AD、DA转换原理数模、模数转换

12020/3/8第7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）。22020/3/8数/模和模/数转换典型数字控制系统框图32020/3/87.1.1D/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。D/A转换数字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10模拟量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K为比例系数)42020/3/8n位D/A转换器方框图组成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。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DAC2020/3/85权电阻型D/A转换器模拟开关，受Di控制权电阻网络求和放大器输入代码，为1时，模拟开关上拨；为0时，模拟开关下拨。2020/3/86运算放大器总的输入电流为101101102222niiinRniiinRniiDRUDRUII运算放大器的输出电压为10122niiinRffDRURIRU若Rf=1/2R，代入上式后则得101012222niiinRniiinRfDUDRURU2020/3/87当D=Dn-1…D0=0时RnnmUU212因而U的变化范围是210~2nRnU当D=Dn-1…D0=11…1时，最大输出电压精度由电阻的精度定，而此电路中阻值差别大，对集成不利U=082020/3/8倒T形电阻网络DAC1.电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。图7-2倒T型电阻网络DAC原理图基准参考电压双向模拟开关D＝1时接运放D＝0时接地R－2R倒T形电阻解码网络求和集成运算放大器92020/3/82.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。102020/3/8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：0123D16ID8ID4ID2II112020/3/8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：RIREFU122020/3/8故：)2D2D2D2(DR2UI001122334REF132020/3/8因此输出电压可表示为：142020/3/8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。对于n位的倒T形电阻网络DAC，则：152020/3/8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。因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。162020/3/83DAC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时的输出电压。对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：分辨率＝121n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。172020/3/82.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。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。182020/3/83.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。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。192020/3/84.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。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。202020/3/87.1.4集成D/A转换器及其应用常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。1.D/A转换器AD7520AD7520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。212020/3/8图7-3AD7520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。具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。222020/3/8图7-4AD7520外引脚图D0～D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1IOUT2：电流输出端2Rf：10KΩ反馈电阻引出端Vcc：电源输入端UREF：基准电压输入端GND：地。232020/3/8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%/℃AD7520的主要性能参数如下：242020/3/810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。2.应用举例（组成锯齿波发生器）图7-5AD7520组成的锯齿波发生器图7-5AD7520组成的锯齿波发生器252020/3/8A/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。262020/3/8图7-7采样过程示意图取样定理：设取样脉冲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≥2fmaxy(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)。通常取fs＝（2.5～3）fmax。272020/3/8（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。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。）图7-8采样―保持电路及输出波形282020/3/82.量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。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。292020/3/8划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小302020/3/87.2.2A/D转换器工作原理直接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312020/3/81.并联比较型A/D转换器322020/3/8寄存器：由七个D触发器构成。在时钟脉冲CP的作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。01234560135132QQQQQQQDQQQDQD编码器：由六个与非门构成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻辑关系为332020/3/8并联型A/D转换器的转换关系342020/3/8例如，假设模拟输入UIN=3.8V，UR=8V。当模拟输入UIN=3.8V加到各级比较器时，由于VUVURR5.41695.3167因此，比较器的输出C6~C0为0001111。在时钟脉冲作用下，比较器的输出存入寄存器，经编码网络输出A/D转换结果：D2D1D0=100。优点：转换速度很快缺点：电路复杂，转换精度较低。352020/3/8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。逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。图7-9逐次逼近型ADC电路框图CPDn-1Dn-2Dn-3…D1D0u0(V)uIuO？0100…000.5UREF1（Dn-1为1）/0（Dn-1为0）1Dn-110…000.75/0.25UREF1（Dn-2为1）/0（Dn-2为0）2Dn-1Dn-21…00…1（Dn-3为1）/0（Dn-3为0）…………n-1Dn-1Dn-2Dn-3…D11…1（D0为1）/0（D0为0）基准电压UREFn位A/D转换器电路由启动脉冲启动后:362020/3/8实例8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO为1否则为0372020/3/8图7-108位逐次比较型A/D转换器波形图382020/3/8转化公式202110)(2DDDDDnnniii设由于DUUnREFI2输出结果20211010)(2)2(DDDDUUDnnniiinREFI392020/3/8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402020/3/8图7-11双积分型ADC电路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。④时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。412020/3/8工作过程：①准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn＝0使S1接通A点。422020/3/8②采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分