1、电子技术2（数字部分）渤海职业学院机电工程系电子教研室 编制:李仕卫李仕卫(讲师讲师)审核:阎相环(高讲)第第第第第第7 7 7章章章章章章 数数数数数数/模和模模和模模和模模和模模和模模和模/数转换数转换数转换数转换数转换数转换学习要点：学习要点：数模和模数转换的基本原理 和第第第第第第7 7 7章章章章章章 数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换 和 7.1 概概 述述 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电
2、路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大功率放大执行机构执行机构加热炉加热炉温度传感器温度传感器信号放大信号放大多路开关7.2 D/A转换器转换器7.2.1R-2R 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC基本原理基本原理 图7-2 倒T形电阻网络原理图 2R2RR2RI0I1R2RABI0I1I2CI3DIVREFI2R2RI3001S01S101S201S3uORfD3D2D1D0低 位（LSB）高 位（MSB）i 电子模拟开关受输入二进制数D0D3控制，随着D为0或1，各开关分别处于图中0和1的位置。而无论S处于何位置，其电位均为0(运放同相端接地，反相端虚
3、地)，这样，从图中A、B、C、D各节点向里看对地的等效电阻均为R，即 RRRRRRRRRRRRRRRRRRRCDBCABA2/)(,2/)(2/)(,2/2所以电路中的电流关系如下：RVIIRVIIRVIIRVIIRVIREFREFREFREFREF161161,81814141,21210123流入运放反相端的总电流在二进制数D控制下的表达式为）（0011223340123001122332222216842DDDDRVDRVDRVDRVDRVDIDIDIDIiREFREFREFREFREF输出电压)2222(2001122334DDDDRVRRiuREFffO由上式可以看出，此电路完成了从
4、数字量到模拟量的转换。倒T形电阻网络由于其各支路电流不随开关状态而变化，有很高的转换速度，因此在D/A转换器中被广泛使用。7.2.2 集成集成D/A转换器转换器AD7520电路结构和应用电路结构和应用 AD7520的内部电阻网络结构 2RR2R2R2RRR2R2R2RRR10 k20 k10 kRfRFIOUT1IOUT2VREFD0D1D2D7D8D9一、电路结构一、电路结构 AD7520外引线图 123456714131211109IOUT1IOUT2GNDD9D8D7D6VD0D1D2D3D48D515VREF16RF接 支 路 电 阻 2RVDDV6V4CV8V90 1V7V5V1V2
5、V3V11D1V10BA电子模拟开关 二、二、AD7520的应用的应用1)单极性输出典型D/A电路 图7-6所示是由AD7520组成的单极性输出数模转换应用电路。电路由AD7520与求和运算放大器组成，运算放大器接成反向比例形式，反馈电阻RF利用AD7520内部提供的10 k电阻，也可另外再串接电阻。由前面分析可知，此电路的转换关系为)2222(2)2222(200118899100011889910DDDDVDDDDRVRuREFREFfO图7-6 单极性输出数模转换应用电路 AD7520RFIOUTIOUTVREFD9D0uOV（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位
6、的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。001.010231121107.2.3 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标本节小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。号转换成相
7、对应的模拟信号输出。D/A转换器根转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和转换器和T型电阻网络型电阻网络D/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T型电阻网络型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采转换器普遍采用这种电路结构。用这种电路结构。如果输入的是如果输入的是n位二进制数，则位二进制数，则D/A转换器转换器的输出电压为：的输出电压为：)2222(200112211oddddVunnnnnREF7.3 A/D转换器转换器7.3.1
8、采样、保持、和量化及编码采样、保持、和量化及编码dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。一、一、采样、保持电路采样、保持电路 采样保持电路原理 1、采样/保持电路的基本原理 uo,ui uo ui 0 波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t
9、 AuOC 保 持 电 容ut取 样 脉 冲模 拟 信 号输 入VuI 采样是在在时间上连续变化的信号中选出可供转换成数字量的有限个点。根据采样定理，只要采样频率大于二倍的模拟信号频谱中的最高频率，就不会丢失模拟信号所携带的信息。这样就把一个在时间上连续变化的模拟量变成了在时间上离散的电信号。由于每次把采样电压转换成数字量都需要一定的时间，因此在每次采样后必须将所采得的电压保持一段时间。完成这种功能的便是采样保持电路。图出了采样保持电路的原理电路。电路中场效应管V是采样开关，受控于采样脉冲；C是保持电容。当采样脉冲到来时，模拟开关闭合，模拟信号经V向C充电，C上的电压跟随输入信号变化。当采样脉
10、冲消失时，模拟开关便断开，C上的电压会保持一段时间。具体情况看波形图，uI是待转换的模拟信号，ut是取样脉冲，uO是经采样保持电路处理后的电压信号。图中的A是用运放构成的缓冲放大器。二、量化及编码 模数转换波形 uI0ttut0tuO76543210tuD76543210 101111110101011010001001011 1017.3.2、V-T型型 双积分式双积分式A/D转换器转换器 双积分型A/D转换器(a)原理框图;(b)工作波形 逻辑控制n位计数器n位寄存器CP源积分器uo比较器ubCS0RuiVREFN2(a)&T1T2tttN2N100N2CP0uot0t1t2(b)S1 下
11、面结合波形讨论工作原理。t=t0时，控制器将转换开关打到上面，积分器对模拟电压ui进行积分。此时，积分器输出uo小于零，过零比较器输出ub为1，计数器开始对CP脉冲计数。t=t1时，计数器输入N1个脉冲后，满容量溢出，计数器回零。同时，控制器将转换开关打到下面，积分器对基准电压-VREF进行反方向积分，计数器重新计数。t=t2时，积分器输出uo等于零，过零比较器输出ub为0，计数器停止计数。此时将计数器中的数N2输出到寄存器，完成一次转换。双积分型A/D转换器在一次转换过程中要进行两次积分。第一次积分为采样阶段。控制器使开关S1接至模拟电压ui，是在固定时间T1内进行积分，积分器输出为 101
12、1TiioTRCUdtuRCu（7-1）式中，Ui是输入模拟电压Ui在0T1时刻的平均值。第二次积分为比较阶段。积分器对基准电压-VREF进行反向积分。积分器输出为 2121TTREFREFoTRCVdtVRCu（7-2）在第二次积分结束时，有 21TRCVTRCUREFi（7-3）设CP脉冲的周期为TC，则式（7-3）可变为 CREFCiTNRCVTNRCU21（7-4）即 iREFREFiUVNNNVNU1221（7-5）输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为
13、1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。7.3.3、逐次逼近型A/D转换器Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP+Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G
14、3G4 G5QG6G7G8=1(ui uo)=0(uiuo)uc=1S C1 1R1S C1 1R1S C1 1R3 位D/A 转换器转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来u
15、c=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制
16、数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对误差在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。7.3.4A/D转换器的主要技术指标 2.ICL7106 A/D转换器转换器 ICL7106是双积分型CMOS工艺4位BCD码输出A/D转换器，它包含双积分A/D转换电路、基准电压发生器、时钟脉冲产生电路、自动极性变换、调零电路、七段译码器、LCD
17、驱动器及控制电路等。电路采用9 V单电源供电，CMOS差动输入，可直接驱动 位液晶显示器(LCD)。213.和和A/D转换器应用举例转换器应用举例ICL7106组成直流电压测量电路 OSC1OSC2OSC3TESTREFREFCREFCREFCOMININAZBUFFINTVgTcHaHgHBP40100 k393837100 pF时钟频率约50 kHz3635340.1 F1 k24 k33323130291 M0.01 FUi0.47 F47 k0.22 F28272625242322217106VdUcU123bU4aU5fU6gU7eU8dT9cT10bT11aT12fT13eT14d
18、H15bH16fH17eH18abK19P0()20接LCD相应端子9 VLCDgabagdfebcLCD 电路中V+对V-之间接9 V直流电压，通过内部基准电压发生器在V+到COM之间产生2.8 V基准电压，经分压电阻加在REF+、REF-基准电压输入端。当输入量程为200 mV时，基准电压调至100 mV;当输入量程为2 V时，基准电压为1 V。OSC1OSC3是时钟振荡电路引出端，外接定时电阻、电容产生内部时钟。IN+、IN-是差动输入端，将IN-与模拟地COM相连，IN+对COM之间为模拟电压输入。U接个位驱动、T接十位驱动、H接百位驱动、abK是千位驱动、P0为“-”号驱动、BP接液
19、晶背板。AZ、BUFF和INT分别接调零电容、积分电阻和积分电容，通过调整它们及基准电压，可将输入量程调至2 V(本电路为200 mV)。A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有转换方式具有各自的特点。并联比较型各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型型A/D转换器的性能比
20、较稳定，转换精度高，具有很转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。本节小结：课课 间间 休休 息息充分放松有益学习充分放松有益学习
