10章 数模与模数转换器

1）直接A/D转换器：可以将模拟信号直接转换为数字信号，因 直接A/D转换器：可以将模拟信号直接转换为数字信号， A/D转换器 此这类转换器具有较快的转换速率。 此这类转换器具有较快的转换速率。 典型电路:并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器 典型电路:并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器 A/D转换器和逐次比较型A/D 2）间接A/D转换器：先将模拟信号转换成某一中间量（时间或 间接A/D转换器：先将模拟信号转换成某一中间量（ A/D转换器 者频率），然后再将中间量转换为数字量输出。 ），然后再将中间量转换为数字量输出 者频率），然后再将中间量转换为数字量输出。因此此类转换 器的速度较慢。 器的速度较慢。 典型电路：双积分型A/D转换器和电压频率型A/D转换器 典型电路：双积分型A/D转换器和电压频率型A/D转换器 A/D转换器和电压频率型A/D
数字电子技术
当 d2d1d0 = 111,
2R 2R R I / 82R R I / 4 2R I UREF I/2 R uO
I I I UREF UREF UREF uO = −( + + )R = −( )R + + 2 4 8 2R 4R 8R UREF = − 3 (1× 22 +1× 21 +1× 20 ) 表达的一般形式 2 UREF uO = − 3 (d2 × 22 + d1 × 21 + d0 × 20 ) 2
数字电子技术
二、输入为 n 位二进制数时的表达式 当 D = dn-1 dn-2 … d1 d0
uO = − UREF 2n UREF uO = − n D = Ku ⋅ D 2 UREF 2n
数字电子技术
(dn−1 × 2n−1 + ... + d1 × 21 + d0 × 20 )
Ku — 转换比例系数
…
D
数字电子技术
三、D/A转换器的分类 1、按照解码网路的结构不同划分 1）T型电阻网络D/A转换器 2）倒T型电阻网络D/A转换器 3）权电流D/A转换器 4）权电阻D/A转换器 2、按照模拟电子开关电路的不同划分 1）CMOS开关型D/A转换器 2）双极型开关D/A转换器（电流开关型和ECL电流开关型） 在速度要求不高的情况下，可以选用CMOS开关型D/A 转换器。如果要求较高的转换速度，应该选择双极型电 流开关D/A转换器或者转换速度更高的ECL电流开关型 D/A转换器 数字电子技术 ECL：射 极耦合型 逻辑门电 路（2章）
uO 从 0 ∼ （1023 / 1024）UREF ）
输出与输入的关系
数码输入
d9 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 … 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0
二进制 A/D 线性
数字计算机
存储 分析 控制
二进制 D/A 线性
数字电子技术
模拟系统
物理 生物 化学
常见数模 数模、 二、 常见数模、模数转换器应用系统举例
压力传感器 温度传感器 流量传感器 液位传感器 物理量 四 路 模 拟 开 关 数 字 控 ADC 制 计 二进制 算 信号 机 DAC DAC DAC DAC 模拟控制器 模拟控制器 模拟控制器 模拟控制器 模拟信号
DAC
uO或iO
如 (1101)2 = 1 × 2 3 + 1 × 2 2 + 1 × 2 0 = 8 + 4 + 1 = 13 )
N10 = ∑di × 2i
i=0 n−1
2. 转换特性
7 6 5 4 3 2 1
可利用运算放大器实现运算 uO/V
001 010 011 100 101 110 111
数字电子技术
三、主要参数 D/A 转换器 5G7520 的主要参数
参数名称 分辨率 非线性度 转换时间 UREF 电源电压 功 耗 温度系数 单 位 位 全量程的 % ns V V mW FSR × 10–6/ºC
数字电子技术
参数值 10 ≤ 0.05 % ≤ 500 –25 ∼ +25 5 ∼ 35 20
模拟量 输出
求和网络
解码网络
1)数字量以串行或者并行的形式输入并存处于数码寄存器中 2)寄存器输出的每位数码驱动对应位上的电子开关的数位权 值送入求和网络 3)求和网络将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量
数字电子技术
二、输入、输出关系框图 输入、 1. D / A转换思路 转换思路
d0 d1 dn-1
数字电子技术
三、A/D转换过程 A/D转换过程
取样 保持 量化 编码
1、取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 2、保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。 保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。 3、量化：将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化 量化：将取样保持电路的输出电压， 到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化， 到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化，简称 量化。 量化。 编码：用二进制代码表示量化后的数值。 4、编码：用二进制代码表示量化后的数值。
1 2
n−1
1 1 = ≈ 0.00196 分辨率= 对于 5G7520 分辨率 9 2 − 1 511 当 UREF = 10 V 时，最小输出电压 uO = 19.6 mV
数字电子技术
−1
10.2 A / D 转换器（ADC） 转换器（ADC）
转换器的作用： 一、A / D 转换器的作用： 将时间连续、幅度也连续的模拟量转换为时间离散、 将时间连续、幅度也连续的模拟量转换为时间离散、幅 值也离散的数字信号。 值也离散的数字信号。 A/D转换器的分类 二、A/D转换器的分类 按照其工作原理的不同，可以划分为： 1、按照其工作原理的不同，可以划分为：
数字电子技术
二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 0 变为全 1，或由 为在大信号工作下（输入由全 ， 全 1 变为全 0）, 输出 电压达到某一规定值所需时间 。 ） 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 µs；包含 ； UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 µs。 。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 上升时间 换所需时间 TTR = ts + tr （tf） 下降时间 TTR（max） = ts+ UO（max） / SR （ ） （ ）
的电路结构（属于第一类） 1. 5G7520 的电路结构（属于第一类）
UREF d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 VDD 4 14 15 参考电压源，可正可负。 参考电压源，可正可负。 5 5G7520 6 7 16 Rf R 8 9 IO1 1 IO1 10 uO 11 2 IO2 12 13 3GND
数字电子技术
10.1.4 DAC 的转换精度、速度和主要参数 的转换精度、 转换精度(分辨率和转换误差 分辨率和转换误差) 一、转换精度 分辨率和转换误差 分辨率（ (一)分辨率（Resolution） ） 指 D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化 量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。 量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。 ULSB 1 分辨率= UFSR = 2n–1 LSB —Least Significant Bit FSR — Full Scale Range
– （1023 / 1024）UREF ） – （1022 / 1024）UREF ） … – （1 / 1024）UREF ） 0
数字电子技术
uO
3. 分辨率 单极性输出： 单极性输出： 分辨率 =
1 2n −1
5G7520 为 10 位 D / A 转换器， 转换器， 1 1 = ≈ 0.000978 分辨率 = 10 2 − 1 1023 当 UREF = 10 V时，最小输出电压 uO = 9.76 mV 时 双极性输出： 双极性输出： 分辨率 =
第10章数模与模 数转换器
崔春艳 电工电子教学部 信电学院3教-301
数字电子技术
第十章
wk.baidu.com
数模和模数转换器
10. 0 概述 10. 1 数 / 模转换器 10. 2 模 / 数转换器
数字电子技术
10.0 概述
模和模/数器是模拟 一、数/模和模 数器是模拟、数字系统间的桥梁 模和模 数器是模拟、 转换: 数 / 模（D / A）转换 Digital to Analog Converter （DAC） ） 模 / 数（A / D）转换: ）转换 Analog to Digital Converter （ADC） ）
生 产 控 制 对 象
三、A / D、D / A 转换器的精度和速度 、 精度保证转换的 保证转换的准确性 精度保证转换的准确性 速度保证 保证适时控制 速度保证适时控制
数字电子技术
… … … … …
10.1 D / A转换器（DAC） A转换器 DAC） 转换器（
一、N位 D/A转换器方框图 N位数字 量输入 数码寄存器 基准电压 N位模拟开关
10.1.5集成 集成DAC芯片举例 集成 芯片举例
按其内部电路结构不同，可以划分两类： 按其内部电路结构不同，可以划分两类：一类集成芯片内部 只集成了电阻网络（或恒流源网络）和模拟电子开关； 只集成了电阻网络（或恒流源网络）和模拟电子开关；另一 类则集成了组成D/A转换器的全部电路。 转换器的全部电路。 类则集成了组成 转换器的全部电路
Ku = −
10.1.3 D/A的 的 输出方式
单极性输出方式： ，－5~0V 单极性输出方式：0~5V，－ ，－ 双极性输出方式：－ 双极性输出方式：－2.5~＋2.5V ：－ ＋ 电阻网络
1、反相输出 、
UR 2R
D R C R B R A
2R I3 2R I2 2R I1 2R I0 RF
∞ 0 D3 0 D2 1 D1 1 D0 I +
数字电子技术
2. 应用电路 单极性输出 UREF > 0，uO < 0 ， 输入从 0000000000 ∼ 1111111111 变化时， 变化时，
UREF RW3 d0 ∼ d9 4
14
VDD
15 16 Rf
RW1
13
R 3
∼
IO1 IO2 –VEE 模拟输出 RW2 uO
1 5G7520 2 2
A+
uo
同P394图10.1.5(a)，反相输出 图 ， o = —iΣR v
数字电子技术
2、同相输出电路 、 vR
D0 D1 Dn－1 － 电 阻 网 络
iΣ
R R1 R1 R1 ＋ R2 － ＋ R2
vo
V－ = iΣR V＋ = vo = iΣR
得到vo = iΣR（1 ＋ R2 / R1 ） （
数字电子技术
(二)转换误差 为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压 间的最大误差。 间的最大误差。 可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最 低有效位（ 低有效位（LSB）的倍数表示。 ）的倍数表示。 如: ½ （LSB）= 输入为 00…01 时输出模拟电压 ） 的一半。 的一半。
1）比例系数误差：指实际转换特性曲线的斜率与理想特性 曲线斜率的偏差。 2）失调误差：由运算放大器的零点漂移引起，其大小与 输入数字量无关。 3）非线性误差：是一种没有一定变化规律的误差，一般用 在满刻度范围内，偏离理想的转移特性的最大值表示。
10.1.1 R-2R倒T形电阻网络 DAC( 以4位为例 ) 一、D/A 转换的电路组成
R 电阻网络 U REF I / 8 2R I / 4 2R I / 2 2R I R d0 d1 S1 d2 S2 I/2 S0 d0 d1 d2 电子 开关 2R R
uO
三、工作原理 当 d2d1d0 = 100,
求和运放
I = UREF / R
UREF R UREF I =− = − 3 ×1× 22 uO = − R 2R 2 2
数字电子技术
当 d2d1d0 = 110,
2R 2R R I / 82R R I / 4 2R I UREF I/2 R uO
I I UREF UREF uO = −( + )R = −( )R + 2 4 2R 4R UREF = − 3 (1× 22 +1× 21) 2