第十一章 数字-模拟转换器

1、第一节 数字-模拟转换器1第一节 数字-模拟转换器2一、 概述A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤理（如计算、滤波）、保存等波）、保存等用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号数字控制数字控制 计算机计算机第一节 数字-模拟转换器3模拟电路与数字电路的模

2、拟电路与数字电路的接口模数（数模）转换电路。接口模数（数模）转换电路。Analog to digital converterEncoderMp3(wma)CD romMemory模拟电路模拟电路模数混合电路模数混合电路 数字电路数字电路处理模拟信号的处理模拟信号的模拟电路。模拟电路。第一节 数字-模拟转换器4第一节 数字-模拟转换器5第一节 数字-模拟转换器6将数字量转换为与之成正比模拟量将数字量转换为与之成正比模拟量 。n n位位数字量数字量DAC二、二、D/A转换器转换器模拟量模拟量1. D/A1. D/A转换器输入转换器输入/ /输出特性输出特性A = K D O = K NB n D/

3、A转换器的输入转换器的输入/输出特性及其结构框图输出特性及其结构框图第一节 数字-模拟转换器7数字量与转换后的模拟量之间存在误差数字量与转换后的模拟量之间存在误差 。1. D/A1. D/A转换器输入转换器输入/ /输出特性输出特性 7 6 5 4 3 2 1 000 001 010 011 100 101 110 111 0 D O/（LSB） VLSB D/A 转转换换器器的的输输出出 理理想想模模拟拟量量的的输输出出 第一节 数字-模拟转换器82. 2. D/A转换器的结构框图转换器的结构框图 数数码码 寄寄存存器器 n n位位模模拟拟开开关关 解解码码 网网络络 求求和和 电电路路 基

4、基准准电电压压 n n位位数数字字量量输输入入 模模拟拟量量 输输出出 DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数用存放在数字寄存器中的字寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码数码由输入数字由输入数字量控制量控制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压第一节 数字-模拟转换器9D/A转换器的分类转换器的分类:按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类

5、CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转转换换器器第一节 数字-模拟转换器10 数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的， 对于有权码，每位代对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，相应的模拟量， 然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，量成正比的模拟量， 从而实现数字量从而实现数字量-模拟量的转换。模拟量的转换。实现实现D/A转换的基

6、本思想转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120将二进制数将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。转换为十进制数。第一节 数字-模拟转换器113REF3dRVI ）时时，时时001(33REF33 IdRVId2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 二、权电阻网络D/A转换器oFF0123()vR iRIIII OvA0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3d(LSB)(MSB)VViF(/2)R RRR2R22R32REFV第一节 数字-模拟转换器12OFF3210()vR iR IIII ）（001

7、122334REFO22222ddddVv nREF00112211nREFO222222DVddddVvnnnnn ）（3REF3dRVI 2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 取取RF = R/2 ，得，得对对n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器取转换器取RF = R/2 ，得，得第一节 数字-模拟转换器13A0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviF(/2)R RRR2R22R32第一节 数字-模拟转换器14 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R

8、(LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1, Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于处于何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地” 或虚地或虚地。 1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/

9、A转换器转换器基准电压基准电压 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器三. 倒T形电阻网络D/A转换器第一节 数字-模拟转换器15D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I =？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从

10、高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R第一节 数字-模拟转换器16流入运放的总电流：流入运放的总电流： i I0 + I1 + I2 + I3)2222(13223140REFDDDDRV输出模拟电压：输出模拟电压： 1n0iifnREFO)2(2iDRRV30ii4REFffO)2(2iDVRRRi (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16

11、I 4I 2I 第一节 数字-模拟转换器174 4 位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络DAC的输出模拟电压：的输出模拟电压： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND则则 O = K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的，均能得到与之成正比的模拟电压输出。模拟电压输出。 第一节 数字-模拟转换器18AD7533D/A转换器转换器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R

12、2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7533 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放， 2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻也可采用外接电阻）2.2.集成集成D/A转换器转换器10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 第一节 数字-模拟转换器19Di =1时，开关时，开关S Si i接运放的反相端接运放的反相端; ; Di= 0时，开关时，开关S Si i接地接地。 四 权电流型D/A转换

13、器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 4位权电流位权电流D/A转换器转换器第一节 数字-模拟转换器20在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。)16842(0123ffODIDIDIDIRRi)2222(200112233f4DDDDRI30if422iiDRI (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S

14、0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 第一节 数字-模拟转换器212.2.实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路REF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDD电压恒定电压恒定各各BJT的的 发射发射结电压相等结电压相等基准电流产生电路基准电流产生电路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R V

15、EE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 电电 流流 16I + + +- -第一节 数字-模拟转换器22 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB第一节 数字-模拟转换器23常用双极性编码十十进进制制数数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模模拟拟量量D7D6D5D4D3D2D1D0D

16、7D6D5D4D3D2D1D0 0/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126 100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1 -1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256第一节 数字-模拟转换器24 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF R=Rf R1 R1 + + A1 A2 N

17、B 8 位位倒倒 T 形形电电阻阻 网网络络 D/A 转转换换器器 i 1 第一节 数字-模拟转换器25五. D/A转换器的转换精度与转换速度在在D/A转换器中常用转换器中常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述来描述转换精度。转换精度。用输入二进制数码的位数给出。用输入二进制数码的位数给出。用用D/A转换器转换器能够分辨出的最能够分辨出的最小电压与最大电压之比给出。小电压与最大电压之比给出。第一节 数字-模拟转换器26分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。分离的等级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。个模拟输出电压。

18、位数越多位数越多D/A转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。电压之比给出。n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为121n1、分辨率、分辨率第一节 数字-模拟转换器272、转换精度：、转换精度：o 转换精度是指对给定的数字量，转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与转换器实际值与理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。o 产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器转换器中各元件参数值存在误中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各差，如基准电

19、压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。种因素的影响。o 几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等性误差等第一节 数字-模拟转换器28实际实际D/A转换特性和理想转换特性和理想D/A转换特性间的最大偏差。转换特性间的最大偏差。一般用最低有效位的倍数表示。一般用最低有效位的倍数表示。也可用输出电压满刻度也可用输出电压满刻度FSR的百分数。的百分数。表示输出电压误差绝对值的大小。表示输出电压误差绝对值的大小。REF0011223341o)2222(21Vddddv 如果如果VREF偏离标准值偏离标准值 VREF ，则4位倒位倒T形电

20、阻网形电阻网络络D/A转换器的输出电压误差为：转换器的输出电压误差为：第一节 数字-模拟转换器29通常用建立时间通常用建立时间tset来定量描述来定量描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。tset1LSB2voto稳态值稳态值第一节模拟-数字转换器30第一节模拟-数字转换器31概述概述 ADCDnD0输出数字量输出数字量I 输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1. A/D转换器功能转换器功能第一节模拟-数字转换器322. A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时

21、间 10ns 1 s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s, 转换精度高，在转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。第一节模拟-数字转换器33取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编码编码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字

22、信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。第一节模拟-数字转换器341. 取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S

23、(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS 第一节模拟-数字转换器35 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形图 采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模化编码过程提供一个稳

24、定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。拟信号保持一段时间。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理 I A1 A2 S CH 开开关关驱驱 动动电电路路 采采样样保保持持 控控制制电电路路 O 第一节模拟-数字转换器362. 量化与编码量化与编码 数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。 量化后的数值最后还需通过编码过程用一

25、个代码表示出量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 量化量化编码编码第一节模拟-数字转换器37 在量化过程中由于所采样电压不一定能被在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量化整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。 量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位转换器的位数越数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化

26、误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。化方式。 3.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差4.量化方式量化方式第一节模拟-数字转换器38LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号 编码编码量化后量化后电压电压a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中

27、把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位1/8V=1LSB= 1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码第一节模拟-数字转换器39b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：0111111010

28、11000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码第一节模拟-数字转换器402 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2

29、+ C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 优先编码器优先编码器 (LSB(MSB)0 电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量1、电路组成、电路组成第一节模拟

30、-数字转换器41 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001第一节模拟-数字转换器42 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6

31、CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI 15VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0

32、1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 第一节模拟-数字转换器432、电路特点：、电路特点：在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量

33、是与 I输输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。 缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。 单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工艺工艺8位位)、AD9002 (ECL工艺，工艺，8位位)、AD9020 (TTL工艺，工

34、艺，10位位)等。等。 第一节模拟-数字转换器44所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留13 克克1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。第一节模拟-数字转换器45 转换原理转换原理 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：第一节模拟-数字转换器46 转换原理转换原理 第二个第二个CP： I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输