第九章
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第九章 A/D 与 D/A 转换器. 9.1 导论. 9.2 D/A 转换器. 9.3 A/D 转换器. 9.1 导论. 自然界中存在的物理量大都是模拟量,如温度、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,用数字电路处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( Analog to Digital ). 数字量变换为模拟量 — D/A 转换( Digital to Analog ). 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. 9.2 D/A 转换器.

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9.2 D/A 转换器

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第九章 A/D与D/A转换器

9.1 导论

9.2 D/A转换器

9.3 A/D转换器


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9.1导论

自然界中存在的物理量大都是模拟量,如温度、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,用数字电路处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(Analog to Digital)

数字量变换为模拟量—D/A转换(Digital to Analog)

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


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9.2 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 :

而输出应当是与输入的数字量D成比例的模拟量A:

K为一个常量,单位为伏特。

电阻解码网络是D/A转换器的主要组成部分。


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D/A转换器的组成:

用于存放在数字寄存器中的数字量的各位数码

将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压

由输入数字量控制

产生权电流

DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入


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D/A转换器的分类:

T型电阻网络DAC

按解码网络结构分类

倒T形电阻网络DAC

D/A 转换器

权电流DAC

权电阻网络DAC

CMOS开关型DAC

按模拟电子开关电路分类

电流开关型DAC

ECL电流开关型DAC

双极型开关型DAC


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9.2.1 权电阻网络D/A转换器

由电阻解码网络、电子开关和运放组成。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。


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优点:

所用电阻数少

缺点:

阻值分散,

集成电路制作

困难

D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关,将二进制数转换为与之成比例的模拟量,转换输出可以写成 :


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9.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器

倒T型电阻网络是集成D/A转换器中采用最多的一种

与权电阻网络相比,电阻阻值仅两种,便于集成。


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R

R

R

R


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9.2.3 权电流型D/A转换器

为进一步提高D/A转换器的转换精度,可采用恒流源,每个支路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响,从而降低了对开关电路的要求


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9.2.3 集成D/A转换器及其应用

常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等。

例1. D/A转换器AD7520 (倒T型电阻网络)

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。


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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。

  具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。


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D0~D9:数据输入端

Rf:10KΩ反馈电阻引出端

IOUT1:电流输出端1

IOUT2:电流输出端2

Vcc:电源输入端

UREF:基准电压输入端

GND:地。


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应用举例 (组成锯齿波发生器)

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。


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使用时,需要外接运放和产生基准电流用的电阻R1。

例2. D/A转换器DAC0808( 8位权电流型D/A转换器)

当VREF=10V、

R1=5kΩ、

Rf=5kΩ时,

输出电压为:


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9.2.4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。

n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。

分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为:


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转换精度:

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。

产生原因:

由于D/A转换器中各元件参数值存在误差,如基准电压不够稳定、运算放大器的零漂、模拟开关不够理想、电阻网络中电阻阻值的偏差等各种因素的影响。

几种转换误差:

有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等


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转换速度:

1.建立时间— 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—输入数字量的各位由全0变为全1、或由全1变为0时,输出电压的变化率。这个参数与运算放大器的压摆率类似。


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9.3 A/D转换器

9.3.1、A/D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。


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采样频率的选择应满足采样定理:fs≥2 fi(max)。

当vL为高电平时,T导通,vI经Ri和T向电容Ch充电。

vO=-vI=vC。

一. 取样—保持电路

当vL返回低电平后,T截止。Ch无放电回路,vO保存。

取Ri=Rf


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典型的采样保持电路—LF398

LF398:在输入端加隔离放大器


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二、量化与编码

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。


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划分量化电平的两种方法

(a)量化误差大;(b)量化误差小


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9.3.2 A/D转换器的分类

A/D转换器的技术指标—转换精度与转换速度


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9.3.3 并联比较型A/D转换器(直接型)


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并联比较型A/D转换器:

转换精度主要取决于量化电平的划分

优点:

转换速度最快,完成一次转换所需要的时间只包括一级触发器的翻转时间和三级门电路的传输延迟时间。

缺点:

电路复杂,n位转换器,所用的比较器和触发器的个数为2n-1。


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9.3.4 反馈比较型A/D转换器(直接型)

一.计数型A/D转换器


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计数型A/D转换器:

优点:

电路非常简单,在对转换速度没有严格要求时仍是一种可取的方案。


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二.逐次渐近型A/D转换器


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工作原理

先用一个800mV的电压与ui比较,由于ui<800mV,将800mV的电压砝码去掉,加400mV的砝码,ui>400mV,于是保留400mV的电压砝码。再加200mV的电压砝码,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。


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3位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图


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逐次渐近型A/D转换器:

对n位输出的A/D转换器,完成一次转换所需时间为n+2个时钟信号周期

转换速度比并联比较型A/D转换器低,但比计数型A/D转换器速度要高得多

在输出位数较多时,电路规模要比并联型小得多,因此逐次渐近型A/D转换器是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种电路。


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实例: 逐次逼近型集成A/D—ADC0809


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9.3.5 双积分型A/D转换器

一、工作原理

采样阶段—

定时积分阶段

比较转换阶段

—定电压积分阶段


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采样:

定时积分阶段

比较:

定电压积分阶段


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双积分型A/D转换器:

优点:

良好的稳定性,可实现高精度:由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比,故转换结果和精度与R、C无关。

抗干扰能力强:积分采样对交流噪声有很强的抑制能力;如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时,则可有效地抑制工频干扰。

缺点:

转换速度较慢:完成一次A/D转换至少需要(T1+T2)时间,因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。


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9.3.6 A/D转换器的转换精度与转换速度

一. 转换精度

1.分辨率—说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。

一般以输出二进制(或十进制)数的位数表示。

因为,在最大输入电压一定时,输出位数愈多,量化单位愈小,分辨率愈高

例如,输入模拟电压满量程为10V,若用8位ADC转换时,其分辨率为10V/28=39mV,10位的ADC是9.76mV,而12位的ADC为2.44mV。


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2.转换误差—表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出,常用最低有效位的倍数表示。

例如,相对误差≤±LSB/2,就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。


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二. 转换精度

完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间,转换时间越短,则转换速度越快。

并联比较A/D转换器转换速度最高:~10ns;

逐次比较型A/D转换器次之:10~100us;

间接A/D转换器的速度最慢:几十~几百ms。


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1.A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件,应用日益广泛。

本章小结

2.倒T型电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种,各2R支路电流Ii与Di数码状态无关,是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间,因而具有较高的转换速度。

3.在权电流型D/A转换器中,由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点,双极型单片集成D/A转换器多采用此种类型电路。


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4.不同的A/D转换方式具有各自的特点,并行A/D转换器速度高;双积分A/D转换器精度高;逐次渐近型A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点,因此得到普遍应用。

本章小结

5.A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度,在与系统连接后,转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前,A/D与D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口,用以满足各个应用领域对信号处理的要求。


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