ADC DAC ◆数字量与模拟量的相互转换 第七章模数与数模转换 数字仪 →数字示波县:ADc ●DAG 数字频率计:FDc 敷宇溢度计:TDc ●ADG /CD Player, MP3(MP4): 24bits D-AC ●数字通信系统 ADc和DAc常用代 ADc和DAc常用代马 ◆原砰 signt Magnitude 偏 进制码( Offset Binary) ◆补2 s-Gompleme ◆偏郡二进制码 Offset-Binary 7.1 DAC DAC 输出 输出 0或lo A. d2 ∑d2 o Digital to Analog converter O Digital to Analog Converter ◆DAc将数字量转换为模拟量 ◆DAc将数字量转换为模拟量 每位代码有不同权值 ●将每位代码按权值转换为模拟量 代各位的视拟量相加得到正比于数字量的横拟值
1 1 第七章 模数与数模转换 z DAC z ADC 2 ADC & DAC 数字量与模拟量的相互转换 z数字仪表 ¾数字示波器: A-DC ¾数字万用表: V-DC ¾数字频率计: F-DC ¾数字温度计: T-DC z数字家电 ¾CD Player、MP3(MP4): 24bits D-AC ¾DVD Player、HDTV z数字通信系统 z…… 3 ADC和DAC常用代码 原码(Sign Magnitude) 补码(2’s Complement) 偏移二进制码(Offset Binary) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4 ADC和DAC常用代码 偏移二进制码(Offset Binary) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 5 7.1 DAC Digital to Analog Converter DAC将数字量转换为模拟量 输出 uo 或 io DAC d0 d1 dn－1 输入 嗫 i n i i u A d 2 1 0 0 = ⋅∑ ⋅ − = A 6 DAC Digital to Analog Converter DAC将数字量转换为模拟量 z 每位代码有不同权值 z 将每位代码按权值转换为模拟量 z 代表各位的模拟量相加得到正比于数字量的模拟值 输出 uo 或 io DAC d0 d1 dn－1 输入 嗫 1 0 0 2 n i i i u d − = ∝ ⋅ ∑
DAC 1.权电凰网终DAC 权电网给和模拟开关 求和电路 ii。i ◆DAc类型一权网络 ◆模拟开关与运算放大器的反相输入端或地相联(输入 数字信号是1或0),各支暗电流不变 权电流型网络 ●权电容型同 l 树状开关型网络 权电凰网络DAC 2.T型电阻网络 ◆电流 1-221 ◆从虚线处向右看的二端网络等效电阻均为R ◆从参考电源流出电流为lBsF=laF/R 输出电 2.T型电阻网络DAC T型电阻网络DAC ◆从虚线处向右看的二端网络等效电阻均为R ◆模拟开关与运算放大备的反相输入端或地相联输入 数字信号是1或0),督支路电流不变 ◆从参考电源流出电流为1 4=42==立2
2 7 DAC DAC类型——权网络 z 权电阻网络 z T型电阻网络 z 权电流型网络 z 权电容型网络 z 树状开关型网络 数字 寄存 器 模拟 电子 开关 权 (电阻) 网络 求和 运算 放大 器 d0 d1 dn-1 输入 VREF 输出uo 8 R V I REF 3 = 1. 权电阻网络DAC 模拟开关与运算放大器的反相输入端或地相联(输入 数字信号是1或0)，各支路电流不变 R 2R 4R 8R RF I1 I0 I2 I3 IREF i F i S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 VREF - + uo R V I REF 2 2 = R V I R V I REF REF 8 4 1 = 0 = 求和电路 权电阻网络和模拟开关 0 1 0 1 0 1 0 1 9 权电阻网络DAC R 2R 4R 8R RF I1 I0 I2 I3 IREF i F i S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 VREF － + 电流 令RF=R/2 3 3 0 2 2 REF i i i V d R = = ⋅ ∑ u R i o = − F ∑= = 3 i 0 i i i I d 3 4 0 2 2 REF i i i V d = =− ⋅ ∑ uo 4 4 0, (2 1) 2 VREF ⎡ ⎤ − − ⎣ ⎦ 输出电压 0 1 0 1 0 1 0 1 10 2. T型电阻网络 从虚线处向右看的二端网络等效电阻均为R 从参考电源流出电流为 I REF = VREF R RR R 2R 2R 2R 2R 2R IREF VREF 11 2. T型电阻网络DAC RR R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I'1 I' I'3 2 I'0 I I3 I2 0 IREF VREF RF iF i uo － + S3 S2 S1 S0 d3 d2 d1 d0 从虚线处向右看的二端网络等效电阻均为R 模拟开关与运算放大器的反相输入端或地相联(输入 数字信号是1或0)，各支路电流不变 从参考电源流出电流为 I REF = VREF R 0 1 0 1 0 1 0 1 权电阻网络 12 R V I R V I R V I I i REF i REF REF REF − = = = = 3 2 4 2 ...... 4 2 2 1 T型电阻网络DAC RR R 2R 2R 2R 2R 2R RF=R I1 I'1 I' I'3 2 I'0 I I3 I2 0 IREF iF i S3 S2 S1 S0 d3 d2 d1 d0 VREF － + ∑= = ⋅ 3 0 4 2 2 i i i REF d R V ∑= = 3 i 0 i i i I d uo ∑= = − ⋅ 3 0 4 2 2 i i i REF o d V u 0 1 0 1 0 1 0 1 权电阻网络
3.权电农网终DAC示例 3权电农网络DAC ◆电容节省面积,节省功率 ◆工作前,开关S接地,开关S接地,清除电容电荷 ◆工作前,开关S和开关S接地 (m-) ◆工作时,断开开关S,输出电压0 (2+2)=a0=V 臣÷ 4+4+4+12)=立4 DAC主要披求指标 DAC主要披术指标 ◆转换精度 ◆转换速度 ●分辨率 一般由输出建立时间( Update Time)决定,衡量转换速 >分辨率用输入位数表示一n位DAC,能区分2m个 度的快慢 不同的输入代码,给出2个不同输出电平 ●输入由全0变全1开始,到输出电压稳定到±05LSB 分辨率也可用最小输出电压1LSB与最大输出电 ( Least Significant B)的所需时间,称为输出建立时间 压FSR的比值表示,例10位DAC分辨率为1210 转换误差 ≯转换误差是指输出模拟电压的实际值与理想值 之间的最大偏差 元件参数、基准电压、零点漂移等有关 DAC录例:DACc0808 7.2 ADC 采样+量化 Vad+sv) 采样时钟 ,输出 数字量 采样保持电路 DACUSUK 模拟量 ◆模拟开关S受采样时钟脉冲C控 S接通时,对采样(取样过程) S断开时,保持电路输出不变(保持过程 (a)引脚排列图 b)DA转换电路 在保持过程中,采样的模拟电压经数字化编码电路转换成n 位二进制代码输出
3 13 3. 权电容网络DAC示例 S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 VREF 工作前，开关S接地，开关Si 接地，清除电容电荷； uo C C/2 C/4 C/8 C/8 S ( ) 1 1 1 1 0 0 22 2 2 2 n n i i REF o i o i n n i i C C V u d uC d − − − − = = ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎛⎞ ⎛⎞ − ⋅ ⋅ ⋅ =⋅ − ⋅ ⋅ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎝⎠ ⎝⎠ ∑ ∑ ( ) 3 2 3 1 22 2 2 V C uC REF o ⎡ ⎤ ⋅ ⋅ ⋅ + =⋅ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ 1 0 1 0 1 0 1 0 ( ) 3 2 4 2 2 2 REF o V ⋅+ = ⇐ u 14 3.权电容网络DAC S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 VREF 电容节省面积，节省功率 工作前，开关S和开关Si 接地 工作时，断开开关S，输出电压uo uo C C/2 C/4 C/8 C/8 ∑= = ⋅ 3 0 4 2 2 i i i REF d V ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 0 = ⋅ 3 + 2 + 1 + 0 16 1 8 1 4 1 2 1 u V d d d d REF S 1 0 1 0 1 0 1 0 15 DAC主要技术指标 转换精度 z分辨率 ¾分辨率用输入位数表示—n位DAC，能区分2n个 不同的输入代码，给出2n个不同输出电平 ¾分辨率也可用最小输出电压1LSB与最大输出电 压FSR的比值表示，例10位DAC分辨率为1/210 z转换误差 ¾转换误差是指输出模拟电压的实际值与理想值 之间的最大偏差 ¾元件参数、基准电压、零点漂移等有关 16 DAC主要技术指标 转换速度 z 一般由输出建立时间(Update Time)决定，衡量转换速 度的快慢 z 输入由全0变全1开始，到输出电压稳定到±0.5LSB (Least Significant Bit)的所需时间，称为输出建立时间 17 +VREF(+5V) VEE(-5V) 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 DAC0808 NC GND VEE Io D7 D6 D5 D4 COP VREF(-) VREF(+ ) VCC D0 D1 D2 5 13 14 6 7 15 8 9 2 10 11 4 12 3 16 DAC0808 VCC(+5V) 2.4kΩ 2.4kΩ 0.1μF Io RL D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 (a) 引脚排列图 (b) D/A转换电路 DAC示例：DAC0808 19 7.2 ADC 模拟开关S受采样时钟脉冲CP控制 z S接通时，对ui 采样(取样过程) z S断开时，保持电路输出不变(保持过程) z 在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成n 位二进制代码输出 d0 d1 dn-1 输出 数字量 ADC的数字 S 化编码电路 采样保持电路 输入 模拟量 ui 采样时钟 …… uS 孔径时间 采样+量化 保持 电路
ADC ADC 平顶采样 化編码电路 采样时钟 采样保持电路采样信号 ◆采样保持电路 Sampling-hold Cireuit ●自然采样(0)=B() ◆孔径时间( Aperture Time)u说明数字量不够大,该位保 再按同枰的 (5~7/14 逐位比较,直到最低 (7~9/14 比较完毕后,寄存器中的状态就是所要求的输出数字量 (9~1y14 输出数字量输入模拟电压 0000000 1-1y14 顺序脉冲 13-141 发生器 N位DAC
4 20 ADC 采样保持电路Sampling-hold Circuit z自然采样 z平顶采样 时间、幅度连续信号——时间、幅度离散信号 u (t) u (t) m(t) s i = ⋅ u (t) [ ] u (t) (t) h(t) s = i ⋅δ T ∗ 平顶采样 脉冲形成 电路 输入 模拟信号 ui 采样时钟 uS (t) δ T 矩形脉冲 序列 脉冲形成 电路 21 ADC 孔径时间(Aperture Time) uo，说明数字量不够大，该位保留。然后，再按同样的 方式将次高位置1，并经过比较后确定该1是否保留……这样 逐位比较，直到最低位； ¾比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的输出数字量 输出数字量 输入模拟电压 uo ui 电压 比较器 顺序脉冲 发生器 逐次逼近 寄存器 N位DAC 1000,0000
3位遷次遏近型(SA型)ADc 3.蚁积分型ADc [[[如 ◆对输入模拟电压和基准电压进行两次积分 先对输入电压4进行积分,积分时间T1=2nTc,将其变换成 与输入电压成正比的输出电压V1∝B2Tc 对基准电压进行反向积分,直到电平比较器回升到0电平。此 时,封锁与门,停止计数 蚁积分型ADc 蚁积分型ADc :一:日时m ◆ADC对RC和CP长期稳定性要求不高 ◆采用积分器,对干扰不敏感(电源干扰),容易达到很高 基准电压 ◆属于间接型ADC,转换精度高但转换速度很低,主要 控制门 位二进制计数器 用于仪器仪表 时钟输入几几L 行和SA型ADc ◆利用计数器测出此时间间隔—计数值M正比于输入 电压 ◆并行ADC速率最快,分辨率不高,功耗大 ◆计数器所计二进制数字量为M= ◆SA型ADC速率居中,分辨率高(12-14位),功耗低 于录字音响 4.∑△型ADc 体、产纳 ADC主要披求指标 ◆转换精度 模拟信号E△型 撒字抽取L数 分辨率和量化误差 通常用位数表示一位数越多,量化合阶(量化 误差)越小,分辨率越高 ◆在一片混合信号 CMOS IC上集成了ADC和数字 量化误差:只舍不入—10LSB 信号处理电路 有舍有入-0.5LSB ●以很高的抽样频率对模拟信号进行抽样:对连续两个抽 ●转换误差 样之间的差值进行低位量化——高采样率换取高精度 零点和满度都校准后,各数字量对应模拟输入 ●可达到极高的分辨率(24位),并有低成本优势 电压实测值与理论值之间偏差的最大值作为转 换误差,单位为LSB 同等速率下,功耗高于SA型和双积分型ADC ≯内部元器件偏差等所导致 5
5 26 3位逐次逼近型(SA型)ADC Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 ui 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & ≥1 ≥1 FF1 FF2 FF3 FF4 FF5 & & & uo CP －+ C d2 d1 d0 FFA Q FFB Q FFC G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 1S C11R 1S C11R 1S C11R 3位DAC 27 3. 双积分型ADC S2 逻辑 控制门 定时器 n位二进制计数器 & 输入电压 基准电压 积分器 比较器 时钟输入 控制门G n位二进制数字量 ui -VREF S1 R C CP C0 uo dn-1 d0 － － + + TC d1 对输入模拟电压和基准电压进行两次积分 z 先对输入电压 ui 进行积分，积分时间T1 = 2n⋅TC，将其变换成 与输入电压成正比的输出电压 V1 ∝ ui ⋅2n⋅TC z 对基准电压进行反向积分，直到电平比较器回升到0电平。此 时，封锁与门，停止计数 28 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = n REF i V u M 2 S2 逻辑 控制门 定时器 n位二进制计数器 & 输入电压 基准电压 积分器 比较器 时钟输入 控制门G n位二进制数字量 ui -VREF S1 R C CP Co uo dn-1 d0 － － + + TC d1 双积分型ADC 利用计数器测出此时间间隔——计数值 M 正比于输入 电压 ui 计数器所计二进制数字量为 2 n VM u REF i ⋅=⋅ 29 双积分型ADC ADC对RC和CP长期稳定性要求不高； 采用积分器，对干扰不敏感(电源干扰)，容易达到很高 精度； 属于间接型ADC，转换精度高但转换速度很低，主要 用于仪器仪表； 并行ADC速率最快，分辨率不高，功耗大 SA型ADC速率居中，分辨率高(12-14位)，功耗低 并行和SA型ADC 30 4. ∑-△型ADC 在一片混合信号CMOS IC上集成了ADC和数字 信号处理电路 z 以很高的抽样频率对模拟信号进行抽样；对连续两个抽 样之间的差值进行低位量化——高采样率换取高精度 z 可达到极高的分辨率(24位)，并有低成本优势 z 同等速率下，功耗高于SA型和双积分型ADC ∑-△型 调制器 数字抽取 滤波 模拟信号 数字信号 用于数字音响、 多媒体、声纳 等 31 ADC主要技术指标 转换精度 z分辨率和量化误差 ¾通常用位数表示——位数越多，量化台阶(量化 误差)越小，分辨率越高 ¾量化误差: 只舍不入—1.0LSB 有舍有入—0.5LSB z转换误差 ¾零点和满度都校准后，各数字量对应模拟输入 电压实测值与理论值之间偏差的最大值作为转 换误差，单位为LSB ¾内部元器件偏差等所导致……
ADC主要披求指标 ADc应用杀创 ◆转换速度 ●转换时间——完成1次转换所需时间,从收到转换控 输入模 制信号开始,到得到稳定的数字输出所经历的时间 拟电压2rfn ●转换速度是转换时间的倒数 些些
6 32 ADC主要技术指标 转换速度 z转换时间——完成1次转换所需时间，从收到转换控 制信号开始，到得到稳定的数字输出所经历的时间 z转换速度是转换时间的倒数 33 Uin(+) VCC D0 Uin(-) D1 AGND D2 ADC0801 D3 UREF/2 D4 CLKR D5 D6 CLKin D7 CS RD WR 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ +5V +5V (1) (2) (10) (6) (7) (8) (9) (19) (4) (18) (17) (16) (15) (14) (13) (12) (11) (5) (20) (3) LED 输入模 拟电压 ui 0~5V 调节时 钟频率 R 10kΩ C 150pF 空脚 ADC应用示例