集成电子技术基础教程 第四篇第3章(ADC&DAC)

集成电子技术基础教程LDC集成电子技术基础教程2003~2004学年第2学期集成电子技术基础教程LDC第四篇电子系统组成与应用第三章信号转换电路集成电子技术基础教程LDC第三章信号转换电路4.3.1数/模转换电路4.3.2模/数转换电路*4.3.3电压/频率转换电路*4.3.4频率/电压转换电路集成电子技术基础教程LDC第三章D/A和A/D转换器在计算机控制系统和智能仪器仪表中，经常需要进行数字量-模拟量转换（D/A转换），以及模拟量-数字量的转换（A/D转换）。生产过程自动化流程图：集成电子技术基础教程LDC4.3.1数/模(D/A)转换电路一、DAC的基本原理将输入数字量变换成模拟量输出的电路称为数/模转换器，简称D/A转换器或DAC(DigitaltoAnalogConverter)。D/IDAC的基本思路：先将输入的二进制数按其位权的大小转换成与之成正比的电流量，然后再将电流量转换成电压量输出。集成电子技术基础教程LDCD/InIDKi)2222(00112211ddddKnnnnI102niiiIdKfoiRv102niiidK102niiifIdRK集成电子技术基础教程LDC三位D/A转换器的转换特性最小输出电压增量VLSB表示输入数字量中最低位LSB变化时所引起的输出电压变化量。集成电子技术基础教程LDC二、倒T型电阻网络D/A转换器只有两种电阻,精度可以做得很高；由于运放的反相输入端为虚地，所以开关切换时流过支路电流不变，所以没有尖峰电流。集成电子技术基础教程LDC从VREF看入的总电阻为R，故流过VREF的总电流为：RVIREF而流过每一个节点的电流依次降低一半，即流过每一个支路的电流依次为：4322222IIII、、、集成电子技术基础教程LDC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：0123116842dIdIdIdIio)2222(21001122334ddddRVREF30422iiiREFdRV集成电子技术基础教程LDC所以输出电压有：fooRiv130422iiifREFdRRV若输入为n位数字量：一般取R=Rf：1022niiinfREFodRRVv1022niiinREFodVvnnREFDV2这种DAC的典型产品是AD7520(10位D/A转换器)集成电子技术基础教程LDC三、正负模拟量输出的DAC电路当正负的数字量输入时，要求有正负的模拟量输出（称为双极性输出）。在集成DAC中，一般均考虑了器件作单极性使用和双极性使用两种情况，只是在接线方式上有所不同。一个负数通常用补码表示。因此，一个用补码输入的正、负数，通过偏移电路可以转换成正、负极性输出的模拟量。集成电子技术基础教程LDC输入与偏移码和D/A输出间的关系十进制数补码输入d2d1d0偏移码(符号位取反)接入偏移-4V电路后的输出电压(V)+3011111+3+2010110+2+1001101+100001000-1111011-1-2110010-2-3101001-3-4100000-4以3位二进制补码为例：集成电子技术基础教程LDC双极性输出的DAC电路当输入补码d2d1d0=000，即偏移码为100时，调节RB的值，使IB=VB/RB=IMSB，所以输出模拟电压为0。集成电子技术基础教程LDC在其它输入情况下：fBoRIiv)(fMSBRIi)(对于n位的双极型DAC电路有：max111222IIIInnLSBnMSBBImax为偏移码全为1时的电流。max1122IiIiinnBofnnfBfooRIiRIiRiv)122()(max1集成电子技术基础教程LDC四、集成D/A转换器主要技术指标及应用要点1、D/A转换器的主要技术指标分辨率DAC电路所能分辨的最小输出电压增量VLSB与最大输出电压Vm之比称为分辨率：分辨率的大小仅由输入数字量的位数决定，因此在手册上常用DAC的位数来表示121nmLSBVV分辨率DAC输入数字量的位数越多，则分辨能力越高集成电子技术基础教程LDC非线性(线性度)转换精度也称非线性误差，指DAC的零点调整好后，实际的模拟量输出与理论值之差。常用百分数或位数来表示。如非线性为10位，表示最大偏差为满刻度的内。%1.02110以静态转换误差的形式给出。包括非线性误差、增益误差、零点误差、漂移误差及噪声误差等综合误差。注意转换精度与分辨率之间的区别！集成电子技术基础教程LDC建立时间温度系数对于实际的DAC，当输入信号变化时，输出跳变到新的模拟信号存在时间延迟。建立时间定义为DAC的输入信号满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的LSB或（±1LSB）所需的时间。21不同型号的DAC，其建立时间是不同的。指温度变化时，DAC的增益、线性度、零点等参数的变化量。集成电子技术基础教程LDC2、DAC的应用要点DAC芯片主要性能指标的选择数字量输入特性各项精度指标：满足应用系统允许误差要求转换时间：速度满足应用系统实时响应要求工作环境条件指标输入码制：是否带符号位数据格式：并行码/串行码逻辑电平：TTL/CMOS电平集成电子技术基础教程LDC模拟量输出特性锁存特性及转换控制参考源是电流输出型还是电压输出型是否设有数据寄存器控制信号的脉宽、建立时间、保持时间等是否满足系统的时序要求影响模拟输出结果，对转换精度有较大影响集成电子技术基础教程LDC五、集成D/A转换器DAC0832应用举例8位分辨率，与8位微机兼容价格低，接口简单转换控制容易电路为R-2RT型电阻网络结构VREF外接参考电压，可正、可负IOUT1和IOUT2是电流输出端，接运放DAC0832特点：集成电子技术基础教程LDC内部电路框图当由0变1时，D7～D0输入数据送入8位输入寄存器；当由0变1时，输入寄存器的数据锁存至8位DAC寄存器，并使8位DAC转换器的输出发生相应的变化。2LE1LE集成电子技术基础教程LDC典型应用电路集成电子技术基础教程LDC4.3.2模/数转换器（A/D）一、A/D转换的基本原理将模拟量转换成数字量的电路称为模/数转换器，简称A/D转换器或ADC(AnalogtoDigitalConverter)。模拟信号在时间和幅值上都是连续的，而数字信号在时间和幅值上都是离散的。对连续变化的模拟量在一系列取定的时间瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。由于将采样值转变为数字量需要一定的时间，因此，取样电压还须保持一段时间。A/D转换过程一般包括四个步骤：采样、保持、量化和编码。集成电子技术基础教程LDC1.采样定理和采样-保持电路采样-保持电路S是模拟开关，CH是保持电容。当vS高电平时，开关S闭合，vI对CH充电（采样）；当vS低电平时，CH上的采样电压保持。集成电子技术基础教程LDC为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，对采样信号频率fs有一定的要求。由采样定理得：。max2isff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fs常按下式选取：max)3~5.2(isff一个实用的采样-保持电路集成电子技术基础教程LDC2.量化和编码将取样后的值用一个最小单位的整数倍来表示，称为量化（数值量化或数值分层）。舍尾取整法KSvSKI)1(当输入值vI为：量化值取：SKvI)1(*S为量化单位：nimVS2最大量化误差为：StvtvII1)()(*max集成电子技术基础教程LDC四舍五入法最大量化误差为：StvtvII21)()(*max量化单位的计算：1222121nimnimVVS如图中，V1516S集成电子技术基础教程LDC二、逐次逼近型A/D转换器三位逐次逼近型A/D转换器集成电子技术基础教程LDC转换原理集成电子技术基础教程LDC开始转换前，设Q2Q1Q0=000顺序脉冲发生器波形：设S=1V，输入模拟电压vI=4.65V集成电子技术基础教程LDC逐次逼近转换过程：读出d2d1d0=10111015Q2Q1Q0=10111014Q0=1留11013Q1=1舍01102Q2=1留11001Q端状态寄存器Q2Q1Q0CP顺序2SvvoF关系与FIvv'CvSSS5.324SSS5.526SSS5.425S5.4S5.4FIvv'FIvv'FIvv'FIvv'FIvv'集成电子技术基础教程LDC电压逼近波形图逐次逼近型ADC特点：转换速度较快，转换一次的时间需(n+2)TCP转换精度较高，可做到±0.005%集成电子技术基础教程LDC三、双积分式A/D转换器这是一种间接A/D转换器，它首先把输入的模拟信号转换成中间变量—时间，然后再将时间转换成数字量输出。双积分式A/D转换器由积分器、过零比较器和n位二进制加法计数器等电路组成。集成电子技术基础教程LDC原理框图集成电子技术基础教程LDC转换原理转换开始前，进行初始化处理：计数器和触发器清零，S1接通A，S2闭合，使积分电容C充分放电，vO1=0，C0=0，与门G封锁。输出dn-1…d1d0=0…0。第一阶段：对输入模拟电压进行定时积分S2打开，S1连输入电压，C0=1，CP脉冲加入，计数器以二进制加法计数。当计满11…11并返回000…0后，附加触发器由0变1，S1开关接通-VREF。定时积分结束。集成电子技术基础教程LDCS1接通负参考电压(-VREF)。积分器正向积分，但C0=1，计数器由零开始进行第二次加法计数。当积分器正方向积分至0V时，C0=0，第二阶段：对基准电压进行定斜率积分当积分器积分至0V时，C0=0，CP脉冲被封锁，计数器停止计数。则此时计数器所累计的数据就是输入模拟量所对应的数字量了。集成电子技术基础教程LDC定量分析第一次积分（t0～t1)nCPIItIOTRCvTRCvdtvRCtv21)(10111第二次积分（t1～t2)0)(1)()(21112121TRCVTRCvdtVRCtvtvREFIttREFOO21TRCVTRCvREFI所以，集成电子技术基础教程LDCCPnREFIREFITVvTVvT212nREFICPVvTTD22双积分式A/D转换器的特点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，精度高；当选取积分时间为工频周期的整数倍时，理论上可完全消除工频干扰，因为这时对工频干扰的平均积分为0；转换时间一般在几十毫秒以上(2n+1-1)，转换速度较低；主要应用在精度高，而速度相对较慢的数字测试设备和仪表中。集成电子技术基础教程LDC四、ADC的主要技术指标与应用要点1.ADC的主要技术指标分辨率能区分相邻两个数字量的最小输入模拟电压增量，所以，对一个n位的A/D转换器，其分辨率为输入满度电压与2n的比值。如一个12位的满刻度输入10V的A/D转换器，其分辩率=10/212≈2.44mV。精度误差输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差，其最大值定义为精度误差。精度误差包括：量化误差、偏移误差、增益误差、非线性误差集成电子技术基础教程LDC转换时间完成一次A/D转换所需的时间。2.A/D转换器应用要点位数选择A/D转换器的位数与设计系统的测控范围以及精度要求有关。A/D转换器的位数通常应比总精度要求的最低分辩率高一位。转换速度选择（转换时间）根据采集对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证对系统的实时性要求。集成电子技术基础教程LDC并行比较型ADC逐次逼近型ADC转换时间仅为20～100nS，