第七章 数模与模数转换器

第7章 A/D与D/A转换器7—1 7—2 7—3 7—4 7—5 导论 DA转换器 DA转换器 AD转换器 AD转换器 多路模拟开关 数据采集系统简介

1-1导论 导论自然界中存在的物理量大都是模拟量， 自然界中存在的物理量大都是模拟量，如温 时间、角度、速度等。 度、时间、角度、速度等。随着数字技术的迅速 发展，尤其是计算机的广泛应用， 发展，尤其是计算机的广泛应用，用数字电路处 理模拟信号的情况非常普遍。 理模拟信号的情况非常普遍。 模拟量转换为数字量—A/D转换( Digital) 模拟量转换为数字量 A/D转换(Analog to Digital) A/D转换 数字量变换为模拟量—D/A转换( D/A转换 Analog) 数字量变换为模拟量 D/A转换(Digital to Analog) 衡量A/D D/A转换器性能的两个主要指标 A/D和 衡量A/D和D/A转换器性能的两个主要指标 转换精度 转换速度2

7-2 D/A转换器D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数D 转换为与之成比例的模拟量，n位二进制数D可以写成 :

D = dn 1 × 2 + dn 2 × 2

n 1

n 2

+… + d1 × 2 + d0 × 2 = ∑di × 2i …1 0 i=0

n 1

而输出应当是与输入的数字量成比例的模拟量A A=KD=K

∑di=0

n 1

i

× 2i

K为一个常量，单位为伏特。 电阻解码网络为D/A转换器的主要组成部分。3

一、 权电阻解码网络D/A转换器权由电阻解码网络\电子开关和运算放大器组成。 Sn-1~S0是n个电子开关，受输入代码d n-1~d 0控制，当该位的值 为“1”时，开关将电阻接至参考电压源VREF;当该位为“0”时， 开关将电阻接地。 D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关，将 二进制数D转换为与之成比例的模拟量，n位二进制数D可以写 成：RF(R/2)

i∑ 2 n 1 R 2 n -2 R I0S1

21 R I1S n-2

20 R I n 2S n-1

AI n 1

Uo

S0

VREF

d0

d1

d n-2

d n-1

VREF n 1 R R n 1 U0 = i∑ = ∑Ii = n ∑di 2i 2 2 i=0 2 i=0

K为一个常量，单位为伏特。 电阻解码网络为D/A转换器的主要组成部分。 优点：所用的电阻数少； 缺点：阻值分散，集成电路制作困难。RF(R/2)

i∑ 2 n 1 R 2 n -2 R I0S1

21 R I1S n-2

20 R I n 2S n-1

AI n 1

Uo

S0

VREF

d0

d1

d n-2

d n-1

二、 倒T型电阻解码网络 型电阻解码网络倒T型电阻网络是集成D/A转换器中采用最多的一种d0 d1 d2 d n-2 d n-1 Iout1 A Iout2S0 S1 S2 2 2R n-2 2R R S n-2 S n-1 Uo R

从每一个 节点向左看， 等效电阻均为 2R,所以

In 2 2R 2 2R

In 2 2R

In-1

I

I22

I2R 21

VREF I = R 2R// 2R=R

R

R

R

R

VREF

I

R+R=2Rn 1 i =0

各支路电流如图中所标注，于是输出电压

VREF U0 = n 2

d i 2i ∑6

与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。

集成D/A转换器 AD7524 三、 集成 转换器AD7524是CMOS低功耗8位D/A转

换器。内部采用倒T 型电阻网络结构。 V DD 电源VDD为+5V~+15V D0~D7为输入数据 VREF为参考电源CS —片选信号 WR —写入信号D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0CS WR

14 15 4 5 AD7524 16 6 R FB 7 8 9 10 1 I OUT1 11 12 13 2 I OUT2 3

VREF

A

Uo

IOUT1和IOUT2是模拟电流输出 使用内部反馈电阻RFB时输出电压：

VREF 7 i U0 = 8 ∑di 2 2 i=0

四、 转换精度与转换速度转换精度 1 .分辨率—当输入数字量的最低位(LSB)发生变化引起 的输出电压的变化量。常用输入数字量的位数表示分辨率 2. 转换误差—转换器实际能达到的转换精度。转换误差用 LSB的倍数表示。转换误差分静态误差和动态误差。 转换速度 1.建立时间tset 它是在输入数字量各位由全0变为全1,或 由全1变为全0,输出电压达到某一规定值所需要的时间 2.转换速率SR 即输入数字量的各位由全0变为全1,或由 全1变为0时，输出电压uo的变化率。这个参数与运算放大 器的压摆率类似。8

7-2 A/D转换器一、A/D转换的一般步骤 转换的一般步骤 A/D转换一般包括采样、保持、量化、编码四个步骤。 采样保持完成对模拟信号时间上的离散化 采样频率的选择应满足 采样定理：fs≥2 fi(max)us ui

O

t

典型的采样保持电路—LF19830k D1

R1 D2 S R2

ui uL

A1 L

A2 300 Ch

uo

u 'o

量化与编码的概念对模拟信号幅值的离散化—量化：用最小数量单位△度量模 拟信号。量化单位△,也就是最低有效位(LSB)所代表数值。 把量化的结果用代码(二进制码或其他编码)表示出来， 称为编码。这些代码就是A/D转换的结果。 量化过程不可避免地会引入误差—量化误差。位数越多，量 化误差越小；同时也与量化方法有关。

输入 信号

二进制 代码

代表的 模拟电压值 7Δ= 7/8(V) 6Δ= 6/8(V)

1V 111 7/8V 110 6/8V 101 5/8V 1004Δ= 4/8(V) 5Δ= 5/8(V)

输入 信号 1V

二进制 代码

代表的 模拟电压值 7Δ= 14/16(V)

111 13/16V 110 11/16V 101 9/16V 100 7/16V 011 5/16V 010 3/16V 001 1/16V 0 0002Δ= 4/16(V) 1Δ= 2/16(V) 0Δ= 0(V)

6Δ= 12/16(V) 5Δ= 10/16(V) 4Δ= 8/16(V) 3Δ= 6/16(V)

4/8V 011 3/8V 010 2/8V 001 1/8V 000 00Δ= 0(V) 1Δ= 1/8(V) 2Δ= 2/8(V) 3Δ= 3/8(V)

第一

6.2.2 A/D转换器的分类 A/D转换器的分类并行比较型 直接型 反馈比较型 逐次逼近型

A/D转换器 A/D转换器

计数型电压-时间型(VT)型-----双积分型

间接型

电压-频率型(VF)型

A/D转换器的技术指标—转换精度与转换速度13

7-3 并行比较型A/D转换器VREF R 13 V REF / 15 Ui

Q7 C C07 1D 7 F7 +C1

速度最快； 电路复杂，n位转换 器，所用的比较器 的个数为2n-1个。

R

C + 6 C + 5 C + 4 C + 3 C + 2

R

1D F6 C1 1D F5 C1 1D F4 C1 1D F3 C1 1D F2 C1

Q6 Q5 Q4 Q3 Q2

R

R

代 码 转 换

网 络

(22 ) D2 ( MSB) (21 ) D1 (20 ) (LSB) D0

R V REF3/ 15 V REF R / 15 R/2

C01 Q1 C1 1D F1 +C1

CP

电压比较器

寄存器

并行比较型A/D转换器的输入输出关系ui(VREF) 比较器输出 C07 C06 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1 0≤ui<1/15 1/15≤ui<3/15 3/15≤ui<5/15 5/15≤ui<7/15 7/15≤ui<9/15 9/15≤ui<11/15 11/15≤ui<13/15 13/15≤ui<1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 数字输出 D2 D1 D0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1

7-4 逐次逼近型A/D转换器一、工作原理转换控制信号uL为高电平时开始转换，此时送出一个800mV的电压砝 码与输入电压比较，由于ui <800mV,将800mV的电压砝码去掉，加 400mV的电压砝码，ui >400mV,于是保留400mV的电压砝码。再加 200mV的砝码，ui>400mV+200mV,200mV的电压砝码保留，如此一直 进行下去，可获得一组二进制码 0110 0111 0011 按照BCD8421码划分，相当673mV。U o /V

800mV673mV

100mV 80mV

0

200mV 400mV 1 0 1 0

8mV 4mV 2mV 1mV 40mV 20mV10mV 1 1 1 0 0 1 1

0

t ui /V 16

ui

U

A

2

∑

+

DACd

&

22

( MSB)

C

+&

GGB

(2 )6

U

Q

A

Q

B

Q

&C

1S C 11 R

1 S C1 1 R

1 S C1 1 R

G

d1 1 ) 7 ( 2 d 0 (LSB) (2 0 )8

FA

FBGG1

FC

≥ 14

≥ 1G53

G&

2

G

&

&

1D

G

9

C1

F1 Q

1D1

C1

F2

Q

1D2

C1

F3 Q

1D3

C1

F4

Q

1D4

C1

F5

Q

5

CP U L

&

工作时序CP 0 1 2 3 4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 QA QB QC 0 1 # # # 0 0 1 # # 0 0 0 1 #

输入输出对应关系QA 1 0 0 1 0 QB 1 QC 1 0 1 0 1 0 10

15/16 13/16 11/16 9/16 7/16 5/16 3/16 1/16 0

二、 逐次逼近型集成A/D—ADC0809

7-5 双积分型A/D转换器一、工作原理采样阶段—定时 积分阶段：Ui V REF S1 R S0

C

A

A

&

计 数 器

d n-1 d n-2 d0

(MSB)

U o1

1 = C

∫

T1

0

Ui T1 ( ) dt = Ui R RC

(LSB)

控制逻辑

时钟 信号

比较转换阶段—定电压积分阶段：

T2 T1 V REF = Ui RC RC

T1 T2 = Ui VRRF

N1 D = N2 = Ui VREF20

uo T1T 2'

T2 t1' t2

O' UO1

ui Ui 2 u i = Ui 2

t2

t

采样阶段—定时积分阶段： T1 1 T1 U i U o1 = ( )dt = Ui C 0 R RC

∫

UO1

比较转换阶段—定电压积分阶段： T2 T V REF = 1 U i RC RC T T2 = 1 U i VRRFt

uG ui =Ui 1

O

D = N2 =

N1 Ui VREF

uG

O

t

u i = Ui 2

O

t

电路结构简单，工作稳定， 抗干扰能力强,精度高。但其转 换速度较慢，转换时间在几十毫 秒(ms)。 逐次逼近型A/D的转换时间 一般小于100微秒。21

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/13nm.html