ADDA转换基本原理.pdf

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1、1 第七章数模、模数转换电路 第七章数模、模数转换电路 7.1 概述 7.2 数模转换器（DAC） 数模转换器（） 7.3 模数转换器（ADC） 模数转换器（） 本章小结 本章小结 2 将数字信号转换成模拟信号的电路叫做数 /模 转换电路，简称 D/A转换器。 将模拟信号转换成数字信号的电路叫做模 /数 转换电路，简称 A/D转换器。 这两类电路常用于计算机与模拟系统的接口 电路中。 7.1 概述 3 模 拟 系 统 模/数转换 ADC 数/模转换 DAC 数 字 系 统 4 7.2.1 D/A转换器的基本原理 7.2 数模转换器（ DAC） 对于有权码，先将每位代码按其权的 大小转换成相应的

2、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 实现从数字到模拟信号的转换。 5 7.2.2 D/A转换器的输出特性 为了转换无符号或有符号的二进制数。一 般 DAC 有单极性和双极性两种输出特性， 四位二进制码 单极性输出特性 模 拟 量 数字量 0000 1111 V15 V0 模 拟 量 数 字 量 四 位 二 进 制 码 0 0 011 011 111 111 V7 V7 V7 V7 6 7.2.3 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器 （ T型网络数 /模转换） 倒 T型电阻网络 D/A 转换器中的电阻取 值非常简单，只有 R 和 2R 两种阻值。并且 电阻网络中各电阻连接

3、点对地的等效电阻均 为 R 。 电路配有一个基准电压 VREF，在数字信 号的控制下为电子开关提供权电流。 7 一、倒 T 型电阻网络 D/A 转换器结构图 S 0 S 3 为电子开关，分别由输入数码 D 0 D 3 控制。 输入端 所有的纵向 电阻均为 2R 所有的横向 电阻均为 R 。 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 A I RRR 2R 2R 2R2R2R RF (R) uo I +VREF 8 1、当 D 0 D 1 D 2 D 3 =1111时 (电子开关 S0S1S2S3向右 )： S i 接运算放大器反相输入端 (虚地 )。各节点对 地的等效电阻均为 R，电流分配

4、关系如图所示。 二、工作原理 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF(R) uo I +VREF I/16 I/2I/4I/8I/16 Si 接 虚 地 9 2、当 D 0 D 1 D 2 D 3 =0000时 (电子开关 S 0 S 1 S 2 S 3 向左 )： S i 接运算放大器同相输入端 (接地 )。各节点对 地的等效电阻仍均为 R，电流分配关系如图所示。 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF (R) uo I +VREF I/16 I

5、/2I/4I/8I/16 Si 接 真 实 地 D0 D1 D2 D3 (R) 10 三、定量分析 1、基准电流 I： R V I REF = S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF (R) uo I +VREF I/16 I/2I/4I/8I/16 11 2、流过各开关支路 的电流分别为： 1234 2 1 I 2 1 I 2 1 I 2 1 I 2/I4/I8/I16/I S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF (R) uo I +VREF I

6、/16 I/2I/4I/8I/16 12 3、总电流 (假定 D0D3为全 1)为： ) 2 1 2 1 2 1 2 1 ( R V ) 2 1 2 1 2 1 2 1 (II 1234 REF 1234 +=+= S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF (R) uo I +VREF I/16 I/2I/4I/8I/16 13 将 D0D3 的影响全考 虑进来，则 总电流为： )D 2 1 D 2 1 D 2 1 D 2 1 ( R V I 3 1 2 2 1 3 0 4 REF += S0 S1 S2 S3 D0 D1

7、 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF (R) uo I +VREF I/16 I/2I/4I/8I/16 = =+= 3 0i i i 4 REF 3 3 2 2 1 1 0 0 4 REF D2 R2 V )D2D2D2D2( R2 V 14 4、输出电压为： = = 3 0i i i 4 REF Fo D2 2 V RIRIu S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 I/2I/4I/8 A I RRR 2R2R2R2R 2R RF (R) uo I +VREF I/16 I/2I/4I/8I/16 15 只要 D0D3有为 1 的值时，总

8、电流 I中就会有该支路电流。 因此输出电压由 D0D3 编码的 大小决定，完成了数 /模转换； 可以采用增加 Di的位数来提高 数 /模转换的精度。将上公式中 的 3 换成 n 即可： 转换精度由 R的精度和电子开 关中的内阻来决定。 四、结论 = + = n 0i i i 1n REF o D2 2 V u 16 7.2.4 权电流型 D/A 转换器 （电流激励型数 /模转换器） 前面所述 T 型网络 D/A转换器的转换 精度不仅与 Di的位数有关而且还与电阻的 阻值精度有密切的关系，为了进一步提高 D/A转换器的转换精度，还可以采用权电 流型 D/A转换器。 17 这组恒流源从高位到低位电

9、流的大小依次为： I/2、 I/4、 I/8、 I/16 ，而且电流方向朝下。 一、四位权电流型 D/A 转换器结构图 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 A I RF uo -VEE I/2I/4I/8I/16 18 1、当 D 0 D 1 D 2 D 3 =1111时 (电子开关 S 0 S 1 S 2 S 3 向右 )： S i 接运算放大器反相输入端 (虚地 )。 I等于各 恒流源电流 (权电流 )之和。 二、工作原理 Si 接 虚 地 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 A I RF uo -VEE I/2I/4I/8I/16 19 2、当 D 0 D 1 D

10、 2 D 3 =0000时 (电子开关 S 0 S 1 S 2 S 3 向左 )： S i 接运算放大器同相输入端 (接地 )。各恒流源 电流直接接地， I等于 0。 Si 接 真 实 地 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 A I RF uo -VEE I/2I/4I/8I/16 D0 D1 D2 D3 20 三、定量分析 )D2D2D2D2(I 2 I 4 I 8 I 16 I I 3 1 2 2 1 3 0 4 +=+= 1、总电流 (假定 D0D3为全 1)为： = = 3 0i i i 4 D2 2 I I S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 A I RF u

11、o -VEE I/2I/4I/8I/16 21 2、输出电压为： = = 3 0i i i F 4 Fo D2R 2 I RIu S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 A I RF uo -VEE I/2I/4I/8I/16 = + = n 0i i i 1n F o D2 2 RI u n 位数模转换器 22 由于采用了恒流源，所以电子 开关中导通电阻对转换精度没 有影响。这样就可以降低对电 子开关的要求； 又由于采用的恒流源是与二进 制权相等的，因此只要保持权 电流恒定就可以提高转换电压 的精度。 四、结论 23 7.2.5 D/A转换器的主要技术指标 一、转换精度 1、分辨率

12、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，分辨率越高。所 以在实际应用中，常用数字量的位数表示 D/A 转换器的分辨率。 24 还可以用 D/A转换器的最小输出 电压 (数字量： 00000001)与最大输出 电压 (数字量： 11111111)之比来表示 分辨率。以上是以 8位数字量为例。 结论： n位 D/A 转换器的分辨率 为 1/(2 n -1)。此值愈小愈好。 25 2、转换误差 (主要是受温度影响所至 ) 转换误差等于：失调误差 +增益误差 +非线性误差 失调误差 (漂移误差 ) 失调误差也称零点 误差或漂移误差。 当 DAC电路的数字 输入全为 0 时，模

13、拟输 出电压偏离零电位的数 值为 DAC的失调误差。 它与温度有关。 模拟输出 数字输入 理想线 实际线 失 调 误 差 26 增益误差 增益误差也称比例 系数误差。它是 DAC 电路的失调误差等于 0 时，最大模拟输出电压 点 (数字量全 1时 ) 的理 想模拟值与实际模拟值 之间的差值。它一般与 参考电压和放大器的反 馈电阻有关。 模拟输出 数字输入 理想线 实际线 增 益 误 差 27 非线性误差 非线性误差是 将 DAC转换电路的 失调误差和增益误 差同时调到 0 后， 实际传输曲线与理 想传输曲线的最大 偏差值。与放大器 内晶体管的非线性 有关。 模拟输出 数字输入 理想线 实际线

14、非线性误差 28 二、转换速度 1、建立时间 (tset)： 当输入的数字量发生变化时， DAC转换器输 出的模拟电压变化到相应稳定电压值所需时间称 为建立时间。最短可达 0.1S以下。 2、转换速率 (SR) 在大信号工作状态下输出模拟电压的变化 率。 一般未采用运放的 DAC转换器的变化率较快，若 采用了运放此变化率会降下来，因此实用中常选 配高速运放来提高转换速率。 29 三、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。一般用满刻度 输出条件下温度每升高 1时，输出电压 变化的百分数作为温度系数。 30 7.2.6 集成 D/A转换器及应用 一、 AD7520 D

15、/A转换器 随着现代科学技术的发展，中大规模的集 成 D/A 芯片的种类繁多。有含运放的还有不含运放 的；常用的有通用型 D/A 芯片，如：美国 AD公 司的 AD7520 ；还有一种是带有微机接口的，便 于直接与 CPU相接的芯片，如： DAC0832。 此芯片是 10位 CMOS电流开关型 D/A转换器 ，其 结构简单，不含运放，通用性好，价格便宜。 31 1、 AD7520内部参考电路（内部不含运算放大器） D9D8 D7 D2D1 uo S7 S8 S9 A RR 2R 2R RF +VREF D0 2R2R S0 S1 S2 RR 2R 2R2R 10k R 20k IOUT1 IO

16、UT2 32 7.3 模数转换器（ ADC） 7.3.1 取样与保持 模拟信号转换为数字信号，一般分为四 个 步骤进行：取样、保持 (展宽 )、量化和编码， 前两个步骤在取样与保持电路中完成；后两个 步骤在 ADC中完成。 一、取样与保持的原理框图 保持电 路 取样 器 )t(u I )t(u S )t(u I 取样 脉)t(CP S 输入模 拟 取样 输 取样 展 33 t )t(CP S 0 二、取样与保持的波形图 )t(u I t 0 )t(u S t 0 )t(u I t 0 1 s T 为输入的模拟电压波形 )t(u I 为输入的采样脉冲，)t(CP S 脉冲宽度为，脉冲周期为 Ts

17、 采样电路实际上是电 子 开关，在内打开，在 Ts 内断开。因此可以得 。 )t(u S 最后通过保持电路 ( 低 通滤波电路 )，将采样信号 的后沿展宽 Ts，于是就 变成了阶梯信号 )t(u I maxiS f2f 采样定理 34 三、取样与保持 (展宽 )的电路 （假设下电路信号源的内阻极小） 只要场效应管 T在 CPS的控制下导通， uI就会 在 内快速通过 T给 C充电 (或放电 )至与 uI相同；当 CPS使 T截止时， C无法放电，故保持不变并在输出得到展 宽的波形。 A T C uO uI CPS 电压跟随器 35 7.3.2 量化与编码 量化过程是一种非线性过程，它可以将幅

18、度连 续变化的输入电压变换成一组离散的输出电压。最 后用二进制数来描述这些离散的信号就是编码。 一、量化的原理框图 量化器 )t(u I )t(u O 输入模拟信号 输出离散信号 我们规定：量化中采用的最小数量单位称为量化单位 。 36 四、编码 模拟信号 量 化后就变成离散 信号，就可以用 二进制编码来描 述。下面是经两 种量化原则量化 后的编码。 +UREF R R R R R R R R 1、 “只舍不入 ”的 编码方式 000 001 010 011 100 101 110 111 编码 二进制 0 1 2 3 4 5 6 7 化单位 等效量 REF U0 REF U8/1 REF U

19、8/2 REF U8/3 REF U8/4 REF U8/5 REF U8/6 REF U8/7 量化电平 37 2、 “有舍有入一 ” 的编码方 式 000 001 010 011 100 101 110 111 编码 二进制 +UREF R R R R R R R R/2 在实用 电 路中一般都是 将模拟信号与 量化电平通过 比较器进行比 较，对应输出 相应的二进制 编码。 化单位 等效量 0 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 REF U0 REF U15/1 REF U15/3 REF U15/5 REF U15/7 REF U15/9 REF U15/11 REF

20、 U15/13 量化电平 38 3、 “有舍有入二 ” 的编码方 式 000 001 010 011 100 101 110 111 编码 二进制 这种有 舍 有入的编码方 式比上一种对 称性要好，因 此在实际应用 中一般都采用 这一种编码方 式的电路。 化单位 等效量 0 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 +UREF R R R R R R R/2 R/2 REF U0 REF U14/1 REF U14/3 REF U14/5 REF U14/7 REF U14/9 REF U14/11 REF U14/13 量化电平 39 7.3.3 ADC实用电路的分类 ADC实

21、用电路一般分为两大类：一种是直 接 转换型；另一种是间接转换型。 一、直接转换型： 通过一组基准电压与取样与保持电路的输 出 信号进行比较，直接转换为数字量。 二、间接转换型： 将取样与保持电路的输出信号首先转换 成时 间或频率，然后再将时间或频率转换为数字量。 40 二、逐次比较型 ADC 逐次比较型 ADC，又叫逐位逼近 ADC， 属 于串行 ADC，虽转换速度没有并行 ADC快，但 转换精度很高，是目前使用最多的 ADC。 1、逐次比较型 ADC的原理 逐次比较型 ADC的转换过 程和 天平称物体一样，天平的一端放被 称物体 (模拟输入电压 )，另一端放 法码 (二进制的参考权电压 )。

22、 41 7.3.5 间接转换型 ADC（双积分型 ADC ） 双积分 ADC是一种间接转换 ADC，它 将模 拟输入和参考电压分别进行两次积分，把输入电 压的平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后 利用 CP 和计数器测出此间隔，从而得到数字量 输出，因此具有很强的抗干扰能力。 它由积分电路、过零比较器、时钟脉冲控制 门、定时器和计数器等五部分组成。 一、电路组成 42 积分电路 积分电路 计数器电路 计数器电路 时钟脉冲 控制门 时钟脉冲 控制门 定时器 电路 定时器 电路 过零比较器 过零比较器 1 R C 数字量输出 CR B CP & C1 R 1J 1K A C C1 R 1J 1K

23、 C1 R 1J 1K C1 R 1J 1K 1n D 1 D 0 D CP T 1n Q 1 Q 0 Q 1 1 1 1n FF 1 FF 0 FF n FF n Q I u+ REF V 级计数 器n G u C u O u 2 S 1 S 1S u A G 43 2、第一次积分阶段 二、工作原理 1、准备阶段 当 t=0时，开关 S 1 与 A端接通， S2断开 输入电压 u I 加到积分 器的输入端。积分器 从 0开始积分： 用 CR 给计数器 清零， S2闭合，积分 电容放电， u O = 0V。 t 0 0 0 0 0 t t t t n Q 1S u O u C u G u 1

24、t 2 t I U+ REF V 1 T 2 T 2 T 1 T CP TD CP n T2 44 积分器的输出电压 u O 以与 u i 的大小成正比的斜 率从 0V开始下降： t 0 0 0 0 0 t t t t n Q 1S u O u C u G u 1 t 2 t I U+ REF V 1 T 2 T 2 T 1 T CP TD CP n T2 45 1 I t 0 I1O t RC u dtu RC 1 )t(u 1 = 由于 u O 0V，过 零 比较器输出为 u C =1，控 制门 G 打开，计数器从 0开始计数。经过 个 时钟脉冲后， FF0FFn-1 触发器都翻转回到 0

25、态， 触发器 FFn的 Qn=1，开 关 S1 由 A 点转到 B 点 。 n 2 t 0 0 0 0 0 t t t t n Q 1S u O u C u G u 1 t 2 t I U+ REF V 1 T 2 T 2 T 1 T CP TD CP n T2 定时计压 计数 定压 46 CP n 11 T2Tt = 第一次积分的时间为： 因此可以得到第 一 次积分结束时的电压。 CP n I 1O T2 RC u )t(u = 3、第二次积分阶段 这是对 -VREF反向积分： = 2 1 t t REF1O2O dtV RC 1 )t(u)t(u t 0 0 0 0 0 t t t t n

26、 Q 1S u O u C u G u 1 t 2 t I U+ REF V 1 T 2 T 2 T 1 T CP TD CP n T2 定时计压 计数 定压 47 所以： 由于 uO 0V， 过零 比较器输出为 u C =1，控 制门 G 打开，计数器又 从 0开始计数。随着反向 积分使和 uO 升高，一旦 uO 0V，控制门 G 则关 闭，计数器停止计数。 2 REF 1O2O t RC V )t(u)t(u += REF 1O2 V RC )t(ut = t 0 0 0 0 0 t t t t n Q 1S u O u C u G u 1 t 2 t I U+ REF V 1 T 2 T

27、 2 T 1 T CP TD CP n T2 定时计压 计数 定压 48 若此时计数器数值为 D： 整理上式并将 uO(t1) 的值代入，可得： REF n I V 2 uD = CP REF 1O2 TD V RC )t(ut = 我们发现 D与 uI 有 关，换句话说：计数器 中的数码与输入模拟电 压的平均值成正比。 t 0 0 0 0 0 t t t t n Q 1S u O u C u G u 1 t 2 t I U+ REF V 1 T 2 T 2 T 1 T CP TD CP n T2 定时计压 计数 定压 CP n I 1O T2 RC u )t(u = 49 用模拟输入 电压

28、的平均值除以 D 就可 以得到量化单位 : D/)(UD/u II 平均值= 结论 计数器中所记录的数码 D 与在 取样时间 T1内与输入电压的平均值 UI 成正比。只要 UI 逐次 ADC双积分 ADC。 52 7.3.7 集成 ADC简介（以 ADC0809为例） 一、芯片结构 ADC0809是 COMS工艺、采用 逐次逼近法的 8 位 A/D转换芯片。共 有 28个引脚，双列 直插式封装，片内 除 A/D转换部分外， 还有多路模拟开关 部分。 53 3、内部主要有四 大部分组成： 二、 功能特点 1、采用 8路模拟量分时输入 (模拟开关 )，最多允许 8 路模拟量分时输入。 2、共用一个

29、 A/D转换器进行模 /数转换。 8路模拟开关； 8位 A/D转换器； 三态输出锁存器； 地址锁存译码器。 54 4、 ALE：地址锁存信号输入 端。高电平时把 3个地址信 号 A、 B、 C送入地址锁存 器，并经过译码器得到地 址输出，以选择相应的模 拟输入通道。 三、引脚功能 1、 IN0 IN7： 8个输入通道的模拟量输入端。 2、 D0 D7： 8位数字量输出端。 3、 START：转换的启动信号输入端。加上正脉冲后， A/D转换才开始执行。 55 5、 A、 B、 C：转换通道的地址 (8位模拟开关的地址 ) 信号输入端。 IN71111 IN60111 IN51011 IN4001

30、1 IN31101 IN20101 IN11001 IN00001 接通的通道ABCALE锁存信号 56 6、 EOC：转换结束信号输出端。 7、 OE：输出允许控制输入端。 OE直接控制三态输 出锁存器输出数字信息。 8、 CLK：时钟信号输入端。 ADC内部没有时钟电路， 故需外加时钟信号。 9、 VREF(+)和 VREF(-)： A/D转换器的参考电压 输入端。 10、 Vcc：芯片电源端。 11、 GND：接地端。 57 四、 ADC0809应用实例（与 8051单片机连接） 硬件参考电路 模 /数转换器 ADC软件参考程序 (采用查询方式 ) 58 本章小结： 一、 掌握倒 T型电阻网 络结构的数 /模 DAC电 路的工作原理及定量分 析。 二、掌握权电流型数 / 模 DAC电路 (电流激励 型 DAC电路 )的工作原 理及定量分析。 59 六 、 逐次比较结构的模 / 数 ADC电路也属于直接 转换结构，掌握其工作 原理 (主要是从如何利用 权电压进行比较的方式 上来掌握 )。 七 、 双积分结构的模 /数 ADC电路属于间接转换 结构，掌握它的工作原 理 (主要是从双积分原理 造成的定时计压和定压 记数过程上来掌握 )。 八 、 了解 A/D转换器的 主要技术指标：转换精 度 (分辩率和转换误差 ) 和转换速度。