数模、模数转换电路

… … … …
7.1 D / A转换器（DAC）
一、D/A转换器的基本原理
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的 模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量， 从而实现数字/模拟转换。
N 10 d i 2i
i 0
D0 D1
n1
可利用运算放大器实现运算
7 6 5 4 3 2 1
求和运放
U REF R U REF I 2 3 1 2 uO R 2R 2 2
当 d2d1d0 = 111,
2R
2R
R
I / 82R
R
I / 4 2R
I I/2
UREF
R uO
I I I U REF U REF U REF uO ( ) R ( )R 2 4 8 2R 4R 8R U REF 2 1 0 3 (1 2 1 2 1 2 ) 表达的一般形式 2 U REF 2 1 0 uO 3 (d 2 2 d1 2 d 0 2 ) 2
uO
3. 分辨率 单极性输出： 分辨率
1 2n 1
5G7520 为 10 位 D / A 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 双极性输出： 分辨率 =
1 2
n1
1 1 对于 5G7520 分辨率= 29 1 511 0.00196 当 UREF = 10 V 时，最小输出电压 uO = 19.6 mV
当di=0时，Si将电阻2R接地。
与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。
二、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 d d 1 2 S0 S1 S2 I/2 d0 d1 d2 电子 开关 2R R
uO
三、工作原理
当 d2d1d0 = 100, I = UREF / R
二、转换过程举例
输出偏移
uI
比 较 器
C
uO
/2 +
读出控制
3 位 D/A
d2
FFA 1S
d1
FFB 1S
d0
FFC

d2
uC
Q 1R
百度文库
Q 1R
≥1
Q 1S 1R
≥1
d1
d0
逐次渐近 寄存器 控制逻辑 电路 Q5



CP
Q1
Q2 Q4 Q3 5位环行移位寄存器
R S Q n+1 功能 n Q 0 0 保持 0 1 1 置1 置0 1 0 0 1 1 不用 不许
输出电压：
R f VREF vO i R f 4 R 2
i ( D 2 i ) i 0
3
(LS B) D0
D1
D2
(MS B) D3
Rf
iΣ
A
+
vo
S0 2R 2R I 16 R I 16 I 8 2R
S1 I 8 R I 4 2R
S2 I 4 R I 2 2R
S3 I 2 +V RE F I
2 = 2/8
1 = 1/8 0 = 0
3/15
1/15
000
0
000 0 = 0 = / 2 = (1/15)V
最大量化误差 = = (1 / 8) V
●量化误差
7.2.3 逐次比较型A/D转换器
转换原理：
有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：
G≈d3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0
t1
t1 = N1TCP = 2nTCP
ＵREF
t1
t2
U REF uo ( t 2 ) uo ( t1 ) t2 0 RC
t2 = N2TCP = DTCP
积分器输出
u ｏ ( t)

N1ＴCP

N2ＴCP
UI t2 t1 U REF
UI n UI D N2 2 n = UI / U REF U REF / 2
三、输入为 n 位二进制数时的表达式
当 D = dn-1 dn-2 … d1 d0
uO U REF 2n U REF uO n D K u D 2 U REF 2n (d n1 2n1 ... d1 21 d 0 20 )
Ku — 转换比例系数
Ku
模拟系统
物理 生物 化学
Óȯ ¼  加热炉
¶ Πȼ ì² â
温度 检测
ź Ð Å´ ¦À í
信号 处理
采样 -³ ÉÑ ² ù¡ ª£ ± Ö 保持
功率
¦Â ¹ Ê¿ ØÆ Ö
控制
D/A D/A± ä» 转换
ÆË ¼ ã» ú¿ ØÖ Æ
计算机 控制
A/D A/D± ä» 转换
测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信 号经放大、滤波，送入模数转换电路，经 A/D 转换器把电压信号 转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根 据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数 字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。
uC 0 0 0 1 0 0
d2 d1 d0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0
7.2.4 双积分型 A/D 转换器 一、电路组成
电容 C S2 放电
uI
基准电压
S1
转换思路： 模拟输入 uI t t 控制计数 CP 个数 输出二进制数
CO＝ 0 1
C
电源电压 功 耗
温度系数
V
mW FSR 10–6/º C
四、集成DAC芯片举例 1. 5G7520 的电路结构
UREF d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 VDD 4 14 15 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
CP Q1 Q2Q3 Q4 Q5 QA QB QC uI/V
1 2 3 4 5
0 1 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 1 0
1 0 0 0 0 1
0 1 1 1 1 1
0 0 1 1 1 1
0 0 0 1 0 0
5.9
uO/V uO/V 0 – 0.5 4 3.5 6 5.5 7 6.5 6 5.5 6 5.5
uO/V
. . .
D/A转换器
vo
输出
Dn-1 输入
001 010 011 100 101 110 111
D
二、D/A 转换的电路组成
2R
2R d0 电子 开关
R
2R d1
R 电阻网络
2R d2
d1
UREF R
S0
d0
S1
S2
d2
uO
求和运放
当di=1时， Si 接运算放大器反相输入端（虚地），电流 Ii流入求 和电路；
uｏ
C
<0
逻辑 控制门 定时器
n 位二进制
计数器
&
ＴCP
CP
1
每进行完一次 2n 进制计数，定时器置 1， S1 合向基准电压
d n –1 d0 0 01 10 11 … … 101 1 00
二、工作原理
积分器输入
ＵI
uI
固定时间
1 UI uo ( t1 ) uI dt t1 RC 0 RC
单位 电压
7.2.5 并联比较型A/D转换器 UREF uI 比较器 寄存器 R /2
编码器 d2 1 0 1
&
uI
uI uI u u II
13 U 15 REF
0 0 1
1D 1D
11 U 15 REF 9 U 15 REF 7 U 15 REF 5 U 15 REF
R R R R R
1 1 0
1
7.2 A / D 转换器（ADC）
7.2.1 A /D 转换的一般步骤和取样定理 一、模拟量到数字量的转换过程 模拟量 u I ( t) S
C
数字量
u I ( t)
ADC的 量化编码 电路
dn-1 d1 d0
取样保持
量化编码
…
（S / H — Sample / Hold）
取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。
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
生 产 控 制 对 象
三、A / D、D / A 转换器的精度和速度 精度保证转换的准确性 速度保证适时控制
0 1 0
0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1

模拟输出 – （1023 / 1024）UREF – （1022 / 1024）UREF … – （1 / 1024）UREF 0
d9 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0
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 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0
因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。 编码
把量化的数值用二进制代码表示。
划分量化电平的两种方法
模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平
1V
7/8
6/8 5/8 4/8 3/8
111
7= 7/ 8
6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/8 3 = 3/8
保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。
二、取样定理 当满足 fs ≥ 2 fimax 时, 取样信号可恢复原信号。 fs — 取样频率。 fimax — 信号的最高频率分量。 uI
A( f )
O
t
O
uI t
fimax
fs– fimax f
O
三、量化和编码 量化单位 数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小， 用 表示（即 1 ）。 量化 把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。 量化误差
110
101 100
1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15
111 7 =14/15
110 6 = 12/15 101 5 = 10/15
100 4 =8/15 011 3 = 6/15 010 2 = 4/15 001 1 = 2/15
011
010 001
2/8
1/8 0
7.1.2 DAC 的转换精度、速度和主要参数 一、转换精度 ULSB 1 (一)分辨率（Resolution） 分辨率= U = 2 n– 1 指 D/A 转换器模拟输 LSB —Least Significant Bit 出产生的最小电压变化量 FSR — Full Scale Range 与满刻度输出电压之比， (二)转换误差 也可用输入的位数表示。 为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最 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（LSB）的倍数表示。 如: ½ （LSB）= 输入为 00…01 时输出模拟电压 的一半。
di
1 有效 0 无效
7.2.3 逐次渐近型 A/D 转换器
一 、基本工作原理电路 3.2V uI
比 较 器
3V 4V 2V 8V D/A 1 0 0100 0010 0011LSB MSB1000
逐次渐近 寄存器
参考 电源
转换控制信号
时钟 信号
MSB
LSB
并行数字输出
0011
完成一次转换的时间=（n+2)Tcp
概述
一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁 数 / 模（D / A）转换: Digital to Analog Converter （DAC） 模 / 数（A / D）转换: Analog to Digital Converter （ADC）
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
UREF 2. 应用电路 VDD RW3 单极性输出 RW1 14 15 UREF > 0，uO < 0 16 Rf d0 d9 4 输入从 0000000000 R IO1 13 1 1111111111 变化时， IO2 uO 5G7520 2 uO 从 0 （1023 / 1024）UREF 3 2 –VEE RW2 输出与输入的关系 数码输入
FSR
二、转换速度 （ 1 ）建立时间（ tset ） —— 当输入的数字量发生变化 时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最 短可达0.1μ S。 （ 2 ）转换速率（ SR） —— 在大信号工作状态下模拟 电压的变化率。
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 单 位 位 全量程的 % ns V 参数值 10 ≤ 0.05 % ≤ 500 –25 +25 5 35 20