第9章 数―模和模―数转换

第9章数—模和模—数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称模数转换器AnalogtoDigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器DigitaltoAnalogConverter，简称D/A转换器或DAC。计算机模拟信号模拟信号A/DD/A9.1D/A转换器9.1.1D/A转换器的基本原理D/A转换器…1nd2nd1d0dMSBLSBoV（或）oIn位二进制数输入模拟电压输出121012102222nnnnDdddd输出模拟量1210OO1210()(2222)nnnnVIKDKdddd或二进制数D的按权展开式为按照译码网络的不同分类：权电阻网络D/A转换器、倒T形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器等。下面仅介绍权电阻网络D/A转换器和目前集成D/A转换器中常用的倒T形电阻网络D/A转换器。9.1.2权电阻网络D/A转换器+-∞VVR2R22R32R3d2d1d0dREFV3S2S1S0S3I2I1I0IF(/2)RRiAOV(MSB)(LSB)4位权电阻网络D/A转换器主要由权电阻网络、模拟开关、求和运算放大器和基准电源VREF四部分组成。+-∞VVR2R22R32R3d2d1d0dREFV3S2S1S0S3I2I1I0IF(/2)RRiAOV(MSB)(LSB)REF33VIdRREF222VIdRREF1122VIdRREF0032VIdROFF3210()VRiRIIII3210REF32104(2222)2Vdddd对于n位的权电阻网络D/A转换器:1210REFO1210(2222)2nnnnnVVdddd特点：结构比较简单，所用的电阻元件数很少。缺点：各个电阻的阻值相差较大，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。9.1.3倒T形电阻网络D/A转换器+-∞VV2R2R2R2R3d2d1d0dREFV3S2S1S0S2I4IRiAOV(MSB)(LSB)2R8I16IRRR2I4I8I16II当某位数码为1时，相应的开关将电阻接到运算放大器A的反相输入端（求和点虚地）；当某位数码为0时，相应的开关将电阻接到运算放大器的同相输入端（地）。II/16VREF2R2R2R2R2RRRRI/8I/4I/2REF/IVR321024816IIIIidddd3210REFO32104(2222)2VViRdddd对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器：1210REFO1210(2222)2nnnnnVVdddd倒T形电阻网络D/A转换器的特点是：1.电阻种类少，只有R和2R两种，有利于提高制作精度;2．模拟开关在地和虚地之间转换，不论开关状态如何，各支路的电流始终不变，因此不需要电流建立时间；3．各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。9.1.4集成D/A转换器及主要技术参数1．集成D/A转换器+-∞2R2R2R2R9d8d7d6dREFV9S8S7S6SRAOV(MSB)2RRRR2R2R2R2R5d4d3d2d5S4S3S2SRRR2R2R1d0d1S0S(LSB)RRRF16()Rout11()Iout22()I1545678910111213143GNDAD7520DDVAD7520的电路的输入为10位二进制数，芯片内只含倒T形电阻网络、CMOS电流开关和反馈电阻R（10K）。设基准电压VREF=-10V，则10V/10kΩ=1mAI当输入数字量d9d8…d0均为1时，输出电压O255(10)9.96V10V256V当输入数字量d9d8…d0均为0时，输出电压O0VV2．主要技术参数（1）转换精度：分辨率、转换误差分辨率：指对输出最小电压的分辨能力，定义为最小输出电压VLSB（此时输入数字代码中只有最低有效位为1，其余各位均为0）与最大输出电压VOM（或称满量程输出电压，即此时输入数字代码中各位均为1）之比。分辨率如输入数字代码为10位的AD7520的分辨率10110.001102321此时若输出模拟电压满量程为10V，则其能够分辨的最小电压为100.01V1023转换误差：通常用输出电压满量程FSR（FullScaleRange的缩写）的百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。如，转换误差为1LSB2表示输出模拟电压的绝对误差等于最小输出电压的一半。LSBV（2）转换速度通常用建立时间tset来定量描述D/A转换器的转换速度。9.2A/D转换器9.2.1A/D转换器的基本原理A/D转换器的功能是将模拟量的输入转换成数字量的输出。一个完整的A/D转换过程，通常要经过取样和保持、量化和编码步骤。取样：将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量过程。保持：保持取样信号，使有充分时间转换为数字信号。+-∞AOViV()StTC取样保持电路量化：把取样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。方法一般有两种：只舍不入、有舍有入。编码：把量化的结果用二进制代码表示。只舍不入取量化单位nm/2V0–∆之间的模拟电压归并到0∆∆–2∆之间的模拟电压归并到1∆此方法产生的最大量化误差为∆…有舍有入取量化单位n+1m2/(21)V0–∆/2之间的模拟电压归并到0∆∆/2–3∆/2之间的模拟电压归并到1∆此方法产生的最大量化误差为∆/2…按工作原理：直接A/D转换器和间接A/D转换器两类。直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器间接A/D转换器：双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器9.2.2逐次逼近型A/D转换器+-∞A控制逻辑逐次逼近寄存器D/A转换器输出缓冲器转换控制信号时钟脉冲模拟输入iV模拟输入REFV1nd2nd1nD2nD0d0D电压比较器…SVRV主要由电压比较器、D/A转换器、控制逻辑、逐次逼近寄存器和输出缓冲器等部分组成。逐次逼近型A/D转换器是直接转换A/D转换器的一种电路。（1）转换开始前先将寄存器清零。工作原理（2）转换控制信号VS变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置为1，其它位置置0，使寄存器的输出为100…00。（3）将该数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压VR。（4）比较，若VRVi，说明数字过大了，则这个1应取掉；若VRVi，说明数字还不够大，这个1应予保留。（5）再按同样的方法将次高位置1，并比较VR与Vi的大小以确定这一位的1是否应当保留。（6）依次逐位比较下去，直到最低位比较完为止，这时寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量。以3位逐次逼近型A/D转换器为例1J1KC1SR1J1KC1SR1J1KC1SR+-∞A1寄存器&CLKSViVRV3位D/A转换器2d1d0d2Q1Q0Q2D1D0DREFVOCOC2FF1FF0FFCLK0CLK1CLK2CLK34节拍脉冲发生器012314节拍脉冲发生器CLKCLK0CLK1CLK2CLK3上述分析过程中采用的是只舍不入的量化方法，如VREF=8V，取样电压值Vi=4.8V时,其转换结果D2D1D0=100,量化值为4∆=4V，偏差0.8V。为了减少量化误差，应采用有舍有入的量化方法。可以采用在3位D/A转换器的输出级加一个偏移电路的方法。1J1KC1SR1J1KC1SR1J1KC1SR+-∞A1寄存器&CLKSViVRV3位D/A转换器2d1d0d2Q1Q0Q2D1D0DREFVOCOC2FF1FF0FFCLK0CLK1CLK2CLK34节拍脉冲发生器0123+-/219.2.3双积分型A/D转换器+-∞A+-∞C控制逻辑时钟脉冲源计数器iV模拟输入REFV1S0S1L0LRCOVGVSV0Dn-2Dn-1DCLK转换控制积分器过零比较器（控制开关）1S（控制开关）0S主要由积分器、过零比较器、计数器、控制逻辑和时钟脉冲源等几个部分组成。双积分型A/D转换器是常用的一种间接A/D转换器。转换控制信号VS=0，将计数器清零，并接通开关S0，使积分电容C完全放电，同时开关S1合到输入信号Vi一侧。转换控制信号VS=1时开始转换：第一次积分阶段，S0断开，积分器对Vi进行固定时间T1的积分。1i1Oi01TVTVdtVCRRC第二次积分阶段，令开关S1转接至基准电压-VREF一侧，积分器向相反方向积分。2REF1Oi010TVTVdtVCRRC故得到21iCCREFTTDVTTV21REFiTTVVRCRC，12iREFTTVV，1CTNT若取1CTNTiREFNDVV则为了实现对上述双积分过程的控制，可以用下图所示的逻辑电路来完成。+-∞A+-∞CiV模拟输入REFV1S0SRCOV积分器过零比较器1J1KC1R1FF11J1KC1R1FFn-11J1KC1R1FFCVG1J1KC1R1FF0&0Q1Q1nQ1L1DRG1G2L0SVCLK0D1Dn-1D……n位计数器转换控制此时1C2nTT则iREF2nDVV9.2.4集成A/D转换器及主要技术参数1．集成A/D转换器CC14433为双积分型集成A/D转换器，它采用CMOS工艺制造，将模拟电路与数字电路集成在一个芯片，只需外接少量元件就可以构成一个具有自动调零和自动极性切换功能的位的A/D转换系统。1322．主要技术参数（1）转换精度:分辨率、转换误差分辨率：用输出二进制（或十进制）数的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。如，输入模拟电压满量程为10V8位的A/D转换器可以分辨的最小输入电压81039.06mV210位的A/D转换器可以分辨的最小输入电压10109.76mV2转换误差：通常以相对误差的形式给出，它表示A/D转换器实际输出的数字量和理想输出数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数表示。（2）转换速度转换速度：指完成一次A/D转换器转换所需时间。A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差甚远。大多数逐次逼近型A/D转换器产品的转换时间都在10—100us之间。双积分型A/D转换器的转换时间多在数十毫秒至数百毫秒之间。