数模转换讲解

求和放大器 模拟开关
模拟开关；
Most Significant Bit
参考电源；
任务：求出输出模拟电压 与输入数字o 量d3d2d1d0间的关系。
o R F i
Least Significant Bit
2.特点：
R F(I3I2I1I0)
R 2V R RE(F 2 d0 3d 21 22 d2 1d 23 0)
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。
转换时间
建立时间
TTR(max)ts
V0(max) SR
输出模拟电压最大 值
运放输出转换速率
d2 = Q4 d1= Q6 + Q4Q2 d0 = Q7 + Q6Q5 + Q4Q3 + Q2Q1
公式化简过程请同学自己解决。
数模转换讲解
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.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
fs 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取样定理。
下面结合具体电路说明工作过程。
> 时，该
位O为1,否则该 I
位为0. 27页
移位寄存器初始状态：
Q1Q2Q3Q4Q5=10000
>
O
I
时，
＝1
B
CP1后,移位寄存器为01000， QAQBQC=100;
CP2后,移位寄存器为00100， QAQBQC=d210;确定d2值。
CP3后,移位寄存器为00010，QAQBQC=d2d11; 确定d1值。
倒T型
电路特点： 1.电阻种类少，便于集成； 2.开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。
•数模转换讲解
模拟开关电路：
可外接反馈电阻R 需外接运放
数模转换讲解 在权电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器中，若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导
通压降将影响转换精度。权电流型D/A转换器可解决这一问题。
1 2n 1
VRE 2n
F
(2n
1)
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)
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：
若用此范围表示001会更准确
－1/15V
量化误差＝
量化误差＝
2
当输入电压不为 的整数倍时，必然产生误差，称为量化误差。
数模转换讲解 输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：
(1)计数型A/D转换器 数字量由计数器提供。
1 I O
= B 0 I 0
由于量化引起的误差为1LSB.
启动转换 （第一类量化方法）
特点：
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。
数模转换讲解
思路：
数字量由逐次渐近寄存器提供。
从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。
=1V
二进 制补
码
量化后输出的二进制补码
符号位
数模转换讲解 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，
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。
时所引起的输出变化 量的最大值
:
VREF
OO M M V 2R nE(F 2n1)VREF
而：
O M
1 LSB 2
输入数字量的最大值
即：
VREF
VREF 211
这里VREF=10V,允许的参考 电源变化量小于5mV
VREF VREF
1 211 =0.05%
数模转换讲解 用完成一次转换所需的时间－－建立时间tset－－来衡量。
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；
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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。）
数模转换讲解 中间变量为时间T的，称为V-T变换型（电压－时间变换型）； 中间变量为频率F的，称为V-F变换型（电压－频率变换型）；
1.双积分型A/D转换器 属于V-T变换型。
第一次积分:对输入模拟电压定时积分，时间为T1,由 控制逻辑电路决定；
第二次积分:对参考电源VREF定速积分， 的变化速度
的百分数。 如：0.1％FSR。
数模转换讲解 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 2n
D
(2)运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差。
O
(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。
•任意节点向左看的等效电阻皆为 R。
I V REF R
i2Id34Id28Id11I6d0
oRi
公式推导
I V REF R
i2 Id34 Id28 Id1 1 I6 d0
oRi
RVRE(F d3d2d1d0) R 2 4 8 16
V 2 R 4E (d F 323d222d12 1d020)
o V 2 R nE (d n F 1 2 n 1 d n 2 2 n 2 d 1 2 1 d 0 2 0 )
I
设时钟周期为TC，输出数字量为D，则
T2 DTC
至于T1，若满足
T1 2nTC
代入上式得：
D
2n V REF
I
可使T1=2nTC，T2=DTC的电路如下图：
影响精度因素： 比较器零点漂移；
计数器位数；
比较器灵敏度；
运放零点漂移；
积分电容漏电；
TC瞬间波动。
特点： 性能稳定。转换结果与R,C无关；也与时钟周期无关。这是两次积分的结果。 抗干扰能力强。积分器对平均值为0的干扰有很强的抑制能力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流
C
电容C上电压
1 Idt I
C
CR
由VREF,R和C决定。
dt
O
t1时刻电容电压 即 值为：
c
o
o
I
CR
dt
T1 RC
I
第二次积分结束时积分器输出电压为0，即
oVR RECFt1t2d t R T1CI 0
RT2CVREFRT1CI
故：
T2
T1 VREF
I
T2
T1 VREF
O iRF
R F (2 Id 3 2 I 2d 2 2 I 3d 1 2 I 4d 0 )
R 2 F 4 I(d 32 3d 22 2d 12 1d 02 0)
恒流源如图。但电阻REi的种类多。因此，经常用倒T型电阻网络的分流作用来实现。
O R 2 F 4 I(d 32 3d22 2d 12 1d02 0)
F
D
若取VREF=10V、RR=RF=5K
Ω
则：
O
10 28
D
此时，输出模拟电压范围为：0~9.96V。
数模转换讲解 当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的D/A转
换器。
带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。
当d2=1时，对应输出电压为4V。
因此： VB I VREF RB 2 2R
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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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
O I
在保持阶段，S断开，电容CH上电荷保持不 变，使输出电压 保持不变。
外接保持电容
O
二极管D1,D2和电阻R1构成保护电路。
在保持阶段，S断开， 保持不变；但 在变，使
压。接上保护电路后可使 基本等于输入电压 O 。
达到正（负）最大值I，使开关S承受过高o的电
o
I
在取样阶段，S接通，D1,D2截止，保护电路不起作用。
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 。当输出数字量为D时，对应的输入 模拟电压应为D ，即量化单元的整数倍。 因此，对于任意输入模拟电压, 首先 应把它量化为 的整数
A/D转 换器
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
直接转换型
并联比较型 反馈比较型
计数型 逐次渐进型
间接转换型
双积分型（V－T变换型） V—F变换型
数模转换讲解 一、权电阻网络D/A转换器 1.原理
权电阻网络
由四部分组成： 权电阻网络； 求和放大器；
CP4后,移位寄存器为00001， QAQBQC=d2d1d0;确定d0值。
同时输出d2d1d0。
第二种量化方法
CP5后,移位寄存器为10000，QAQBQC＝d2d1d0，但对下一步无影响。 一般，当输出为n位时，需n+2个时钟周期可完成转换。
特点： 速度较快；电路也不太复杂。
因此，逐次渐近型A/D转换器是集成A/D转换器用的最多的一种。
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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。
取保 样持
A/D转换的基本步骤： •采样（取样）； •保持；
•量化； •编码。
由取样－保持电路完成 由A/D转换电路完成
IB应等于I/2
三位DAC的输 出
OV2R3ED F88DD
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（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：
(1)用输入二进制数的位数表示；如8位。
V REF 2n
(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。
该比值显然等Βιβλιοθήκη Baidu：
数模转换讲解
第一节 概述
第九章 数模和模数转换 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。
被控对象
传感器
A/D转换器
计算机
驱动电路
D/A转换器
数模转换讲解 分类：
D/A转 换器
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。
注意：运放和参考电源多为外接， 电阻网络和模拟开关在集成DAC 内部。
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解：
1.计算1/2LSB:
当输入数字量D=1时，输出电压为LSB。故：
1/2LSB =
V REF 2 10
1 2
V REF 2 11
2.计算当VREF变化量为
R 2 F 4 V R R RE (d F 32 3d 22 2d 12 1d 02 0)
数模转换讲解 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：
O R 2 F 4 V R RRE(d F323d222 输d 入1 数2字1量d020)
有：
O
RFVR E 28 RR
1.电阻数量少，结构简单； 2.电阻种类多，差别大，不易集成。
输入数字量 输入数字量
V 2 R 4E (d F 323d222d12 1d020)
o V 2 R nE (d n F 1 2 n 1 d n 2 2 n 2 d 1 2 1 d 0 2 0 )
VREF 2n
D
数模转换讲解 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。
显然要满足
取样电路输出信号的幅频特性
fs fi(max) fi(max) fs 2 fi(max)
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fs
L 为高电平时，场效应管T导通,进行取样
O
I
RF RI
f f s i(max)
滤波器的幅频特性
路，为L 低将电保平持时。，T截止。取样电容CH上的电荷无泄放回 O
此时无法用滤波器恢复输入波 形