第八章 数/模与模/数转换 8.1 概 述 8.2 D / A转换器 8.3 A / D 转换器.

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1 第八章 数/模与模/数转换 8.1 概 述 8.2 D / A转换器 8.3 A / D 转换器

2 第八章 数/模与模/数转换 8.1 概述 一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁 数字计算机 模拟系统 A/D D/A 二进制 线性
第八章 数/模与模/数转换 8.1 概述 一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁 数字计算机 模拟系统 A/D D/A 二进制 线性 存储 分析 控制 物理 生物 化学

3 二、 常见数模、模数转换器应用系统举例 … 三、A / D、D / A 转换器的精度和速度 精度保证转换的准确性 速度保证适时控制 数 四
压力传感器 温度传感器 流量传感器 四 路 模 拟 开 关 数 字 控 制 计 算 机 DAC … 模拟控制器 液位传感器 生 产 控 制 对 象 ADC 二进制 信号 物理量 模拟信号 三、A / D、D / A 转换器的精度和速度 精度保证转换的准确性 速度保证适时控制

4 8.2 D / A转换器（DAC） n 位 二进制 8.2.1 D / A转换的基本原理 d0 uO或iO d1 一、输入、输出关系框图
… d0 d1 dn-1 DAC uO或iO 一、输入、输出关系框图 1. D / A转换思路 如 (1101)2 可利用运算放大器实现运算 D uO/V 7 6 5 4 3 2 1 2. 转换特性

5 8.2.2 到T型电阻网络D/A 转换器 1、工作原理 当 d2d1d0 = 100, I = UREF / R R 2R UREF S0
电子 开关 uO 1、工作原理 求和运放 当 d2d1d0 = 100, I = UREF / R

6 当 d2d1d0 = 110, I R 2R UREF uO I / 8 I / 4 I / 2

7 当 d2d1d0 = 111, I R 2R UREF uO I / 2 I / 4 I / 8 表达的一般形式

8 2、输入为 n 位二进制数时的表达式 当 D = dn-1 dn-2 … d1 d0 Ku — 转换比例系数

9 指 D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。
DAC 的主要参数 一、转换精度 ULSB UFSR = 1 2n–1 分辨率= (一)分辨率（Resolution） 　　指 D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。 LSB —Least Significant Bit FSR — Full Scale Range (二)转换误差 　　为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。 　　可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（LSB）的倍数表示。 　　如: ½ （LSB）= 输入为 00…01 时输出模拟电压的一半。

10 二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 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时间 。 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 s；包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 s。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 换所需时间 上升时间 下降时间 TTR = ts + tr （tf） TTR（max） = ts+ UO（max） / SR

11 三、主要参数 D/A 转换器 5G7520 的主要参数 参数名称 单 位 参数值 分辨率 位 10 非线性度 转换时间 UREF
单 位 参数值 分辨率 位 10 非线性度 转换时间 UREF 全量程的 % ≤ 0.05 % ns ≤ 500 V 电源电压 –25  +25 5  35 功 耗 mW 20 温度系数 FSR  10–6/ºC 电电

12 四、集成DAC芯片举例 1. 5G7520 的电路结构 参考电压源，可正可负。 5G7520 1 UREF IO1 IO2 d4 2 3 4
6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 VDD d3 d2 d1 d0 d5 d6 d7 d8 d9 Rf GND 参考电压源，可正可负。 R IO1 uO

13 uO 从 0  （1023 / 1024）UREF 2. 应用电路 单极性输出 UREF > 0，uO < 0
IO1 IO2 5G7520 2 3 4 16 15 14 13 VDD d0  d9 Rf  1 –VEE R RW1 RW2 RW3 单极性输出 UREF > 0，uO < 0 　　输入从  变化时， uO 从 0  （1023 / 1024）UREF 输出与输入的关系 数码输入 模拟输出 d9 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 uO … – （1023 / 1024）UREF – （1022 / 1024）UREF – （1 / 1024）UREF

14 3. 分辨率 分辨率 单极性输出： 5G7520 为 10 位 D / A 转换器， 分辨率 = 当 UREF = 10 V时，最小输出电压 uO = 9.76 mV 分辨率 = 双极性输出： 分辨率= 对于 5G7520 当 UREF = 10 V 时，最小输出电压 uO = 19.6 mV

15 8.3 A / D 转换器（ADC） 8.3.1 A /D 转换的一般步骤和分类 一、模拟量到数字量的转换过程 数字量 uI(t) dn-1
量化编码 电路 dn-1 d1 d0 … uI(t) S 模拟量 取样保持 量化编码 （S / H — Sample / Hold） 取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。

16 当满足 fs ≥ 2 fimax 时, 取样信号可恢复原信号。
二、取样定理 当满足 fs ≥ 2 fimax 时, 取样信号可恢复原信号。 fs — 取样频率。 fimax — 信号的最高频率分量。 uI t O f O fs– fimax fimax t O uI

17 三、量化和编码 量化单位 数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小， 用  表示（即 1 ）。 量化 把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。 量化误差 因模拟电压不一定能被  整除而引起的误差。 编码 把量化的数值用二进制代码表示。

18 划分量化电平的两种方法 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 1V 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 000 001 010 011 100 101 110 111 1V 1/15 3/15 5/15 7/15 9/15 11/15 13/15 000 001 010 011 100 101 110 111 7= 7/ 8 0 = 0 1 = 2/15 2 = 4/15 3 = 6/15 4 =8/15 5 = 10/15 6 = 12/15 7 =14/15 6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/8 3 = 3/8 2 = 2/8 1 = 1/8 0 = 0 最大量化误差 =  = (1 / 8) V =  / 2 = (1/15)V

19 四. 取样 - 保持电路 1. 电路组成及工作原理 当 uL 为高电平： T 导通，Ch 充电至： uI uO =  uI = uC uO
四. 取样 - 保持电路 Rf Ch Ri uI uO uL T Rf = Ri 1. 电路组成及工作原理 当 uL 为高电平： T 导通，Ch 充电至： uO =  uI = uC 当 uL 为低电平： T 截止，Ch 基本不放电。 uO 保持 矛盾： 为使 Ch 充电快，Ri 越小越好； 为使电路输入电阻高，Ri 越大越好。

20 D1 、D2的作用：限制 uO 在 uI + uD以内，起保护作用。
2. 改进电路 (LF198) 及工作原理 R2 Ch R1 uI uO uL uO 300  30 k D1 D2 S 6 2 1 4 5 3 8 7 uO uI uL Ch LF198 当 uL = 1， S 闭合 uO = uO = uI ， uC = uI 当 uL = 0， S 断开 uO 保持 D1 、D2的作用：限制 uO 在 uI + uD以内，起保护作用。

21 8.3.2 直接型A/D转换器 1.快速并行A/D转换器 uI uI 比较器 寄存器 编码器 uI uI uI uI uI uI uI d2
uI UREF uI R /2 R 比较器 寄存器 编码器 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1D d2 d1 d0 & CP

22 2.逐次比较型 A/D 转换器 1)工作原理 3.2V 3V 5V 4V 7V 6V 8V D/A uI 0011 1000 0111
逐次渐近 寄存器 比较器 参考 电源 时钟 信号 MSB LSB 并行数字输出 转换控制信号 0011 1000 0111 0110 0101 0100 1 0011

23 2)转换过程举例 uI uO uC 输出偏移 读出控制 d0 CP d1 d2 5位环行移位寄存器 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 比 较 器
3 位 D/A Q 1S 1R d0  + CP d1 d2 ≥1 FFB FFC uI uO uC C 5位环行移位寄存器 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 FFA  /2 比 较 器 逐次渐近 寄存器 控制逻辑电路

24 Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0 功能 R S Q n 1 不用 保持 置1 置0 不许 Q1 Q2Q3 Q4 Q5
1 1 1 0 0 1 0 0 功能 R S Q n 1 不用 保持 置1 置0 不许 Q1 Q2Q3 Q4 Q5 QA QB QC uI/V uO/V uO/V uC d2 d1 d0 CP  1 2 3 4 5 – 0.5 4 3.5 5.9 6 5.5 7 6.5 1 6 5.5 6 5.5

25 8.3.3 间接型A/D转换器 转换思路： 模拟输入 uI  t  t 控制计数 CP 个数 输出二进制数
S2 C S1 uI 逻辑 控制门 定时器 n 位二进制 计数器 & dn–1 d0 uｏ ＴCP CP 基准电压 < 0 电容 C 放电 CO＝ 1 1 10 … 1 10 … 0 01 … 0 01 … 1 00 … 0 01 … 101 00 … 1 11 … 1 00 … 0 00 … 1 每进行完一次 2n 进制计数，定时器置 1， S1 合向基准电压

26 二、工作原理 uI t1 = N1TCP = 2nTCP t1 t2 uｏ(t) t2 = N2TCP = DTCP  
积分器输入 ＵI uI t1 = N1TCP = 2nTCP ＵREF 固定时间 t1 t2 uｏ(t) 积分器输出 t2 = N2TCP = DTCP   N1ＴCP N2ＴCP 单位 电压 = UI / 

27 ADC的主要技术指标 一、转换精度 分辨率 1. 用二进制或十进制位数表示(设计参数) LSB变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量 (测量参数) 如最大输出电压为 5 V 的 8 位 A/D的分辨率为： 表示实际输出与理想输出数字量的差别 以相对误差的形式（LSB的倍数）给出。 转换误差： 如：相对误差不大于（1/2）LSB 二、转换速度 并联比较型 > 逐次比较型 > 双积分型

28 几种A/D转换器的性能比较 一、A/D类型： 并联比较型 直接 A/D 反馈比较型：逐次比较型，计数型。 电压-时间变换型（V -T）：双积分型 间接 A/D 电压-频率变换型（V- F） 二、性能比较： 优点 缺点 并联比较型 转换速度高 转换精度差 逐次比较型 分辨率高、误差低 转换速度较快 双积分型 性能稳定 转换精度高 抗干扰能力强 转换速度低

29 第八章 小 结 一、D/A 转换器 1. 功能： 将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。 2. 种类：
第八章 小 结 一、D/A 转换器 1. 功能： 将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。 2. 种类： 实现数模转换有多种方式，常用的是电阻网络 D/A 转换器，包括 权电阻网络、R - 2R T 形电阻网络和 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器。 其中以 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器为重点作了详 细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造， 因而被广泛采用。 3. 分辨率和转换精度： 与 D/A 转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。

30 将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。 1. 功 能：
二、A/D 转换器 将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。 1. 功 能： 2. 转换过程： 采样、保持、量化、编码。 采样 – 保持电路 A / D 转换器 采样 - 保持电路： 对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。 采样时必须满足采样定理，即 fs ≥ 2 fImax 。 A / D 转换器： 量化 — 对样值脉冲进行分级。 编码 — 将分级后的信号转换成二进制代码。

31 二、A/D 转换器 3. 种类： 直接转换型和间接转换型。 直接转换型 — 并联比较型（速度快、精度低） 逐次渐近型（速度较快、精度较高） 间接转换型 — 双积分型（速度慢、精度高、抗干扰 能力强） 不论是 D/A 转换还是 A/D 转换，基准电压 VREF 都是一个很重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在 A/D 转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。