数模转换讲解

本章的难点：
本章的难点在一些A/D转换器内部电路结构和详细工作 过程上，但这不是本章学习的重点。
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第九章 数模和模数转换 第一节 概述
数模转换：将数字量 (Digital)转换为模拟量(Analog)。 简称D/A 转换。 模数转换：将模拟量(Analog)转换为数字量(Digital)。 简称A/D转换。 传感器 计算机 被控对象 A/D转换器
驱动电路
D/A转换器
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主要指标：转换精度；转换速度。
分类：
权电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络D/A转换器 权电流型D/A转换器 权电容网络D/A转换器 开关树型D/A转换器 并联比较型 A/D 转 换 器 直接转换型 反馈比较型 计数型 逐次渐进型
D/A 转 换 器
间接转换型
双积分型（V－T变换型）
转换时间
TTR (max) ts
V0 (max) SRபைடு நூலகம்
输出模拟电 压最大值 运放输出转 换速率
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第三节 A/D转换器 一、A/D转换的基本原理 在A/D转换器中，由于输入 模拟信号在时间上是连续的， 而输出数字信号是离散的，所 以转换只能在一系列选定的瞬 间对输入模拟信号采样，然后 再把这些采样值转换成输出数 字量。
公式化简过程请 同学自己解决。
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2.反馈比较型A/D转换器
思路：将一数字量加到D/A转换器上，再把D/A转换器输出的 模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直 到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。
(1)计数型A/D转换器 数字量由计数 器提供。
B =
1 0
I O
I REF RB 2 2R
B
O
VREF 8 D DD 23 8
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五、D/A转换器的转换精度与转换速度 （一）转换精度
通常用分辨率和转换误差来描述。
1.分辨率：输出模拟电压应能区分0~2n-1共2n个输入数字量。 表示方法：
VREF 2n
(1)用输入二进制数的位数表示；如8位。 (2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。 VREF n ( 2 1) n 2
－1/15V
若用此范围表示 001会更准确 量化误差＝

当输入电压不为 的整数倍时，必然产 生误差，称为量化误差。
量化误差＝ 2
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输入为双极性时： 输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：
=1V
二 进 制 补 码
符号位 量化后输出的二进制补码
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二、直接A/D转换器 将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。 介绍并联比较型和反馈比较型两大类。 1.并联比较型A/D转换器 采用第二类量化方法，
取 保 样 持
A/D转换的基本步骤： •采样（取样）； 由取样－保持电路完成 •保持； •量化； •编码。 由A/D转换电路完成
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1.取样、保持 取样定理：为保证从取样信 号恢复被取样信号，必须满 足
f s 2 fi (max)
取样信号频率 输入信号 最高频率
在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样 信号频率。 取样定理又称为香农定理(Shannon)。 下面通过取样信号的幅频特性与滤波器的幅频特性的关系说明 19 取样定理。
Least Significant Bit 2.特点： 1.电阻数量少，结构简单； RF ( I3 I 2 I1 I0 ) R VREF d3 d 2 d1 d0 ( 0 1 2 3 ) 2.电阻种类多，差别大，不 易集成。 2 R 2 2 2 2 输入数 输入数 VREF 字量 字量 4 (d3 23 d 2 22 d1 21 d 0 20 ) 2 VREF 4 o n (d n1 2n1 d n2 2n2 d1 21 d0 20 ) VREF D n 2 2
o Ri
VREF d3 d 2 d1 d 0 R ( ) R 2 4 8 16
VREF 4 (d3 23 d 2 22 d1 21 d 0 20 ) 2
VREF n 1 n2 1 0 o n (d n1 2 d n2 2 d1 2 d0 2 ) 2
显然要满足
f s f i (max) f i (max) f s 2 f i (max)
取样电路输出信号 的幅频特性
fs 取样－保持电路 L 为高电平时，场效应管T导通,进 RF 行取样 O I 滤波器的幅频特性 fs fi (max) RI L 为低电平时，T截止。取样电 此时无法用滤波 容CH上的电荷无泄放回路，O 将 器恢复输入波形 保持。
2VREF 15
转换过程：将要输入 模拟电压加在输入端，然 后加一个CP脉冲，输出端 就出现转换结果。 特点： •速度快，转换时间小于50ns； •不需取样－保持电路； •电路复杂。 编码情况可用下表说明。
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d2 = Q4 d1= Q6 + Q4Q2 d0 = Q7 + Q6Q5 + Q4Q3 + Q2Q1
该比值显然等于：
1 2n 1
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2.转换误差： 由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到 的转换精度。
转换误差有时也称为线 性误差。它表示实际的D/A转 换特性和理想转换特性之间 的最大偏差。 转换误差的表示形式： （1）最低有效位的倍数。如： 1LSB。 （2）输出电压满刻度 FSR(Full Scale Range) 的百分数。 如：0.1％FSR。
二、倒T型电阻网络D/A转换器 1.原理： 电阻网络特点： •模拟开关Si不论接何 位置，都相当于接地。 •任意节点向左看的 等效电阻皆为R。
V REF I R
I I I I i d3 d 2 d 1 d0 2 4 8 16
o Ri
公式推导
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VREF I R
I I I I i d 3 d 2 d 1 d0 2 4 8 16
（二）转换速度 用完成一次转换所需的时间－－建 立时间tset－－来衡量。 建立时间：从输入信号变化开始 到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB范围以内的时间。 输入信号由全0变为全1所需时间 最长。 不包含运放的DAC建立时间可达 0.1 s 。 当外接运放时，转换时间还应加 上运放的上升（下降）时间。 建立时间
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权电流型集成数模转换器DAC0808简介
双极型电路；8位数字量输入； 外接求和放大器； 外接电阻。 参考四位时的公式：
RFVREF 4 (d3 23 d2 22 d1 21 d0 20 ) O 2 R R
有：
O
则：
RFVREF D 8 2 RR
输入数 字量
若取VREF=10V、RR=RF=5KΩ
外接保持电容
在保持阶段，S断开，电 容CH上电荷保持不变，使输 出电压 O 保持不变。 二极管D1,D2和电阻R1构成保护电路。
在保持阶段，S断开，O保持不变；但 I在变，使o 达 到正（负）最大值，使开关S承受过高的电压。接上保护电 路后可使 o 基本等于输入电压 I 。
在取样阶段，S接通，D1,D2截止，保护电路不起作用。
第九章 数模和模数转换
本章的重点：
1．D/A转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输 入与输出关系的定量计算； 2．A/D转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、 双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较； 3．D/A，A/D转换器的转换速度与转换精度及影响它们 的主要因素。 由于目前使用的D/A、A/D期间都是LSI电路，所以讲授 的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内 部详细的结构及工作过程。
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2.量化和编码 量化：
把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为量化单元，
记做 D
。当输出数字量为D时，对应的输入模拟电压应为
因此，对于任意输入模拟电
，即量化单元的整数倍。
压, 首先 应把它量化为
的整数倍。这就是量化。
编码： 用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。 量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量 化方法： 22
启动转换
I 0
1.电路简单； 2.速度慢。最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期。
由于量化引起的误差为1LSB. （第一类量化方法）
特点：
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(2)逐次渐近型A/D转换器
数字量由逐次渐近寄存器提供。 思路： 从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。 以输出四位数字量a3a2a1a0为例: 1.输入1000到逐次渐近寄存器，以确定a3的值； 2.输入a3100到逐次渐近寄存器，以确定a2的值； 3.输入a3a210到逐次渐近寄存器，以确定a1的值； 4.输入a3a2a11到逐次渐近寄存器，以确定a0的值； 可见，主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成。（实际转 换器还要增加两个时钟周期时间。）
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3.转换误差分析 D/A转换器的四个组成部分，均可引起转 换误差。但具有不同的特点。
(1)参考电源引起的误差称为比例系数误差。 O VREF D 2n (2)运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差。
O
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(3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的 偏差引起的误差称为非线性误差。 非线性误差有时导致 转换特性局部非单调性， 从而引起系统不稳定。
电路缺点：输入电阻RI过大 会降低取样速度；过小又加重 信号源负载。 改进方法：在输入端加隔离放大器。 下面通过集成取样保持电路 LF198介绍改进的取样－保持电路。
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集成取样保持电路LF198 调零 取样控 制信号 输入模 拟电压
在取样阶段，开关S接 通，运放AI,A2构成两级电 压跟随器