1、第九章数模与模数转换器第九章数模与模数转换器一般电子（控制）系统的组成一般电子（控制）系统的组成00111、倒、倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器（1）结构原理）结构原理R-2R电阻网电阻网电子开关电子开关数字输入数字输入权电流权电流9.1 D/A转换器转换器 14041404001122334403122132222)2222(22222iiiREFiiiDRVDIDDDDIIDIDIDIDI（3）运算放大）运算放大器的输出电压器的输出电压 140422iiifREFfoDRRURIU（2）输出电流）输出电流10100011112222)2222(2niiinREFniiinnnnn
2、nDRVDIDDDDII运放的输出电压运放的输出电压 1022niiinfREFfoDRRVRIU若若Rf=R,则有则有 1022niiinREFODVU（4）推广到一般，输出电流）推广到一般，输出电流模拟输出电压模拟输出电压Uo只与数只与数字量有关字量有关D/A转换。转换。（5）转换精度问题）转换精度问题由运放的输出电压一般表达式由运放的输出电压一般表达式 1022niiinfREFfoDRRVRIU1）R-2R网络精度问题网络精度问题2）电子开关导通时的内阻问题）电子开关导通时的内阻问题制造时采用激光校准技术解决；i、采用权电流型电路解决；ii、采用把内阻归入2R电阻中解决；3）参考电压）
3、参考电压VREF的精度，电阻的精度，电阻Rf的精度的精度用户自己解决。用户自己解决。2、权电流型、权电流型D/A转换器转换器（1）结构原理）结构原理权电权电流源流源30422iiiffODRIRIU1022niiifnODRIU一般表一般表达式：达式：（2）运放输出电压）运放输出电压)256255(REFV)256129(REFV)256128(REFV)256127(REFV)2561(REFV)2560(REFVMSB 数字数字量 LSB模拟量模拟量11111111 10000001100000000111111100000001000000003、D/A转换器的输出方式转换器的输出方式（
4、1）单极性）单极性输出（输出（8位）位）输出极性取决与输出极性取决与参考电压参考电压 极性。极性。+IRfD0D1Dn-1VREFVoD/A+（2）反向输出）反向输出输出输出Vo的极性与参考电压的极性与参考电压VREF极性正好相反！极性正好相反！（3）运算放大器的输出电压(2)This dualslope A/D converter provides automatic polarity and zero correction with the addition of two external resistors and two capacitors.逐次逼近式ADC原理(1)The TC14
5、433 is a low power,highperformance,monolithic CMOS 31/2 digit A/D converter.三、输出电压(电流)的建立时间1）R-2R网络精度问题当该数小于输入时，留下；9 millivolts to 1.积分器对uI进行反向积分。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则积分器对uI进行反向积分。（3）第3个CP使分配器输出11011，使Q3Q0=1010，若分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。对于n位输出二进制码，并行ADC就需要2n-1个比较器。保持：CPS=0，T截止，电容C无路放电，运放输出 。D7-D0：数据输入端十进制数2的
6、补码模拟D7D6D5D4D3D2D1D0 127011111111271260111111012610000000110000000000-111111111-1-12710000001-127-12810000000-128（3）双极性输出）双极性输出 1）2的补码的补码正数：补码原码负数：补码反码1符号位符号位十进制数偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0127111111111271261111111012611000000110100000000-101111111-1-12700000001-127-12800000000-1282）偏移二进制码偏移二进制码编码为正,)2
7、22(2170811REFiiiREFREFOVDVVVVV偏移二进制码偏移二进制码D编码为负,)222(7081REFiiiREFVDVV双极性双极性输出电输出电路实现：路实现：4 D/A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标 一般一般用输入数字量的有效位数来表示分辨率。用输入数字量的有效位数来表示分辨率。一、分辨率一、分辨率 二、线性度二、线性度 通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线变换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。为非线性误差。三、输
8、出电压三、输出电压(电流电流)的建立时间的建立时间121n12nREFOVVmVVVO6.191258D/A转换的速度，例如：1次/1us5、8位位 D/A转换器转换器 DAC 0832及其应用及其应用 D/A变换器集成电路有多种型号。下面仅变换器集成电路有多种型号。下面仅以以DAC0832为例来介绍集成电路为例来介绍集成电路D/A变换器。变换器。它是八位的它是八位的D/A变换器变换器,即在对其输入八即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。获得相应的模拟电压值。DAC 0832 简化电路框图简化电路框图八位八位寄存器寄存器
9、(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)输入输入八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。第九章数模与模数转换器三、输出电压(电流)的建立时间假设此时计数器已记录了N个脉冲，则例如：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。ii、采用把内阻归入2R电阻中解决；（6）第6个CP使分配器输出11111，Q3Q0 被打入D触发器，转换结果输出。阻输出端D/A变换器集成电路有多种型号。i、采用权电流型电路解决；双极性输出电路实现：(1)START和CP到达，时序分配器置数
10、01111，使Q3Q2Q1Q0=1000，D/A输出模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。（3）运算放大器的输出电压2）电子开关导通时的内阻问题假设此时计数器已记录了N个脉冲，则2）电子开关导通时的内阻问题D/A变换器集成电路有多种型号。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则DAC 0832 管脚图管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRf bDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片选端：片选端WR1、WR2：写入端：写入端D7-D0：数据输入端：数据输入端XFER：转移控制端：转移控制端
11、ILE：锁存使能端：锁存使能端Iout2Iout1：电流输出端：电流输出端UR：参考电压端参考电压端Rf b：内部反馈电内部反馈电 阻输出端阻输出端功功 能能数据数据D D7 7-D-D0 0输输入到寄存器入到寄存器1 1数据由寄存器数据由寄存器1 1转送寄存器转送寄存器2 2从输出端取从输出端取模拟量模拟量控控 制制 条条 件件CSILEWR1WR2XFER说说 明明01WR1=0时存入数据时存入数据WR1=1时锁定时锁定WR2=0时存入数据时存入数据WR2=1时锁定时锁定0无控制信号，无控制信号，随时可取随时可取DAC0832 功功 能能 表表例例1.DAC的连接工作的连接工作例例2 集成
12、集成DAC应用应用 可编程电源1ADC的组成的组成 9.2 A/D转换器转换器(1)采样保持采样保持IuCuITCPsAIu（2）采样保持）采样保持示意图示意图（3）采样保持）采样保持电路图电路图 CPs的频率（采样频的频率（采样频率）率）fs必须满足：必须满足：fs2f imax 这样才能将采样保这样才能将采样保持后的持后的 不失真地不失真地恢复成输入电压恢复成输入电压 。)(tuI)(tuI采样采样：CPS=1，T导通，电容C充电，运放输出 跟踪输入电压 uI(t)。)(tuI保持保持：CPS=0，T截止，电容C无路放电，运放输出 。)()(tutuCI（4）量化编码）量化编码量化：量化：
13、将介于两个离散电平之间的采样值，归并到这两个离散电平之一上。编码：编码：将量化后的有限个整量值用n位一组数字代码来描述以形成数字量。（5）量化方式量化方式和量化误差和量化误差 只舍不入法只舍不入法量化误差为：量化误差为：S(量化单位量化单位).000000011101100例如：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。（4）第4个CP使分配器输出11101，使Q3Q0=1001，若FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM（1）单极性输出（8位）对于n位输出二进制码，并行ADC就需要2n-1个比较器。(1)The TC14433 is a low power,highperfor
14、mance,monolithic CMOS 31/2 digit A/D converter.假设此时计数器已记录了N个脉冲，则假设此时计数器已记录了N个脉冲，则假设此时计数器已记录了N个脉冲，则分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。(1)START和CP到达，时序分配器置数01111，使Q3Q2Q1Q0=1000，D/A输出例如，n8，（8位的ADC），Um5V，其分辨率为：1、倒T型电阻网络D/A转换器分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。4 D/A变换器的主要技术指标（5）量化方式和量化误差5、8位 D/A转换器 DAC 0832及其应用D/A变换器集成电路有多种型号。（5）量化方式
15、和量化误差第九章数模与模数转换器例如：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。2)四舍五入法四舍五入法量化误差为：量化误差为：S/20000011001101009.3 几种典型几种典型的的A/D转换器转换器量化：量化：电阻串分压构成；比较：比较：输入模拟电压uI通过器与量化单位比较；存储：存储：比较结果由D触发器存储；数字量：数字量：D触发器输出通过编码器形成数字量。(1)START和CP到达，时序分配器置数01111，使Q3Q2Q1Q0=1000，D/A输出 比较；与输入IuRU 逐次逼近式逐次逼近式ADC原理原理0 1 1 1 11000若。0,1,GFuUIR（2）第2个CP到
16、分配器输出10111，使Q3Q0=1100，D/A输出再与uI比较，若；则1,0,GFuUIR1 0 1 1 11 1 0 1 11100（3）第3个CP使分配器输出11011，使Q3Q0=1010，若；则1,0,GFuUIR10101 1 1 0 11 1 1 1 01 1 1 1 1（4）第4个CP使分配器输出11101，使Q3Q0=1001，若；则0,1,GFuUIR（5）第5个CP使分配器输出11110，使Q3Q0=1001，转换结束；（6）第6个CP使分配器输出11111，Q3Q0 被打入D触发器，转换结果输出。100110011 1 1 0 11 1 1 1 01 1 1 1 11
17、00110013、双积分、双积分ADC S uIRA1uAA2UCC积分器过零比较器 URQnFnRQn1Fn1RQ1F1RQ0F0RGCPuG启动Dn1D1D0 1)采样阶段：启动脉冲使Qn=0，开关S与输入信号uI连接,A/D转换开始。积分器对uI进行反向积分。dtuutA101uA0，比较器输出UC=1，G门打开，n位二进制计数器从0开始计数。一直到 CPnTTt21触发器Fn Fn-1 F0为：10 0，开关S转接至基准电源UR，采样阶段结束。ICPnIAAuTuTUu210dtuutA101 2)比较阶段：积分器对-UR进行积分CPNTTtT12代入上式得 021CPRCPnANTU
18、uTu求得 nRINUu2)(2)(11101TtUuTdtUUuRCPntTRAA 当uA0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则 N9.4ADC的主要技术指标的主要技术指标 1.分辨率分辨率 分辨率分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。mVUm53.19256528分辨率分辨率 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。nmU2分辨率分辨率输入最大值 例如，n8，（8位的ADC），Um5V，其分辨率为：2.转换误差转换误差 转换误差转换误差:表示ADC实际输出的数字量和理论值之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。例如
19、：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。3.转换速度转换速度 并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其转换时间在50ns内；逐次逼近型ADC转换速度次之，一般在10150s；双积分式ADC转换速度最慢，转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。转换时间：转换时间：指ADC从转换启动，到输出端得到稳定的数据信号所经过的时间。双积分双积分A/D转换器实例转换器实例-TC14433(MC14433)3-1/2 Digit Analog-to-Digital ConvertersnGENE
20、RAL DESCRIPTIONn(1)The TC14433 is a low power,highperformance,monolithic CMOS 31/2 digit A/D converter.The TC14433 combines both analog and digital circuits on a single IC,thus minimizing the number of external components.(2)This dualslope A/D converter provides automatic polarity and zero correctio
21、n with the addition of two external resistors and two capacitors.(3)The fullscale voltage range of this ratiometric IC extends from 199.9 millivolts to 1.999 volts.(4)The TC14433 can operate over a wide range of power supply voltages,including batteries and standard 5volt supplies.PIN DESCRIPTIONSii
22、、采用把内阻归入2R电阻中解决；例如：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。逐次逼近式ADC原理（3）运算放大器的输出电压积分器对uI进行反向积分。例如：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。输出极性取决与参考电压 极性。触发器Fn Fn-1 F0为：10 0，开关S转接至基准电源UR，采样阶段结束。(1)The TC14433 is a low power,highperformance,monolithic CMOS 31/2 digit A/D converter.2）电子开关导通时的内阻问题D/A转换的速度，例如：1次/1u
23、s输出Vo的极性与参考电压VREF极性正好相反！ii、采用把内阻归入2R电阻中解决；(1)The TC14433 is a low power,highperformance,monolithic CMOS 31/2 digit A/D converter.例如：转换误差LSB/2，表示误差小于最低位的半个字。模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。A/D转换器分为：并行比较型、逐次逼近型和双积分型三种。三、输出电压(电流)的建立时间当该数小于输入时，留下；FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM千位千位百位百位十位十位十位十位当uA0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停
24、止计数。ii、采用把内阻归入2R电阻中解决；(1)The TC14433 is a low power,highperformance,monolithic CMOS 31/2 digit A/D converter.由运放的输出电压一般表达式4 D/A变换器的主要技术指标模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。对于n位输出二进制码，并行ADC就需要2n-1个比较器。（3）采样保持电路图1、倒T型电阻网络D/A转换器当该数小于输入时，留下；A/D转换器分为：并行比较型、逐次逼近型和双积分型三种。模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。D7-D0：数据输入端DAC 0832 简化电路框图2）
25、电子开关导通时的内阻问题(3)The fullscale voltage range of this ratiometric IC extends from 199.模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。GENERAL DESCRIPTION比较：输入模拟电压uI通过器与量化单位比较；逐次逼近式ADC原理三、输出电压(电流)的建立时间对于n位输出二进制码，并行ADC就需要2n-1个比较器。积分器对uI进行反向积分。(3)The fullscale voltage range of this ratiometric IC extends from 199.假设此时计数器已记录了N个脉冲，则逐
26、次逼近式ADC原理(2)This dualslope A/D converter provides automatic polarity and zero correction with the addition of two external resistors and two capacitors.（3）采样保持电路图模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。对于n位输出二进制码，并行ADC就需要2n-1个比较器。（5）量化方式和量化误差(1)START和CP到达，时序分配器置数01111，使Q3Q2Q1Q0=1000，D/A输出转换误差:表示ADC实际输出的数字量和理论值之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。（2）采样保持示意图第九章数模与模数转换器模拟输出电压Uo只与数字量有关D/A转换。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则输出Vo的极性与参考电压VREF极性正好相反！A/D转换器分为：并行比较型、逐次逼近型和双积分型三种。存储：比较结果由D触发器存储；
