第七章AD与DA简介 模拟一数字转换器: 将模拟电信号转换为数字电信号。 Analog-to-Digital Converter 数字一模拟转换器: 将数字电信号转换为模拟电信号。 Digital -to-Analog converter 引言 由于数字信号处理理论和电路与系统的信 息处理能力、速度、集成度方面的高度发展,使 得把模拟信号转换为数字信号进行处理,再将处 理结果的数字信息转换为模拟信号的方式有着 巨大优势。 数字信息可利用计算机高速灵活处理; 数字信息便于存储、查询; 数字信息有高抗干扰能力; 数字信息便于加密保密;
第七章 AD 与 DA 简介 模拟－数字转换器： 将模拟电信号转换为数字电信号。 Analog－to－Digital Converter 数字－模拟转换器： 将数字电信号转换为模拟电信号。 Digital －to－Analog Converter 引言 由于数字信号处理理论和电路与系统的信 息处理能力、速度、集成度方面的高度发展，使 得把模拟信号转换为数字信号进行处理，再将处 理结果的数字信息转换为模拟信号的方式有着 巨大优势。 数字信息可利用计算机高速灵活处理； 数字信息便于存储、查询； 数字信息有高抗干扰能力； 数字信息便于加密保密； ……
例:数字语音通信系统。 话筒 AD 语音处理 多路发送 有线 无线 语音处理 DA 听筒 有线 无线 多路接收 语音处理:压缩编解码、加解密等。 AD转换 转换过程: 将随时间变化的模拟量按比例转换为序列 数字量 Vo(t VA(t 采样保持 量化 Do(t) S/H 编码 s(t 为实现AD,对模拟电信号在时间上离散采 样,在幅度上量化编码
例：数字语音通信系统。 语音处理：压缩编解码、加解密等。 AD 转换 转换过程： 将随时间变化的模拟量按比例转换为序列 数字量。 为实现 AD，对模拟电信号在时间上离散采 样，在幅度上量化编码。 AD 语音处理 多路发送 有线 无线 话筒 多路接收 语音处理 DA 有线 无线 听筒 采样保持 S/H 量化 编码 VA（t） S（t） VO（t） DO（t）
采样定理: 在AD过程中,为尽可能保留信号信息,不 必要、也不可能连续对模拟信号转换。对频谱有 限模拟信号,理论上采样频率f满足下列关系, 即能保证被采样信号的恢复。 f≥2fAm 一般采用f≥(3-5) A max o 采样脉宽通常很窄,转换需要一定时间,因 此需有保持电路。 S(t) 为提高AD转换精度,需加强采样与保持精 度,对上述原理电路采取很多改进措施。 采样保持输出波形如下:
采样定理： 在 AD 过程中，为尽可能保留信号信息，不 必要、也不可能连续对模拟信号转换。对频谱有 限模拟信号，理论上采样频率 s f 满足下列关系， 即能保证被采样信号的恢复。 s 2 Amax f f 一般采用 max (3 5) s A f − f 。 采样脉宽通常很窄，转换需要一定时间，因 此需有保持电路。 为提高 AD 转换精度，需加强采样与保持精 度，对上述原理电路采取很多改进措施。 采样保持输出波形如下： VC VO － VA ＋ S(t)
量化与编码 量化:将模拟信号电压变化范围分割为等间 隔的离散电平,把每次采样保持输出电压归到最 接近的电平。 编码:将可能量化的离散电平用二进代码表 小 量化误差:大小取决于量化等级。 四舍五入式为05量化间隔。 去0求整式为1个量化间隔。 DA转换 将数字量表示的模拟电量按比例转换为实 际模拟电量。 转换器 Ve = K N为二进数D,比例K为 KVREF,有: Ve=kk REF d.2
量化与编码 量化：将模拟信号电压变化范围分割为等间 隔的离散电平，把每次采样保持输出电压归到最 接近的电平。 编码：将可能量化的离散电平用二进代码表 示。 量化误差：大小取决于量化等级。 四舍五入式为 0.5 量化间隔。 去 0 求整式为 1 个量化间隔。 DA 转换 将数字量表示的模拟电量按比例转换为实 际模拟电量。 VO = KN N 为二进数 D，比例 K 为 kVREF，有： − = = 1 0 2 n i i O REF di V kV DA 转换器 D VO VREF n
DA转换关系曲线: DA转换技术: >二进权电阻型。 23R 22R 2R 20R R3 R3 o D SB ASB 输入数字量 如RF=R2,则有: 缺陷:电阻种类多,精度难保证,位数不高
DA 转换关系曲线： DA 转换技术： ➢ 二进权电阻型。 如 RF＝R/2,则有： − = = − 1 0 / 2 * 2 n i i i n VO VREF D 缺陷：电阻种类多，精度难保证，位数不高。 LSB MSB 输入数字量 VO RF 2 3R R0 S0 D0 2 2R R1 S1 D1 2 1R R2 S2 D2 2 0R R3 S3 D3 VREF i ＋ －
二进T型电阻网络型。 只需R、2R两种电阻。 Po Po ∑ 2R LSB MSB 输入数字量 一任一P点向左右视电阻均为2R; 一∑点输出电阻R0=3R; 任一P点等效电势REF3; 当仅D=1时,流向∑点的电流: I;=VREF/3×R×24-1 根据叠加原理,对任意二进D有: ∑=(VREF3×R×2)∑D2 设R=3R,输出电压: (VRF/×24)D2
➢ 二进 T 型电阻网络型。 只需 R、2R 两种电阻。 －任一 P 点向左右视电阻均为 2R； － 点输出电阻 R0＝3R； －任一 P 点等效电势 VREF/3; －当仅 Di＝1 时，流向 点的电流： Ii＝VREF/3×R×2 4－I －根据叠加原理，对任意二进 D 有： I ＝（VREF/3×R×2 4） = 3 0 2 i i Di －设 RF＝3R，输出电压： V0＝－（VREF/×2 4） = 3 0 2 i i Di LSB MSB 输入数字量 VO RF 2R S0 D0 2R S1 D1 2R S2 D2 2R S3 D3 VREF i ＋ － 2R R R R P i P P2 3 P0 0 2R
对于n位有: Vo=-(VRE/×2)2 >倒T形型电阻网络型 克服流过开关电流变化大的缺陷。 权电流型DAC。 >双极性DAC。可转换正负数字量。 集成DAC 增加灵活方便结构:输入缓冲器;输入数据 分配器;输入串并变换;输入FIFO等。 DAC主要技术参数 1.分辨率 最小输出电压与满量程电压之比: 分辨率=1/(2-1) 有时直接把2或n称之。 通常给出参数参考或基准电压REF, 则最小输出电压=VREF×1/2n, 满量程输出电压=(VRE×1/2)×2n1 2.转换误差。 绝对误差:实际值与理想值之差,用最
对于 n 位有： V0＝－（VREF/×2 n） − = 1 0 2 n i i Di ➢ 倒 T 形型电阻网络型。 克服流过开关电流变化大的缺陷。 ➢ 权电流型 DAC。 ➢ 双极性 DAC。可转换正负数字量。 集成 DAC 增加灵活方便结构：输入缓冲器；输入数据 分配器；输入串并变换；输入 FIFO 等。 DAC 主要技术参数 1.分辨率。 最小输出电压与满量程电压之比： 分辨率＝1/(2n -1) 有时直接把 2 n或 n 称之。 通常给出参数参考或基准电压 VREF， 则:最小输出电压＝VREF×1/2n , 满量程输出电压＝（VREF×1/2n）×2 n-1 2．转换误差。 绝对误差：实际值与理想值之差，用最
小有效位电压的倍数表示。例:0.5LSB. 相对误差:绝对误差与满量程之比。 转换误差大于分辨率没有意义 3.建立时间。 开始转换到稳定于误差范围之内时间。 300us以下,低速。 10-300us,中速。 0.01-10us,高速。 小于001us,超高速。 v REF AD转换技术 R/2 >并行型w ID Q V1=1/16 V REF V2=3/16. VREF CI R V3=5/16:ⅤREF 优先编码器 V4=7/16·VREF R Vs=9/16·VREF D Cl V6=11/16ⅤREF R ID V=13/16·VREF CI R Q1 V8=15/16·VREF ID R/2 CP
小有效位电压的倍数表示。例：0.5LSB. 相对误差：绝对误差与满量程之比。 转换误差大于分辨率没有意义。 3．建立时间。 开始转换到稳定于误差范围之内时间。 300us 以下，低速。 10－300us，中速。 0.01-10us，高速。 小于 0.01us，超高速。 AD 转换技术 ➢ 并行型 V1=1/16·VREF V2=3/16·VREF V3=5/16·VREF V4=7/16·VREF V5=9/16·VREF V6=11/16·VREF V7=13/16·VREF V8=15/16·VREF R R R R R R R R/2 R/2 优 先 编 码 器 CP 1D C1 + _ 1D C1 + _ 1D C1 + _ 1D C1 + _ 1D C1 + _ 1D C1 + _ 1D C1 + _ 1D C1 + _ V8 V7 V6 V5 V4 V3 V1 V2 D2 D1 D0 VA VREF Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1
优点:速度快,不需采保。 缺陷:器件量大,误差不易控制。 >串并行型 采样保持 5位并行 ADO 加法器 5位 DAC 输出数字 8位并行 ADC 把多位ADC分解为两级位数较少的并行 型ADC。一级变换高位数字量,并将其DAC后 电压与输入电压求差,二级将电压差变换为低位 数字量。 兼顾了器件量与速度。 也可采用多级结构
优点：速度快，不需采保。 缺陷：器件量大，误差不易控制。 ➢ 串并行型 把多位 ADC 分解为两级位数较少的并行 型 ADC。一级变换高位数字量，并将其 DAC 后 电压与输入电压求差，二级将电压差变换为低位 数字量。 兼顾了器件量与速度。 也可采用多级结构。 D7－D11 D7 D0－D6 VA 输 出 数 字 采 样 保 持 5 位并行 ADC 加法器 5 位 DAC 8 位并行 ADC VA－VA’ VA VA’ ＋ － 7 5 5
>逐次比较型 VE 电压比较 DAC 输出数码寄存器 控制电路 数码设定器 口由高至低逐次设定数码设定器每位 二进值(0或1)。 口数码设定器每位经DAC输出电压 均为相邻高位1/2 口每位先设定值1,电压差为正,1 保留,否则改0。 口n次完成ADC。 口数码逐次设定过程中,V电压值逐 次逼近ⅴA >其它型(略) ADC主要技术参数 ◆分辨率 所能分辨模拟输入最小值
➢ 逐次比较型 □ 由高至低逐次设定数码设定器每位 二进值（0 或 1）。 □ 数码设定器每位经 DAC 输出电压 均为相邻高位 1/2. □ 每位先设定值 1，电压差为正，1 保留，否则改 0。 □ n 次完成 ADC。 □ 数码逐次设定过程中，VF电压值逐 次逼近 VA。 ➢ 其它型（略） ADC 主要技术参数 ◆分辨率 所能分辨模拟输入最小值。 D VA DAC 数码设定器 输 出 数 码 寄 存 器 控制电路 Dn-1 D0 D0 VF n － 电压比较 ＋