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D/A 和 A/D 转换器

D/A 和 A/D 转换器. 概述. D/A 转换器. A/D 转换器. 概 述. ● D/A 转换器和 A/D 转换器是连接数字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。. ● D/A 转换器（ Digital Analog Convertor ， ADC ）. ● A/D 转换器（ Analog Digital Convertor ， ADC ）. 概 述. ● 典型应用系统之一 —— 计算机 DDC 控制系统. 概 述. ● 典型应用系统之二 —— 语音存储与回放系统. D/A 转换器. 数字信号. v O.

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D/A 和 A/D 转换器

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Presentation Transcript

  1. D/A和A/D转换器 概述 D/A转换器 A/D转换器

  2. 概 述 ● D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。 ● D/A转换器（Digital Analog Convertor，ADC） ● A/D转换器（ Analog Digital Convertor，ADC）

  3. 概 述 ● 典型应用系统之一——计算机DDC控制系统

  4. 概 述 ● 典型应用系统之二——语音存储与回放系统

  5. D/A转换器 数字信号 vO DAC D 模拟信号 一、D/A转换器的基本原理 将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。

  6. D/A转换器 以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和D的关系 D/A转换器的转换特性 最小分辨电压 满量程输出电压VFSV=VLSB×（2n-1）

  7. 权电阻型D/A转换器 电阻网络 I/V变换电路 输出电压 参考电压 模拟开关 输入数字量 1.电路结构及工作原理 流过各电阻的电流为多少？

  8. 权电阻型D/A转换器

  9. 权电阻型D/A转换器 结论： （1）输出电压与输入的数字量成正比； （2）输出电压与参考电压极性相反； （3）如果数字量为n位的二进制数，输出电压的变化范围：

  10. 权电阻型D/A转换器 思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？ 外加参考电源精度 权电阻精度 由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻均有很高精度，在集成DAC中很少采用。

  11. R-2R网络型D/A转换器 T型电阻网络 参考电压 1.电路结构 由于R-2R网络型D/A转换器只有两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。

  12. 倒T型电阻网络D/A转换器 2.工作原理 同样分析可得：

  13. 倒T型电阻网络D/A转换器 2.工作原理（续） 通过放大器A把电流i∑转换成输出电压vO：

  14. 乘法型D/A转换器 模拟开关 1.什么是乘法型DAC（Multiplying DAC，MDAC）？ 如果参考电压用模拟信号来代替 ——乘法型DAC 实现了模拟量和数字量的乘法运算

  15. 乘法型D/A转换器 反馈电阻 电流输出端 2.乘法型DAC的一般结构 MDAC的输出电流正比于输入数据和基准电压的乘积。 思考：如何实现电压输出？

  16. 乘法型D/A转换器 3.典型的集成乘法型D/A转换器——AD7520

  17. 权电流型D/A转换器 原理图

  18. 权电流型D/A转换器 实际的权电流D/A转换器 工作原理分析参考教材P268

  19. D/A转换器的主要参数 1.最小输出电压增量VLSB 数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。 2.满量程（Full Scale Range）输出电压VFSR 数字量为11…1时的输出电压值。 3.分辨率：最小输出电压增量与最大输出电压的比值来表示。 分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。 例：求满量程输出电压VFSR=10V，输入数字位数n=10的DAC的最小输出电压增量VLSB。

  20. D/A转换器的主要参数 4.转换精度 　 输出模拟电压的实际值与理想值之差。 5.转换速度 输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要的最大时间。 普通DAC的建立时间为几到几百微秒； 高速DAC的建立时间小于几微秒； 如MAXIM公司的MAX555为12位DAC，转换速度为300MHz。

  21. 集成D/A转换器的选择 1.转换器的位数 转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。 2.数字信号接口特性 如是并行接口还是串行接口。 3.模拟信号接口特性 是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？ 4.参考电压 是外置参考电压还是内置参考电压？ 5.动态特性 主要指转换速度。

  22. D/A转换器的典型应用 1.波形发生器

  23. D/A转换器的典型应用 2.数控稳压电源

  24. D/A转换器的典型应用 3.数字式可变成增益放大电路 增益小于1 增益大于1

  25. A / D转换器 一、A/D转换的过程 模拟信号的特点：时间连续，幅值连续。 数字信号的特点：时间离散，幅值离散。 要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别称为采样、保持、量化、编码。

  26. A / D转换器 vI(t) S t 0 vI(t) vI’( t ) vS CH t 0 TS vI’(t) t 0 1.采样保持 连续时间信号 离散时间信号

  27. A / D转换器 vI(t) t 0 vS t 0 TS vI’(t) t 0 采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍。

  28. A / D转换器 3.量化 量化：将采样—保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔，用表示）的整数倍。 量化过程分为以下两个步骤： （1）确定量化间隔： 设输入模拟信号的幅值范围为0~1V，要转化为3位二进制代码，则其量化间隔=1/8V。

  29. A / D转换器 vI/V 1 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 t 0 （2）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平 方式一：只舍不入量化方式 0V≤vI＜1/8V 则量化为0=0V； 1/8V≤vI＜2/8V 则量化为1=1/8V； …… 7/8V≤vI＜1V 则量化为7=7/8V。 经量化后的信号幅值均为的整数倍。 在量化过程中会产生误差，称为量化误差。 思考：最大量化误差为多少？

  30. vI/V 1 15/16 7/8 13/16 6/8 11/16 5/8 9/16 4/8 7/16 3/8 5/16 2/8 3/16 1/8 1/16 t 0 A / D转换器 方式二：四舍五入量化方式 取两个离散电平中的相近值作为量化电平。 0V≤vI＜1/16V 则量化为0=0V； 1/16V≤vI＜3/16V 则量化为1=1/8V； …… 13/16V≤vI＜15/16V 则量化为7=7/8V。 量化误差为1/2=1/16V 在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。

  31. A / D转换器 4.编码 量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为编码，这个数制代码就是A/D转换器输出的数字量。

  32. A / D转换器 二、几种常见的A/D转换器 1.基于DAC的A/D转换器 （1）计数型A/D转换器 （2）逐次比较型A/D转换器 2.并行比较型A/D转换器（闪烁ADC） 3.双积分型A/D转换器 4.Σ—Δ型A/D转换器

  33. 计数型A / D转换器 原理图 vO输出一系列量化电平。 对于n位的计数型A/D转换器，其最大的转换时间可达2n-1个时钟周期。

  34. 逐次逼近型A / D转换器 1.工作原理 逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。

  35. 逐次逼近型A / D转换器 1.电路原理框图 由倒T形电阻网络DAC、比较器、SAR三部分组成。

  36. vO 4 3.4V 1 3 0 2 1 0 1 0 t 逐次逼近型A / D转换器 2.工作原理 5V 转换时间 3.4V 1 1 0 0 0 （D3）1保留 vI≥vO 2.5V （D2）1不保留 3.75V 1 1 0 0 vI＜vO 2 3 1 0 1 0 3.125V vI≥vO （D1）1保留 1 0 1 1 4 3.4375V （D0）1不保留 vI＜vO

  37. 逐次逼近型A / D转换器 4位的逐次逼近A/D转换器的原理图

  38. 逐次逼近型A / D转换器 例： 逐次逼近型A／D 转换器如图所示。当vI＝1.5V时，问： （1）输出的二进制数D3D2D1D0＝？ （2）转换误差为多少？ （3）如何提高转换精度？

  39. 逐次逼近型A / D转换器 解： 1.量化单位为： 转换结果D=（0100）2 2.转换误差为： 1.5－4×0.3125=1.5－1.25=0.25 3.减少误差的方法（1）增加位数； （2）在D/A输出加一个负向偏移电压1/2 。

  40. 逐次逼近型A / D转换器

  41. 逐次逼近型A / D转换器 在D/A输出未加一个负向偏移电压1/2  转换结果：(10000)2 量化误差为1LSB 在D/A输出加一个负向偏移电压1/2  转换结果：(10001)2 量化误差为1/2LSB

  42. 逐次逼近型A / D转换器 4.集成逐次逼近型A/D转换——ADC0809 特点： ·属CMOS电路 ·8路模拟输入，8 bit 输出(3S门) ·与常用μP兼容 ·采用逐次比较法，转换时间约100μs

  43. ADC0809 逐次逼近型A / D转换器

  44. 逐次逼近型A / D转换器 逐次逼近型A/D转换器的特点： 逐次逼近型A/D转换器的原理基于二进制搜索算法，N位 的逐次逼近型A/D转换器需要N个比较周期。 一般对14位和16位的A/D转换器来说，速率达到几MSPS 已不容易。 速率主要受内部D/A转换器和比较器的建立时间限制。 位数主要受内部D/A转换器的元件匹配精度（高于12位 的要进行微调和校准），比较器的速度和精度以及噪声等的 限制 。

  45. 8 7 6 5 4 3 2 1 并行比较型A / D转换器 同时与各个刻度比较 尺子 5＞L ＞ 4 物体 量化为4

  46. 并行比较型A / D转换器 刻度是什么？ 是一系列的标准电压 如何实现？ 用电阻分压的办法

  47. 并行比较型A / D转换器 用电阻分压形成7个标准电压。

  48. 并行比较型A / D转换器 被量物体？ 模拟输入电压vi 如何比较？ 模拟信号比较器 当V+大于V-时，VO输出高电平；当V+小于V-时，VO输出低电平

  49. 并行比较型A / D转换器 如何同时比较？ 每个电压刻度使用一个比较器。 Vi=4.32V Vi=3.68V 1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 6 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 5 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 4 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 3 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

  50. 并行比较型A / D转换器 需要几个比较器？ 2N-1个比较器。 转换一次需要多少时间？ 1个时钟周期（TCP）。

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