数电――第九章 AD与DA转换

9.1D/A转换器9.2A/D转换器《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧教学基本要求1.掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算。2.掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。3.正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧A/D转换器D/A转换器模拟控制器工业生产过程控制对象模拟传感器ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制计算机概述《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧9.1D/A转换器将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量9.1.1D/A转换器的基本原理DAC模拟量A=KDO=–KNB《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量--模拟量的转换。①实现D/A转换的基本思想ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20将二进制数ND＝(11001)B转换为十进制数。01234567001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1...vo输入输出vo/VD000《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧②D/A转换器的组成:数码寄存器n位模拟开关解码网络求和电路基准电压n位数字量输入模拟量输出DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧③实现D/A转换的原理电路)iiii(R0123OfvRDVi33REF8RDVi224REFRD2V1REF1iRDVi0REF0iiiODV)DDDD(V222223000112233REFREFv《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧④D/A转换器的分类:按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转换器《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制，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；当Di=0时，Si将电阻2R接地。所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣf1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧基准电流I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣf1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622)2(2)2222(30413223140iiiREFREFDRVDDDDRVi流入求和电路总电流：输出电压：)2(2304OiiiREFffDVRRRiv《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧将输入数字量扩展到n位，则有：)]2([210iniinREFfODVRRv可简写为：vO=－KNB（NB表示括号中的n位二进制数），其中：nREFfVRRK2《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧9.1.3权电流型D/A转换器倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣfI24I8I16IVREFD《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣfI24I8I16IVREFD采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+AvoiΣf+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1REFRVR+VR—V《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧9.1.4D/A转换器的输出方式1.单极性输出8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系2.双极性输出（略）《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧四．D/A转换器的主要技术指标1.转换精度：D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。（1）分辨率：D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。（2）转换误差：转换误差的来源很多，转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器的零漂的影响等2.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0.1μS。（2）转换速率（SR）：大信号工作状态下模拟电压的变化率。3.温度系数：在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧9.2A/D转换器一．A/D转换的一般步骤和取样定理CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路...DDDn-110Iv（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧取样定理：imaxS2ff因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。tIvovoStoA（f）fimaxfimaxffs《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧量化和编码在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。量化的数值用二进制代码表示，称为编码。00000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81VΔΔΔΔΔΔΔΔ01234567========(7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151/150ΔΔΔΔΔΔΔΔ01234567========(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150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（a）（b）《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧RRifIvLvTAChvoN沟道MOS管T作为开关用。当控制信号vL为高电平时，T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。则充电结束后vO=－vI=vC。当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。二．取样—保持电路《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧三．并行比较型A/D转换器（3位）CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321组成：电压比较器、寄存器和代码转换器三部分用电阻链把参考电压VREF分压，得到7个比较电平。然后，把这7个比较电平分别接到7个比较器C1～C7的输入端作为比较基准。同时将将输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入端上，与这7个比较基准进行比较。《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧输入模拟电压寄存器状态数字量输出（代码转换器输入）（代码转换器输出）QQQQQQQ7654321DDD210vI~15()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~11033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111并行比较型A/D转换器真值表四．逐次比较型A/D转换器（略）五．双积分型A/D转换器（略）《数字电子技术基础》第九章模数与数模转换器主讲：何玉钧六．A/D转换器的主要技术指标1.转换精度（1）分辨率：说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。（2）转换误差——它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转换时间——指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。