加法计数器从0开始递增计数，并将其状态信号Q n-1Q0送入n位DAC中，DAC输出信号V0与Vi中进行比较; 当V0 Vi，重复（2）;,(4) 当V0 Vi， VB=0 ，G被封锁，CLK=0 ，比较结束。此时计数器的状态为输出的数字量。,*转换前，计数器清零 （状态Q n-1Q0=00), DAC 输出V0=0,2. 计数型ADC,2. 逐次渐近型ADC,电路图（n位ADC的结构框图和电路原理图）：组成: 逐次渐近寄存器、n位DA转换器、比较器、控制电路,电路原理图及分析： 电路特点：,*逐次渐近型ADC,逐次渐近型ADC电路原
12、理图,电路图（n位ADC的结构框图和电路原理图）：组成: 逐次渐近寄存器、n位DA转换器、比较器、控制电路,工作原理：,逐次渐近型ADC电路原理图,逐次渐近型ADC原理分析(1),工作原理：(设移位寄存器初始状态为10000),*转换前，计数器清零（状态Q n-1Q0=00), DAC 输出V0=0,当VL=1,AD转换开始。寄存器( QA QB QC )最高位预置为1 并将其状态信号Q n-1Q0（=1000）送入n位DAC中，DAC输出信号V0与Vi中进行比较,1 0 0 0 0,逐次渐近型ADC 原理分析,逐次渐近型ADC原理分析(2),工作原理：,(3)当V0 Vi，将预置的1清除，同
13、时将次高位预置为1。重复（2）,(4) 对n位寄存器最低位完成置数和比较后，转换结束。此时寄存器的状态为输出的数字量。(此时在CLK作用下,Qn-1Q0 =0001,打开控制门,输出结果）,1 0 0 0 0,3位：5个CLK完成比较 N位: ( n+2)个CLK,逐次渐近型ADC 原理分析(续),3. 双积分型ADC,电路图：组成:比较器和控制电路 n位数码寄存器n位DACn位ADC输出工作原理：,工作波形和电路实现,电路特点:,当S1指向VI,对C进行第一次积分 当S1指向VREF,对C进行第二次积分,3. 双积分型ADC,双积分ADC电路实现,* 控制信号vL=1时转换开始，输入信号vI
14、经开关S1对C进行积分,当积分到达时间T1时,第一次积分(采样)结束。 * 控制开关使S1接参考(基准)电压,对C进行第二次积分,当积分器输出电压上升到0V时,转换结束* 若第二次积分的时间为T2, 可证得:,电路实现,原理分析,集成ADC,常用集成ADC芯片：4位；6位；8位等集成ADC芯片的输出方式：并行输出；串行输出并行输出有：ADC0809（8位）串行输出有：例：集成ADC0809,集成ADC,模-数转换器的性能指标和参数,转换速度,（nADC的位数，V输入的满量程电压） 位数越多，分辨率越高。,*分辩率（又称分解度）：ADC对输入信号的分辨能力。常以最低位（LSB）所对应的电压值表示
15、。,*转换误差：实际输出与理论值之间的偏差。常用最低有效位的倍数来表示。例如：相对误差=LSB/2，表示误差少于最低位1的一半。,指ADC从接到转换控制信号起，到输出数字量达到稳态值所需要的时间。ADC的转换时间主要取决于转换电路的类型。,转换精度：,模-数转换器的主要性能指标和主要参数,计算举例,例1：权电阻8位DAC，已知：VREF =-10V，D=10011100，求：VO ？例2：8位DAC输出满度电压为8V，它的最小分辨电压VLSB？若改为10位DAC，其分辨电压VLSB ？例3：8位DAC中，已知满刻度电压为VOM =5V，求最小分辨电压VLSB和分辨率？例4：8位ADC输入满量程
16、为10V，当输入电压为3.5V时，求输出D？例5：8位ADC中,计算并比较各种类型ADC的转换速度,计算举例,计算举例_1,例1：权电阻8位DAC，已知：VREF =-10V，D=10011100，求：VO ？解:,计算举例_2,例2：8位DAC输出满度电压为8V，它的最小分辨电压VLSB？若改为10位DAC，其分辨电压VLSB ？解:,计算举例_3,例3：8位DAC中，已知满刻度电压为VOM =5V，求最小分辨电压VLSB和分辨率？解:,计算举例_4,例4：8位ADC输入满量程为10V，当输入电压为3.5V时，求输出D？解: * 求最小分辨电压VLSB和3.5V对应的数值D,* 求D对应的二
17、进制数值(不考虑小数位),小结,DAC和ADC的基本概念和功能DAC数模转换器ADC模数转换器DAC的主要类型、特点和基本工作原理权电阻、权电流型、倒T型ADC的主要类型、特点和基本工作原理并联比较型、计数型、逐次渐近型、双积分型DAC和ADC的主要性能指标和主要参数,小结,小结（续）,DAC和ADC的主要性能指标和主要参数*DAC的输出电压,*双极性输出（偏移量、符号位及输出）,小结（续）,DAC和ADC的主要性能指标和主要参数计算,分辨率,转换误差: （由参考电压、电阻、零点漂移等多种因素构成）,*转换精度,*转换速度:指输入信号经DAC或ADC后，输出信号（模拟量或数字量）达到稳态值所需要的时间。对DAC一般有：转换位数越多，转换时间越长。对ADC主要由转换类型决定。,ADC转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型 双积分型,数十 ns,数十 s,数十 ms,
