《数字电子技术教学课件》第07章 数模和模数转换

（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。
图7-8 采样―保持电路及输出波形
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，
1. D/A转换器AD7520 AD7520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。
2020/4/22
19
图7-3 AD7520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。
2
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）。
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。
2020/4/22
36
（2）工作原理
先定时（T1）对uI正 向积分，得到Up，Up∝uI；
再对－UREF积分，积 分器的输出将从Up线性上 升到零。这段积分时间是 T2，T2∝Up∝uI；
第7章 数/模和模/数转换
7.1 D/A转换
7.1.1 D/A转换基本原理 7.1.2 倒T形电阻网络DAC 7.1.3 DAC的主要技术参数 7.1.4 集成D/A转换器及其应用
2020/4/22
1
复习
555定时器的逻辑功能？ 555定时器为何能实现脉冲波形？ 电容在脉冲电路中扮演怎样的角色？
2020/4/22
2020/4/22
12
对于n位的倒T形电阻网络DAC，则 ：
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。
2020/4/22
13
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。
（1）电路组成
2020/4/22
34
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 时时将C④Q2P0间Q时①②2脉n0/n=4T间/＝21冲积检2时1，＝间1通分 零钟，对2隔过器 比脉n使基TT门： 较c冲S2准（变1G器从控Q电T成1nC加cA制=图压为脉：点0到门7，-C冲-当当U转计G1P对R1个uu接脉1E数：OOF被数≥进＜到双冲器当0测N积行0B的时输u时保电点分C积周，入，存型压。=分期u端1A下uCu第时D。）C＝I。C进来＝二电，，0行。1；路次门T。积计1G时分1数打间；，开到是，35
具体使用时需要外接集成运算放大器和基准
电压源。
2020/4/22
20
D0～D9：数据输入端 IOUT1：电流输出端1 IOUT2：电流输出端2 Rf：10KΩ反馈电阻引出端Vcc： 电源输入端
UREF：基准电压输入端 GND：地。
图7-4 AD7520外引脚图
2020/4/22
21
AD7520的主要性能参数如下：
2020/4/22
10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。
23
第7章 数/模和模/数转换
7.2 A/D转换
7.2.1 A/D转换基本原理 7.2.2 A/D转换器工作原理 7.2.3 ADC的主要技术参数 7.2.4 集成A/D转换器及其应用举例
在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）
2020/4/22
27
2. 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。
1
6 10101110
6.796875
1
7 10101111
6.8359375
1
相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。
2020/4/22
32
图7-10 8位逐次比较型A/D转换器波形图
2020/4/22
33
2. 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。
I I D3 I D2 I D1 I D0 2 4 8 16
2020/4/22
9
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：
I U REF R
2020/4/22
10
故：
2
D121
D020 )
2020/4/22
11
因此输出电压可表示为 ：
本章小结
2020/4/22
24
7.2 A/D转换
7.2.1 A/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。
2020/4/22
u0 (V) 0.5UREF 0.75/0.25UREF … … …
uI>uO？ 1（D n-1为1）/0（D n-1为0） 1（D n-2为1）/0（D n-2为0） 1（D n-3为1）/0（D n-3为0） … 1（D 0为1）/0（D 0为0）31
实例 8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，
逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。
2020/4/22
30
n位A/D转 换器
基准电压 UREF
电路由启动脉冲启图动7-9后逐: 次逼近型ADC电路框图
CP
D n-1D n-2 D n-3…D1D0
0
1 0 0… 00
1
D n-1 1 0… 00
2
D n-1 D n-2 1… 00
…
…
n-21020/4/22D n-1D n-2 D n-3…D11
（1）电路组成
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。
2020/4/22
28
划分量化电平的两种方法 （a）量化误差大；（b）量化误差小
2020/4/22
29
7.2.2 A/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
1. 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。
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。
2020/4/22
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：
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%/℃
2020/4/22
22
2. 应用举例 （组成锯齿波发生器）
图7-5 AD7520组成的锯齿波发生器
图7-5 AD7520组成 的锯齿波发生器
16
3. 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。
2020/4/22
17
4. 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。
25
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 ≥ 2fmax