數字電子技術課件第七章數模與模數轉換電路第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日概述一、數/模和模/數器是模擬、數字系統間的橋梁模

/

數（A

/

D）轉換:AnalogtoDigitalConverter（ADC）數

/

模（D

/

A）轉換:DigitaltoAnalogConverter（DAC）數字計算機模擬系統A/DD/A二進制二進制線性線性存儲分析控制物理生物化學第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、常見數模、模數轉換器應用系統舉例壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關數字控制計算機DAC……模擬控制器模擬控制器液位傳感器DAC…DAC…模擬控制器模擬控制器生產控制對象

DACADC物理量二進制信號模擬信號三、A

/

D、D

/

A轉換器的精度和速度精度保證轉換的準確性速度保證適時控制第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.1D/A轉換器（DAC）7.1.1D/A轉換的基本要求1.D

/

A轉換思路…d0d1dn-1DACuO或iOn

位二進制如(1101)2可利用運算放大器實現運算2.轉換特性DuO/V7654321001010011100101110111一、輸入、輸出關系框圖第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、D/A轉換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子開關電阻網絡求和運放當d2d1d0=100,II

/

2I

/

4I

/

8I/2I=UREF/RuO三、工作原理第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日當d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日當d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8表達的一般形式第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日四、輸入為n位二進制數時的表達式當D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—轉換比例系數第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.1.2DAC的轉換精度、速度和主要參數一、轉換精度指D/A轉換器模擬輸出產生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數表示。為實際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.轉換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分數表示或可用最低有效位（LSB）的倍數表示。如:?（LSB）=輸入為0…01時輸出模擬電壓的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、轉換速度1.建立時間tsts

為在大信號工作下（輸入由全0變為全1，或由全1變為全0）,

輸出電壓達到某一規定值所需時間

。不包含UREF和運放的單片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和運放的單片DAC最短t

s<1.5s。2.轉換速率SR

用大信號工作狀態下模擬電壓的變化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升時間下降時間完成一次轉換所需時間TTR（max）=ts+UO（max）/SR第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日三、主要參數D/A轉換器5G7520的主要參數參數名稱單位參數值分辨率位10非線性度全量程的%≤0.05%轉換時間ns≤500UREFV–25+25電源電壓V515功耗mW

20溫度系數電源FSR10–6/oC50增益FSR10–6/oC10非線性FSR10–6/oC2第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日四、集成DAC芯片舉例1.5G7520

的電路結構UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1參考電壓源，可正可負。第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日2.應用電路單極性輸出uOUREFIO1IO25G7520223416151413VDDd0

d9Rf1–VEERRW1RW2RW3

輸入從00000000001111111111變化時，uO從0（1023

/

1024）UREF輸出與輸入的關系數碼輸入模擬輸出d9d8d7d6d5d4d3d2d1d0uO1111111111

1111111110…00000000010000000000–

（1023/1024）UREF–

（1022/1024）UREF

…–

（1/1024）UREF0UREF>0，uO<0第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.分辨率單極性輸出：分辨率分辨率

=5G7520為10位D

/

A轉換器，分辨率

=當UREF

=

10V時，最小輸出電壓

uO

=9.76mV雙極性輸出：對于5G7520分辨率=當UREF

=

10V時，最小輸出電壓uO=19.6mV第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.2A/D轉換器（ADC）7.2.1A/D轉換的一般步驟和取樣定理一、模擬量到數字量的轉換過程uI(t)CADC的量化編碼電路dn-1d1d0…uI(t)S模擬量數字量量化編碼取樣：把時間連續變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持取樣信號,使有充分時間將其變為數字信號。取樣保持（S

/

H—Sample

/

Hold）第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、取樣定理當滿足fs

≥

2fimax時,

取樣信號可恢復原信號。fs

—取樣頻率。fimax

—

信號的最高頻率分量。

tOusfOfs–fimax

fimaxuI

tO第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日三、量化和編碼量化單位數字信號最低位LSB所對應的模擬信號大小，用表示（即1

）。量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數倍。量化誤差因模擬電壓不一定能被整除而引起的誤差。編碼把量化的數值用二進制代碼表示。第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=01=1/82=2/83=3/84=4/85=5/86=6/87=(7/

8)V1V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=01=2/152=4/153=6/154=8/155=10/156=12/157=(14/15)V最大量化誤差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.2.2取樣-保持電路一、電路組成及工作原理當uL

為高電平：RfChRiuIuOuLTRf=RiT

導通，Ch

充電至：uO=uI=uC當uL為低電平：T截止，Ch

基本不放電。uO

保持矛盾：為使Ch

充電快，Ri越小越好；為使電路輸入電阻高，Ri越大越好。第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、改進電路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuOuLuO300

30

kD1D2S當uL=1，

S

閉合

uO=uO=uI

，uC

=uI

當uL=0，

S

斷開

uO

保持D1、D2的作用：限制uO

在uI+uD以內，起保護作用。6

2145387uOuIuLChLF198第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日一、基本工作原理電路7.2.3逐次漸近型A/D轉換器D/AuI逐次漸近寄存器比較器參考電源時鐘信號MSBLSBMSBLSB并行數字輸出轉換控制信號3.2V10008V101004V00102V000113V00011第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日讀出控制控制邏輯電路逐次漸近寄存器比較器

二、轉換過程舉例3位D/AQ1S1Rd0+CPd1d2≥1Q1S1RFFBFFC≥1d0d1d2uIuOuCC5位環行移位寄存器Q1Q2

Q3Q4Q5QFFA1S1R/2輸出偏移第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日Q

n+111100100功能RSQ

n10不用保持置1置0不許CP12345Q1

Q2Q3

Q4

Q5QA

QB

QCuI/VuO/VuO/VuCd2d1

d000001

0005.90–0.5000010

00010043.500000100011065.50000001

0011176.510000001011065.5000000001

11065.50110第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.2.4雙積分型A/D轉換器

一、電路組成和工作原理CO＝

1(uo≤0)

0(uo>0)S2CS1uI邏輯控制門C定時器n位二進制計數器&dn–1d0uｏＴCPCP基準電壓

<0

正向積分：對被測信號uI進行定時積分，完成一次2n進制計數。

反向積分：對基準電壓積分至uｏ=0，計數結果與uI成正比。第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日S2CS1uI邏輯控制門C定時器3位二進制計數器&d2d0uｏCP基準電壓

<0電容C

放電CO＝

10000010100111001011101111以3位二進制計數器為例說明雙積分過程。0000010100111000第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、定量分析uI積分器輸入ＵIuｏ(t)積分器輸出固定時間t1t2N1ＴCPN2ＴCPt1=N1TCP=2nTCPt2=N2TCP=DTCP=UI/單位電壓ＵREF第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日&&&&&&7.2.5并聯比較型A/D轉換器R/2RRRRRRR/2UREFuI比較器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0編碼器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.2.6A/D轉換器的轉換精度和轉換速度一、轉換精度分辨率1.用二進制或十進制位數表示(設計參數)LSB變化一個數碼時，對應輸入模擬量的變化量

(測量參數)如最大輸出電壓為5

V的8位A/D的分辨率為：轉換誤差：表示實際輸出與理想輸出數字量的差別以相對誤差的形式（LSB的倍數）給出。如：相對誤差不大于（1/2）LSB二、轉換速度并聯比較型>逐次比較型>雙積分型第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.2.7幾種A/D轉換器的性能比較一、A/D類型：直接A/D反饋比較型：逐次比較型，計數型。間接A/D電壓-時間變換型（V

-T）：雙積分型電壓-頻率變換型（V-

F）并聯比較型二、性能比較：優點缺點并聯比較型轉換速度高轉換精度差逐次比較型分辨率高、誤差低轉換速度較快雙積分型性能穩定轉換精度高抗干擾能力強轉換速度低第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日第七章

小結一、D/A轉換器1.功能：將輸入的二進制數轉