第14章数模与模数转换电路

模拟量：
uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
(K为比例系数)
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第14章
组成D/A转换器的基本指导思想：将数字量按
权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。
n位D/A转换器方框图
D/A转换器的种类很多,主要有： 权电阻网络DAC、 T形电阻网络DAC 倒T形电阻网络DAC、 权电流DAC
时的输出电压。 对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：
1
分辨率 ＝ 2 n 1
位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就 越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。
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第14章
2. 转换速度
D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟 输出电压所需要的时间称为转换速度。
…
…
n-1
D n-1D n-2 D n-3…D11
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u0 (V) 0.5UREF 0.75/0.25UREF … … …
uI>uO？ 1（D n-1为1）/0（D n-1为0） 1（D n-2为1）/0（D n-2为0） 1（D n-3为1）/0（D n-3为0） … 1（D 0为1）/0（D 0为0）
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14.1.2 倒T形电阻网络DAC
1. 电路组成
求和集成运
双向模拟电开路关由解码网络、模拟开关、求和放算大放器大和器基准
D＝电1时源接组运成放。
D＝0时接地
基准参 考电压
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R－2R倒T 形电阻解 码网络
倒T型电阻网络DAC原理图
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典型数字控制系统框图
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14.1 D/A转换器
14.1.1 D/A转换基本原理
数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。
数字量： (D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 (1101) 2 ＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
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（1）电路组成
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① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分； Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。
② 检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜ 0时，uC＝1。
③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一
次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固
定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到 时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是 将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。
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第14章 数模与模数转换电路
➢ 14.1 D/A转换器
➢ 14.2 A/D转换器
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本章要求：
1. 掌握D/A和A/D转换器的功能，工作原理和主要参数；
2.了解电阻网络D/A转换器的店里结构特点，工作原理。 并联比较型、逐次逼近型和双积分型A/D转换器的 电路结构特点，工作原理；
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2. 双积分型A/D转换器
基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF 分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正 比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频 率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模 拟信号的数字量信号。
（1）电路组成
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③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次 计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定 2020时时将C/④9QP间Q时/①②2脉n3n=T间＝1冲积检时1，＝间1通分 零钟，对2隔过器 比脉n使基TT门： 较c冲S2准（变1G器从控Q电T成1nC加cA制=图压为脉：点0到门7，-C冲-当当U转计G1P对R1个uu接脉1E数：OOF被数≥进＜到双冲器当0测N积行0B的时输u时保电点分C积周，入，存型压。=分期u端1A下uCu第时D。）C＝I。C进来＝二电，，0行。1；路次门T。积计1G时分1数打间；，开到是，
实例
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8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，
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uI>uO为1 否则为0
D/A转换器基准电压 UREF=10V。
CP
D7D6D5D4D3D2D1D0
u0 (V)
uI>uO
0 10000000
5
1
1 11000000
7.5
0
2 10100000
6.25
1
3 10110000
6.875
0
4 10101000
6. 5625
1
5 10101100
6.71875
1
6 10101110
6.796875
1
7 10101111
6.8359375
1
相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。
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图7-10 8位逐次比较型A/D转换器波形图
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1. D/A转换器AD7520 AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理
器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通 用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。
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图7-3 AD7520内部逻辑结构图
该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反 馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。
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因此输出电压可表示为 ：
对于n位的倒T形电阻网络DAC，则 ：
由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成 正比，实现了数模转换。
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电路特点：
（1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻， 这对于集成工艺是相当有利的；
（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直 接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传 输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。
y(t) 才 可 以 正 确的反映输入信号 (从而能不失真地恢 复原模拟信号)。
2020/9/23 图7-7 采样过程示意通图常取fs ＝（2.5～3）fmax 。
（2）由于A/D电转换子需技要术一定基的础时间，在每次采第1样4章
以后，需要把采样电压保持一段时间。
图7-8 采样―保持电路及输出波形
3. 了解常用集成D/A和A/D转换器的应用。
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第14章 数/模和模/数转换
模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。
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），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器 （简称ADC）；
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），实现数/模转换的电路称为D/A转换器 （简称DAC）。
2. 工作原理
由于集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地， 所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、 B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。
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因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、
I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，
由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故 流入运算放大器的总电流为：
具体使用时需要外接集成运算放大器和基准 电压源。
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D0～D9：数据输入端 IOUT1：电流输出端1 IOUT2：电流输出端2 Rf：10KΩ反馈电阻引出端Vcc： 电源输入端
UREF：基准电压输入端 GND：地。
图7-4 AD7520外引脚图
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逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。
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n位A第/D14转章 换器
基准电压 UREF
电路由启动脉冲启图动7-9后逐: 次逼近型ADC电路框图
CP
D n-1D n-2 D n-3…D1D0
0
1 0 0… 00
1
D n-1 1 0… 00
2
D n-1 D n-2 1… 00
△。
将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△ 的整数倍的过程叫做量化。
用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做 编码。
一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化 过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。 量化级分得越多（n越大），量化误差越小。
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IID 3ID 2ID 1ID 0 2 4 8 16
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由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因
此从UREF流出的电流为：
I U REF R
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故 ：I U 2 4 R R E (3 D F 2 3 D 2 2 2 D 1 2 1 D 0 2 0)
第14章
图7-5 AD7520组成的锯齿波发生器
图7-5 AD7520组成 的锯齿波发生器
10位二进制加法计数器从全 “0”加到全“1”，电路的模拟输 出电压uo由0V增加到最大值。
如果计数脉冲不断，则可在
电路的输出端得到周期性的锯齿 波。
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7电.2子A技/D术转基换础
第14章
7.2.1 A/D转换基本原理
A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模 拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。
四个步骤：采样、保持、量化、编码。
1. 采样与保持 （1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成
时间上离散的模拟量称为采样。
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电子技术基础 取样定理：第1设4章
取样脉冲s(t)的频率 为fS，输入模拟信 号x(t)的最高频率 分量的频率为fmax， 必须满足 fs ≥ 2fmax
不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约 在几微秒到几十微秒的范围内。
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第14章
3. 转换精度 转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论
输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程
输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器 的误差小于ULSB/2。
例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如 果 误 差 为 1% ， 就 意 味 着 输 出 电 压 的 最 大 误 差 为 ±0.1V。百分数越小，精度越高。
5. 温度系数
在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化 而变化的量，称为DAC的温度系数。
一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输 出电压变化的值。
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7.1.4 集成D/电A转子换技器术及基其础应用
第14章
常 用 的 集 成 DAC 有 AD7520 、 DAC0832 、 DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里 仅对AD7520作简要介绍。
转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益
误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有 关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及 D/A转换器的位数有关。
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第14章
4. 非线性误差
通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值 之间偏差的最大值定义为非线性误差。
D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及 运算放大器的非线性引起。
s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI的变化而变化；
s(t)无效期间，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变， 直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗， 在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）
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2. 量化和编码 电子技术基础
第14章
数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位
第14章
AD7520的主要性能参数如下：
分辨率：10位 线性误差：±(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低 位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则 为0.05%FSR。 转换速度：500ns 温度系数：0.001%/℃
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2. 应用举例 （组成电锯子齿技波发术生基器础）
因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。
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第14章
14.1.3 DAC的主要技术参数
1.分辨率
分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出 电压之比。
输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最
低位为1，其余各位均为0时的输出电压。 满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1
划分量化电平的两种方法 （a）量化误差大；（b）量化误差小
7.2.2 A/D转换电器子工技作术原理基础
第14章
直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器
间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器
1. 逐次比较型A/D转换器
天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次 比较，保留/移去，相加。