第7章 模数模转换

DAC的误差是指它在稳态工作时，实际模拟输 出值和理想输出值之间的偏差。分为绝对误差和 相对误差：
绝对误差：实际值与理想值之间的最大差值， 通常以VLSB或LSB的倍数来表示； 相对误差：绝对误差与满量程的比值，以满量 程（VFSR或IFSR）的百分数或百万分之几来表示。
7.2.2 DAC的主要技术参数
i=0
n1
vo iRf kI R f Dn k di 2i
i0
∑2
设：n = 3,则：v0 = -K di 2i
i=0
d0 ~…d2 000 d0 ~ d2 111
v0
0
…
K
v0 -7K
输出电压与输入数据的大小成正比。
7.1 D/A转换的基本原理 三、输入数字量与输出模拟量的关系
三位二进制数 字量输入和模 拟量输出的关 系。
7.3 集成ADC
二、双积分A/D转换器
7.3 集成ADC
1. 积分电路工作原理
ic C
vi ii R
A
v0
1t
v0 (t) - RC 0 vidt
v0 (0) 0
当vi (t) V（I 常数）时
ii (t)
=
vi (t) R
=
iC (t)
v0
(t)
-
VI RC
t
iC
(t)
C
dvC (t) dt
❖中速型：20~300 s，逐次比较型、 △型、V-F型
❖高速型：<20 s，并行型、串/并行型
7.3 集成ADC
7.3.2 ADC的工作原理
一、AD转换的基本原理
A/D转换的基本思路：对连续变化的模拟量在一系列 取定的时间的瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制 数表示出来。因此，采样后的模拟量还须要保持，以便 进行量化和编码等过程。所以，A/D转换过程一般要三步： 采样保持、量化和编码。
（1）简介
v0
=
-
VREF R 2n R
f
n-1 i=0
Di
2i=
-
VREF 210
9
Di 2i
i=0
7.2.3 集成DAC及其应用 （2）由AD7520构成的增益可编程放大器
Ii
vI
Ii
vI RF
-I
V0 R
D0 20
D121 210
D9 29
VRE
IΣ
F
RF R
7.2.3 集成DAC及其应用
解：根据
∑ v0
=
-
VREF R 2n R
f
n-1
Di 2i
i=0
∑ v0
-
10 24
3 i0
Di 2i
可得：
所以v0 的范围为：0～15×10/16 ＝ 9.375
第七章 作 业
P315 7-2 一个8位R-2R倒T型电阻网络DAC，当输入数据为 00000001时，V0=0.01V，当输入数据为01011111时，V0=？
∴v0
-
VREF 24 R
Rf
(d3 23
d2 22
d1 21
d0 20)
7.1.2 典型电路分析
v0
=
-
VREF 24 R
Rf
(d3 23
+
d2 22
+
d1 21
+
d0 20 )
（3）推论：当有n位二进制数时：
v0
=
-
VREF 2n R
Rf
(dn-1 2n-1
+
d 2n-2 n-2
++
d1 21
一、逐次比较型工作原理
7.3 集成ADC
7.3 集成ADC
逐次逼近型A/D转换器的特点：
转换速度：较快，对n位A/D转换器，转换一次的 时间为：T=(n+2)TCP。 转换精度：主要决定于其中的D/A转换器的位数、 线性度、电子开关压降、参考电压稳定度，以及 模拟电压比较器的灵敏度等。由于集成电路制造 工艺的完善，A/D转换器的精度已可达±0.005%。
并 行 数
（MSB)
dn-1 dn-2
字
输
入 （LSdB0)
… …
Rf
i
D/I
A
v0
7.1 D/A转换的基本原理
并 行 数
（MSB)
dn-1 dn-2
字
Rf
i
D/I
A
v0
… …
输
入 （LSdB0)
∑n-1
i = KI Dn = K I (dn-1 2n-1 + dn-2 2n-2 + + d1 21 + d0 20 ) = K I di 2i
7.3 集成ADC
（3）转换时间
➢ 完成一次完整的转换所需的时间，也就 是从发出对输入模拟信号进行采样的命令 开始，直到输出端产生完整而有效的数字 量为止的时间。
➢ 转换时间反映了工作速度，并行型 ADC的速度最快。
7.3 集成ADC
（4）输入模拟电压范围
ADC允许输入模拟电压的极限范围， 超过该范围ADC将不工作。 例如积分型和逐次比较（逐次逼近）型 ADC的输入电压范围：≤︱Vref ︱ 。
仿真实验
7.1.2 典型电路分析
一、四位倒T型网络D/A转换器
（1）特点： Vref
❖只有二种电
RRR
阻值R和2R， 精度可以做得
2R 2R 2R 2R 2R
很高；
S3
S2
S1
S0
Rf
❖开关切换时 流过支路电流 不变，没有过 渡过程，转换 速度很快。
d3 d2 d1 d0
A
v0
7.1.2 典型电路分析
7.3 集成ADC
7.3.1 ADC的类型
(1)按结构分有： ❖ 仅集成了量化编码电路 ❖ 集成了S-H电路和量化编码电路 ❖ 配有各种外围电路的ADC
(2)按工作原理分有： 计数型、逐次比较型、双积分型和V-F变换型
7.3 集成ADC
(3)按转换时间分类，ADC可分为：
❖低速型：>300 s，双积分型、部分△型(增量调制型 )
二、AD7543 1.AD7543封装及逻辑框图
2.变换原理电路
二、AD7543
3.控制时序图
二、AD7543
AD7543的功能表见P297表7-1
4.应用电路（1）
二、AD7543
4.应用电路（2）
二、AD7543
第七章 作 业
P315 7-1 4位R-2R倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=10V， 试求出该DAC输出电压范围。
+
d0 20 )
当R = Rf 时
∑ v0
- VREF 2n
n-1
di 2i
i0
7.2 集成DAC及其应用
7.2.1 D/A转换器的电路组成
反馈电阻R
电阻网络
模拟开关
7.2.2 DAC的主要技术参数
一、分辨力：是DAC能够分辨最小输出电压的能力
分辨力 =
ΔV0 ( LSB ) V0(max)
=
（二） DAC 0832的倒T型网络
7
VREF Di
IOUT1
0
256 R
7
VREF [28 Di 1]
IOUT2
0
256 R
7.2.3 集成DAC及其应用
DAC0832的直通型工作方式
两个锁存器均处于常通状态中，锁存器输出跟随数字输 入而变化， D/A转换器的输出亦随之变化。
P298 图7-9示出 MCU与DAC0832 的直通连接电路
,
i 22
,
i 23
,
i 24
7.1.2 典型电路分析
❖当输入二进制数的 某一位高电平时，对 应支路的电流流向反 相端，反之流向地。 因此,流向反相端的电 流有：
i01
i 2
d3
i 4
d2
i 8
d1
i 16
d0
=
VREF R
1 24
(d3 23
+ d2 22
+ d1 21
+ d0 20 )
i01 = -i f
∑ 解：根据
v0
=
-
VREF R 2n R
f
n-1
Di 2i
i=0
可得：
0.01 - VREF 20 256
由此得VREF = -2.56V
当输入数据为01011111时
v0
-
2.56 256
(26
24
23
22
21
20 )
＝0.95V
基准电压 输入电压
7.3 集成A输D出C数据
输入时钟
7.3 集成ADC
vi RF
vi R
V0 R
D0
20
D121 210
D9
29
vi
D0 20
D121 210
D9 29
V0
AV
V0 vi
D0 20
210 D9 29
上式表明：放大器的增益可以通过数 字编程进行调整。
7.2.3 集成DAC及其应用
二、DAC 0832
（一）DAC 0832功能框图
7.2.3 集成DAC及其应用
-C
dv0 (t) dt
dv0
(t
)
-
vi (t) RC
dt
∫ v0
(t
)
-
1 RC
t
0 vidt v0 (0)
7.3 集成ADC
2. 比较器工作原理
v0 (t) VCC
vi
vi
时
v0 (t) 0 vi vi时
3. 计数器工作原理
vi-
A
vi+
v0 VCC
0
v0 vi
n+1位计数器。其中n位计数用于获得积分 时间T1，第n+1位触发器用于控制开关S1的 切换。
1 2n -1
V0 =2n-1 个△V0
V0(max)
V0(LSB)
V0(LSB)
V0(max)
7.2.2 DAC的主要技术参数
二、建立时间
建立时间也称为工作速度： （10-9s数量级） 从输入满刻度的数字量，到输出模拟量达到
额定值U0(LSB)所需的时间。
7.2.2 DAC的主要技术参数
三、DAC的误差
（2）工作原理分析
i
i/2
i/4 i/8 i/16
Vref ❖ 网络部分的总
电阻为R
2R
RR i/2 i/4
2R 2R
R i/8
i/16
2R 2R
❖流过参考电 源VREF的总电流 为：
S3
S2
S1
S0
io1
Rf if
i VREF R
io2
A
v0
d3 d2 d1 d0
❖而流过每一个节点 i 的电流依次降低一半： 2
=
2n TC VREF
×vI
D T2 TC
2n VREF
vI
双积分式A/D转换器的特点：
（1）由于采用了积分器，抗干扰能力强；两次积分用同 一个积分器，使输出结果与积分参数无关(见表达式)， 精度高；
（2）vI与VREF的极性相反，且vI ≤ VREF；
（3）由于积分过程需要较长的时间，而且第一次积分时 间固定为2nTC，因此该类型的A/D转换器的转换速度较慢， 通常＞300 s 。
7.3 集成ADC
2. 量化和编码
将取样后的值用一个最小(量化)单位的整数 倍来表示，由于一个值不一定正好能分割成最小 单位的整数倍，因此，必须对取样值进行取整归 并，这种取整归并的方法和过程称量化。取整归 并(即量化)的方法有两种：
❖舍尾取整法：舍去不足一个量化单位的尾部， 取其整数。
(K -1)S ≤vi < KS
(1) 准备阶段 ----清零
(2) 第一次积分阶段
T1=2ｎTC为恒定。
∫ vP
1 =-τ
T1 0
vI
d
t
(τ = RC)
T’2
=
- vIT1 τ
=
- vI τ
(2nTC )
(3) 第二积分阶段
∫ 1
0=τ
T2 0
-
VREF
dt
+
vP
vP
=
- VREFT2 τ
7.3 集成ADC
T2
= - τvP VREF
第七章 数模与模数转换器
基本要求： （1）了解A/D、D/A转换转换器的基本概念 （2）了解A/D、D/A转换器的工作原理 （3）熟悉集成A/D、D/A转换器的应用方法
7.1 D/A转换的基本原理
7.1.1 DAC的基本概念
一、作用：将输入数字量变换成模拟量输出。
二、基本思路：将输入的二进制数按其位权的大小先转 换成与之成正比的电流量(I)，然后将该电流再转换成模 拟量电压输出(V)，即D→I，I→V输出。实现数字量—模 拟量转换的电路框图如下：
7.3 集成ADC 7.3.4 ADC的主要技术参数
一、主要的静态参数：
（1）分辨率 所能分辨的输入模拟量的最小值，n位二
进制ADC的分辨率为：
模拟电路和开关电路的噪声限制了分辨率的提高
7.3 集成ADC
（2）转换误差——转换精度
有绝对误差和相对误差两种表示方法： ➢ 绝对误差——与数字量对应的理论模拟值与 产生该数字量的实际输入模拟值之间的差值， 其度量单位通常为数字量的位数； ➢ 相对误差——绝对误差与最大输入模拟值 （FSR）的百分比。
例：一个满量程电压VFSR为8V的12位DAC，如果 其绝对误差为±1 LSB，则其绝对误差电压为:
LSB
8 212 1
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0.00195V
1.95mV
故绝对误差为： ±1.95mV。
相对误差为： ±1.95/8000 = ± 0.0244%
7.2.3 集成DAC及其应用
∑ ∑ 一、 AD7520
1. 采样定理和采样—保持电路
❖采样定理(奈奎斯特定理):要使模拟信号采样后
能够不失真还原,采样频率必须大于信号最高频
率的两倍
fS ≥2 fimax
7.3 集成ADC
在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差 下，采样脉冲频率常按下式选取：
fS = (2.5 ~ 3) fimax
❖ 采样保持工作原理
vi* = (K -1)S
S
=
Vim 2n
称为量化单位
em = vi (t) - vi*(t) = ±1S
7.3 集成ADC
2. 量化和编码
❖四舍五入量化法：大于S/2量化单位的尾部归整， 舍去小于S/2量化单位的尾部。如当S=1V时，
vi = 3.6V 时量化值 vi* = 4S ；可见，这种量化
方法时的最大量化误差为：
em = vi (t) - vi*(t) = ±0.5S
量化单位
S
=
Vim 1
2n -
=
2Vim 2n+1 -1
2
7.3 集成ADC 7.3.3 常用ADC工作原理
一、逐次比较型工作原理
量化 单位
?
若参考量为R，则 D≈A/R
7.3 集成ADC
7.3.3 常用ADC工作原理