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第九章数-模和模-数转换数模转换DA模数转换AD转换精度

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数模转换讲解

数模转换讲解
编码：
用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。
量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量 化方法：
22
－1/15V
若用此范围表示
001会更准确
量化误差＝
量化误差＝
2
当输入电压不为 的整数倍时，必然产
23
生误差，称为量化误差。
输入为双极性时： 输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：
=1V
第一次积分:对输入模拟电压定 时积分，时间为T1,由控制逻辑 电路决定；
C
1 Idt I
C
CR
电容C上电压
dt
第二次积分:对参考电源VREF定
速积分， O的变化速度由
VREF,R和C决定。
31
t1时刻电容电压 c 即 o 值为：
o
权电阻网络D/A转换器
D/A 转 换
倒T型电阻网络D/A转换器 权电流型D/A转换器 权电容网络D/A转换器
器
开关树型D/A转换器
并联比较型 计数型
A/D
直接转换型 反馈比较型
转
逐次渐进型
换 器
间接转换型 双积分型（V－T变换型）
V—F变换型 3
第二节 D/A转换器 权电阻网络
一、权电阻网络D/A转换器 1.原理
非线性误差有时导致 转换特性局部非单调性， 从而引起系统不稳定。
注意：运放和参考 电源多为外接，电 阻网络和模拟开关 在集成DAC内部。
15
例：在10位倒T型电阻网络DAC中，VREF=-10V。为保证VREF偏离 标准值所引起的误差小于1/2LSB，计算VREF相对稳定度应取多少？ 解：
1.计算1/2LSB: 当输入数字量D=1时，输出电压为LSB。故：

AD.DA转换原理

AD.DA转换原理

9.2.1 权电阻网络D/A转换器 一、电路组成 三部分：权电阻网络、模拟开关（受代码d3～d0的控制，代 码为1时接VREF，为0时接地）、求和放大器
二、工作原理
即vO正比于Dn
VREF可正可负 优缺点：电阻少，但差值大，不易集成。
9.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器 一、电路的组成 电阻网络、模拟开关、求和放大器A、基准电压VREF。
次高位置1， 判断保留或去除； ……………….. 最低位置1，
判断保留或去除；
n位需(n＋2)个CP脉冲
工作原理
例如：参考电压VREF=－5V, 模拟vI=3.2. 设初态QAQBQC=000, 环形计数器Q1~Q5＝10000，即Q1＝1 （1）CP1 ↑ 到来 SA=1, RA=0; SB=0, RB=1; SC=0, RC=1 置成 100→ vO＝5×2－1＝2.5V ∵ vO < vI 且CP1 ↑过后， Q1~Q5 ＝01000，即Q2 ＝1 ∴ vC =0
1 1 0.001 10 2 1 1023
2、转换误差（实际精度） 转换误差：实际与理论值的最大偏差（例如：≤00…01时的 输出电压） 是一个由各种因素引起的转换误差的综合指标。
因素：VREF波动；运放的零漂；
模拟开关的导通内阻及压降； 电阻阻值偏差；二极管特性不一致
二、D/A转换器的转换速度 用建立时间t set定量描述D/A转换器的转换速度 t set ：从输入数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳态值相 1 差 2 LSB 范围以内的时间。 一般定为：从全0变为全1所需的时间。 不包含运放的单片集成DAC： t set <0.1µ m 包含运放的单片集成DAC： t set <0.15µ m 外加运放的DAC的最大转换时间：

第9章-DAC和ADC

第9章-DAC和ADC

图9.2.6
DAC——CB7520电路原理图
【例1】 下图是用CB7520和74LS161组成的波形发生器电路。已 知CB7520的VREF=-10V，试画出输出电压V0的波形，并标出波形图 上各点电压的幅度。
9.2.7
DAC——CB7520应用举例
§9.2.3 权电流型D/A转换器
在权电阻网络DAC和倒T形电阻网络DAC中的模拟开关在实 际应用中，总存在一定的导通电阻和导通压降，而且每个开关的 情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响 转换精度。 权电流型DAC可有效的解决这一问题。其示意图如下：
n
其中： X X n 2
n 1
X n 1 2
n2
X 1 2 Dn
0
一般的数模转换器的基本组成可分为四部分，即：电 阻译码网络、模拟开关、基准电压源和求和运算放大器。
图9.2.2 数模转换器原理图
目前使用最广泛的D/A转换技术有两种：权电阻网络 D/A转换和T形电阻网络D/A转换。
本章主要内容
第一节
概述
第二节
D/A转换器
第三节 A/D转换器
§9.1 概述
DAC和ADC的应用举例：
DAC和ADC的应用举例——MP3播放器：
DAC和ADC的应用举例——数字温度计：
DAC和ADC的应用举例——数字血压计：
在过程控制和信息处理中，经常会遇到一些连续变化的 物理量，如话音、温度、压力、流量等，它们的量值都是 随时间连续变化的。为了能使用数字电路处理模拟信号， 必须把模拟信号转换成相应的数字信号，方能送入数字系 统进行处理。同时，还往往要求将处理后得到的数字信号 再转换为相应的模拟信号作为最后的输出。 图9.1.1所示即为一个典型的数字控制系统框图：

数字技术电路课件第九章 数模与模数转换电路

数字技术电路课件第九章 数模与模数转换电路

Di 2
（MSB） D7 12 数字量输入 3 V EE = -15V
16 0.01μF
DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）
五． D/A转换器的主要技术指标
1.转换精度 （1）分辨率——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，常用字量的位数 表示D/A转换器的分辨率。 此外，也可用 D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率， N位D/A转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。 （2）转换误差——
(LSB) D0 D1 D2 (MSB) D3 Rf
iΣ
A
+
vo
S0 2R 2R I 16 R I 16 I 8 2R
S1 I 8 R I 4 2R
S2 I 4 R I 2 2R
S3 I 2 +V R EF I
可算出，基准电流 I=VREF/R， 则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。 于是得总电流：
N沟道MOS管T作为开关用。 当控制信号vL为高电平时，T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。 则充电结束后 vO=－vI=vC。 当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值 可被保存下来。
vo
Dn-1 输入 输出
010 011 100 101
110 111 D
二． 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）
图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制， 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路； 当Di=0时，Si将电阻2R接地。
所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。

第9章数模和模数转换

第9章数模和模数转换


Vref 2n
i
1 LSB 2
~
Vref 2n
i
1 2
LSB


Xi
i = 0, 1, 2,…, n-1.
1 2
LSB

Vref 2n1
称为量化误差
9.3.1 ADC的工作过程
1. 采样与保持 采样：按一定的时间间隔取信号一瞬间的值。
输入信号 采样脉冲 采样信号
为采样时间
TS 为采样周期

x2 4

x3 8

Vref 23 R
x122 x2 21 x3 20

Vref 23 R
X
V0 iRf


Vref 23
Rf R
X
当 Rf
R
时， V0


Vref 23
X
9.1.4 R-2R倒梯形DAC
从每个节点(ABC)向右看，等效电阻都是2R。因
此每过一个节点，电流减小一半。
x1
Vref R

x2
Vref 2R

x3
Vref 4R



R f Vref 22 R
x122 x2 21 x3 20


Vref 23
X
其中取 R 2R f ，x1, x2 , x3 取值为0或1。
9.1.3 R-2R T形电阻网络DAC
(1) 当 x3 = x2 = 0, x1 = 1 时
普通电视图象信号，最高频率达 5.5MHz，用 24位真彩 色，采样频率用 11MHz，则转换输出码率为 264Mb ps，即 31.47MByte ps。用普通光盘可以存储约 20秒种。

数电 AD DA转换.ppt

数电 AD DA转换.ppt
补充 数—模和模—数转换 9.1 概 述
模拟电路：处理连续变化信号的电路 数字电路：处理数字信号的电路
模数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号 数模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号
模数转换举例：
模拟 信号
模数 转换
数字 信号
数字显 示电路
数字电压表
数模转换举例：
控制器
开/关 播放/暂停
例：把0~1V的模拟电压转换成3位二进 输入 制代码，即用000~111表示0~1V的电压 信号
解：方法一
1V 7/8V
取最小量化单位为1/8 V，即△ =1/8 V 6/8V
并规定：0~1/8V为0 △， 1/8~2/8V为1 △，…
5/8V 4/8V 3/8V
则最大量化误差为1 △=1/8V。 2/8V
VV+
+A
vO
I0 I1 I2 I3
模拟开关 S0 S1 S2 S3
求和放大器
VREF
d0 d1 d2 d3
LSB
MSB
模拟开关受每各位数码控制
权电阻网络确定每条支路电流的大小
求和放大电路把各支路电流求和并转换成电压
放大器原理
Rf
A为运算放大器
i
与电阻配合构成反相比例运算电路 R
Vii+
A
+
vo
V+
I 4
I3

I 3

I 2
I 2
2R
I VREF
LSB
MSB
d0 d1 d2 d3
S0 S1 S2 S3 I0 I1 I2 I3
2R 2R 2R 2R RRR
I'0 I'1 I'2 I'3 I

9 数-模和模-数转换


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下页
返回
数字电子技术基础
(2) 转换误差
偏移误差：数字输入代码
全为0时，D/A转换器的输
出电压与理想输出电压0V 之差。 增益误差： 为数字输入代 码由全0变全1时，输出电压 变化量与理想输出电压变化 量之差。 上页 下页 返回
数字电子技术基础
非线性误差：为D/A转换器实
际输出电压值与理想输出电压
上页
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返回
数字电子技术基础
9.3.3 逐次渐进型A/D转换器
1. 逐次渐进型A/D转换器的方框图 组成：
数码寄存器
D/A转换器 电压比较器 控制电路 上页 下页 返回
数字电子技术基础
2. 工作原理 类似于天平称物体重量。 设有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。 待秤重量Wx = 13克，秤量步骤： 顺序 1 2 3 4 8 g 8g+4 g 8g+4g+2g 8g+4g+1g 上页 砝 码 重 比较判断 8g < 13g 12g < 13g 14g > 13g 13g ＝13g 下页 保留 保留 撤去
压转换电路的输入端，当
输入的数字代码为0时，相 应权电流接地。
上页
下页
返回
数字电子技术基础
同理，n位倒T形电阻网络DAC的输出电压
其中，(-RFVREF/2nR)为DAC的单位量化电压。 上页 下页 返回
数字电子技术基础
倒T形电阻网络存在的问题： 实际的电子开关总存在一定的且不可能完全相同的导通
上页
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返回
数字电子技术基础
0~0.7V的模拟信号转化为3位二进制数码的量化过程 方法一（只舍不入法） 方法二（四舍五入法）

第九章数模和模数转换器


16 8
42
应数字量的权重成正比。
-RF + uO
若Di=0，Si接地， Ii不能加到运放输入端
若Di=1，Si将对应的恒流
源加到运放输入端
-VREF
Ii
I 16
Di 2i
i
Ii
I 16
(23
D3
22 D2
21 D1
20 D0 )
uO
i RF
IR F 24
(23 D3
22 D2
21 D1
分辨率 Vomin Vo max
1 2n 1
2、转换误差
转换误差－－指输出模拟电压的实际值与理想值之差的最大值。
（1）造成转换误差的主要原因 ：
参考电压 VREF的波动 －－比例系数误差 运算放大器的零点漂移 －－失调误差
模拟开关的导通内阻和导通电压 电阻网络中的电阻值偏差等
－－非线性误差
（2）转换误差的表示方法 ：
(接运放的同相端)
Rfb 反馈电阻引出端
AGND 模拟地
VCC 电源(5~15V)
DGND 数字地
它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器 三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型电阻解码网络。
2.DAC0832使用说明
当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7～DI0进入输 入 寄 存 器 ； 并 在 WR1 的 上 升 沿 实 现 数 据 锁 存 。 当 WR2 和 XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并 在WR2的 上升沿 实 现数据 锁 存 。八 位 D/A转换 电 路随时将 DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。

数模转换和模数转换

• 常用的D/A转换器有T型(倒T型)电阻网络D/A转换器、权电阻网络D/A 转换器、权电流D/A转换器及电容型D/A转换器等等。这里只介绍一 下倒T型电阻网络D/A转换器。
• 1.倒T型电阻网络D/A转换器 • 如图9-1-2所示为一个4位倒T型电阻网络D/A转换器(按同样结构可将
它扩展到任意位)，它由数据锁存器(图中未画)、模拟电子开关 (S0~S3) , R~ 2R倒T型电阻网络、运算放大器(A)及基准电压U REF组 成。
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9. 2 模数转换电路
• 3. ADC0809应用说明 • (1)ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 • (2)初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 • (3)送要转换的那一通道的地址到A,B,C端口上。 • (4)在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 • (5)是否转换完毕，可以根据EOC信号来判断。 • (6)当EOC变为高电平时，这时给GE为高电平，转换的数据就输出给
的取样频率由取样定理确定。 • 根据采样定理，用数字方法传递和处理模拟信号，并不需要信号在整
个作用时间内的数值，只需要采样点的数值。所以，在前后两次采样 之间可把采样所得的模拟信号暂时存储起来以便将其进行量化和编码。 • 2.量化和编码 • 经过采样、保持后的模拟电压是一个个离散的电压值。对这么多离散 电压直接进行数字化(即用有限个。
• 1.集成D/A转换器DA7520 • 常用的集成D/A转换器有DA7520,DAC0832,DA00808 , DA01230,
MC1408、AD7524等，这里只对DA7520做介绍。 • DA7520的外引线排列及连接电路如图9-1-3所示. • DA7520的主要性能参数如下: • (1)分辨率:十位; • (2)线性误差 • (3)转换速度

第九章数模（DA）和模数（AD）转换电路

第九章 数模（D/A ）和模数（A/D ）转换电路一、 内容提要模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为A/D （Analog to Digital ），把实现A/D 转换的电路称为A/D 转换器（Analog Digital Converter ADC ）；从数字信号到模拟信号的转换称为D/A （Digital to Analog ）转换，把实现D/A 转换的电路称为D/A 转换器（ Digital Analog Converter DAC ）。

ADC 和DAC 是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。

二、 重点难点本章重点内容有：1、D/A 转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输入与输出关系的定量计算；2、A/D 转换器的主要类型（并联比较型、逐次逼近型、双积分型），他们的基本工作原理和综合性能的比较；3、D/A 、A/D 转换器的转换速度与转换精度及影响他们的主要因素。

三、本章习题类型与解题方法 DAC网络DAC 权电阻 ADC 直接ADC间接ADC权电流型DAC权电容型DAC开关树型DAC输入/输出方式 并行 串行 倒梯形电阻网络DAC这一章的习题可大致分为三种类型。

第一种类型是关于A/D 、D/A 转换的基本概念、转换电路基本工作原理和特点的题目，其中包括D/A 转换器输出电压的定量计算这样基本练习的题目。

第二种类型是D/A 转换器应用的题目，这种类型的题目数量最大。

第三种类型的题目是D/A 转换器和A/D 转换器中参考电压V REF 稳定度的计算，这种题目虽然数量不大，但是概念性比较强，而且有实用意义。

（一）D/A 转换器输出电压的定量计算【例9 -1】图9 -1是用DAC0830接成的D/A 转换电路。

DAC0830是8位二进制输入的倒T 形电阻网络D/A 转换器，若REF V =5 V ，试写出输出电压2O V 的计算公式，并计算当输人数字量为0、12n - (72)和2n -1(82-1)时的输出电压。

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V REF I3 d3 R
V REF I2 d2 2R
V REF I 1 2 d1 2 R
V REF I0 3 d0 2 R
di =1，有支路电流Ii
取RF =R/2代入
VREF 3 2 1 0 vo (d 3 2 d 2 2 d1 2 d 0 2 ) 4 2
n位的权电阻网络D/A转换器 当RF =R/2
第九章 数-模和模-数转换 数/模转换D/A 模/数转换A/D 转换精度和转换速度是衡量A/D D/A转换器性能优劣的主要指标。 9.1 D/A转换器 （1）权电阻网络D/A转换器 n位二进制数Dn=dn-1dn-2 … d1d0 权值 2n-12n-2 …2120 4位权电阻网络D/A转换器 n=4 S0—S3 4个电子开关， 1个求和放大器
VREF n Dn 2
9.2 A/D转换器 （1）基本原理 取样-保持-量化-编码 ①取样定理
取样频率≥输入模拟信号vI的最大频率分量频率 的2倍，就可以用低通滤波器将取样信号vS还原vI。 低通滤波器的频率特性fS=(3—5)fi(max)
fS≥2fi(max)
②量化和编码 最小数量单位称为量化单位△ 将取样电压表示为△的整数倍，叫做量化。 编码：将量化结果用代码表示。 量化误差：模拟电压取样值不被△整除， 舍弃的部分。 例：0—1V模拟信号用3位二进制码表示 取△=1/8V 最大量化误差△=1/8V
（2）并联比较型A/D转换器 直接A/D转换器 三部分组成： 电压比较器、寄存器、代码转换电路 输入信号vI是在 0—VREF参考电压源之间的模拟取样值。 输出3位二进制数码d2d1d0。 电阻分压： 1/15VREF—13/15VREF， 7个比较电平，量化单位△=2/15 VREF， 7个电压比较器C1…C7，vI →同相端， 比较电平 →反相端。 vI <1/15 VREF，C1…C7=0 全为0， 寄存器触发时钟CLK↑，存入全0。
流入V-电流
I I I I i d 3 d 2 d 1 d 0 2 4 8 16
反馈电阻R，输出电压
vo Ri VREF 3 2 1 0 4 (d 3 2 d 2 2 d1 2 d 0 2 ) 2
n位倒T形电阻网络 RF =R时
vo
VREF n 1 n2 1 0 ( d 2 d 2 d 2 d 2 ) n 1 n2 1 0 n 2
3/15 VREF
ห้องสมุดไป่ตู้
7个电压比较器C1…C7， vI →同相端， 比较电平 →反相端。 vI <1/15 VREF， C1…C7=0 全为0， 寄存器触发时钟CLK↑， 存入全0。 1/15 VREF ≤vI <3/15 VREF C1=1 CLK作用下Q1 =1， 其余全为0。 3/15 VREF ≤vI <5/15 VREF C1= C2=1 比较电压小于vI的 比较器输出全为1。
代码转换电路（编码器电路） d2 = Q4 d1= Q6+ Q’4 Q2 (0—1/15)VREF d0= Q7+ Q’6 Q5+ Q’4 Q3+ Q’2 Q1 (1/15—3/15)VREF 并联比较型A/D转换器 的转换精度取决于量化电平， △越小，精度越高， 比较器的触发器数目多， 电路复杂。
取△=2/15V 0—1/15 V 000 0—1/2△ 最大量化误差减小到 1/2△=1/15 V
输入模拟电压 在正、负范围内 变化时， 用二进制补码编码。
③取样保持电路 T是N沟道增强型MOS管， 作模拟开关用。 取样脉冲vL=高电平 T导通 vI→RI→T→CH 电容充电 取RI=RF，运放输入电流为零，充满电后 vo = vC = -vI 当vL=0 MOS管截止，vC保持，运放输入阻抗越高， CH漏电越小，保持时间越长。
权电阻网络简单，电阻阻值多，精度难以保证。
（2）倒T形电阻网络D/A转换器 开关Si接哪边都是接地。 只有R、2R两种阻值的电阻 V-虚地点，等效电路 电阻网络并联后， 总阻值为R，总电流
V REF I R
流过每个支路的电流 I/2、I/4、I/8、I/16 di=0 Si→V+ di=1 Si→V-
VREF VREF n 1 n2 1 0 vo n (d n 1 2 d n 2 2 d1 2 d 0 2 ) n Dn 2 2
vo变化范围 Dn=0 Dn =111…11 所以vo变化范围0 → vo=0，
2n 1 vo n VREF 2
2n 1 n VREF 2
(3/15—5/15)VREF (5/15—7/15)VREF (7/15—9/15)VREF (9/15—11/15)VREF (11/15—13/15)VREF (13/15—1)VREF
输入模拟电压 vI
寄存器状态 Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1 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
数字量 输出 d2d1d0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
优点：转换速度快，一级触发器的延迟时间和3级门电路的延迟时间50ns以下。 省去取样-保持电路，比较器和寄存器有取样-保持功能。 缺点：需要2n-1个电压比较器和2n-1个触发器，电路随输出代码的位数成倍上 升，如210-1=1023，不能实现n大的A/D转换。
,
d3 … d0代码为， 1，接参考电压源VREF ，有支路电流Ii 流向求和放大器。 d3 … d0代码为0，接地。
，
求和放大器是理想运放，接成负反馈
开环增益∞，输入电流=0， 输入电阻∞，输出电阻=0 V+>V- vo为正 V+<V- vo 为负 ∵RF负反馈， V->V+时， vo负值反馈V-，使V-降低。 ∴V-≈V+=0 虚地点 运放输入电流为零 vo= -RFi∑ = -RF(I3+I2+I1+I0) ∵V-≈0 ∴