第19讲数-模及模-数转换器

1、第第19讲讲 数数模和模模和模数转换器数转换器19-1 D/A19-1 D/A转换器转换器19-2 A/D19-2 A/D转换器转换器模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 Analog to Digital Converter，简称，简称 A/D 转换器或转换器或ADC。 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量(电压或电电压或电流流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。，使输出的模拟电量与输入的数

2、字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 Digital to Analog Converter，简称，简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。 概述概述例如：对于例如：对于0 5V的直流电压，计算机用的直流电压，计算机用8位数字量来描述位数字量来描述时：时： 最小值（最小值（00000000）B = 0对应对应0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 对应对应 5V， 中间值（中间值（01111111）B = 127 对应对应2. 5V 等等 D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如

3、收到（电压。比如收到（00111111）B ，应给出幅度为，应给出幅度为1.25V 的电的电压。压。19-1 19-1 D/A转换器转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。将数字信号转换为模拟信号的电路。将输入的每一位二进制代码按其权的大小转将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。这样便实现了从数字量到模拟量的转换。uo或io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnu19

4、.1.1 19.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和放大求和放大器器参考电压参考电压19.1.2 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器集成运放通过集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，接入负反馈，有虚短，V-V+=0)IIII (RiRv0123FFo 3REF3dRVI 222dRVIREF12REF1dR2VI 0302dRVIREF)2d2d2d2d(2Vv001122334REFo 取取RF=R/2)2d2d.2d2d(2Vv00112n2n1n1nnREFo n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为转换器，当反馈电阻

5、取为R/2时，输时，输出电压的计算公式：出电压的计算公式：输出电压的变化范围输出电压的变化范围:REFnnV2120优点：优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。RF19.1.3 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关RF 由于由于V-V+=0,所以开关所以开关S合到哪一边，都相当于接到了合到哪一边，都相当于接到了“地地”电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：取取RF=R

6、则：则：)2222(2001122334ddddRVRiRvREFFFo RVIREF RF0123d16Id8Id4Id2Ii )2222(2001122334ddddVvREFo n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取转换器，当反馈电阻取为为R时，输出电压的计算公式：时，输出电压的计算公式：)2d2d.2d2d(2Vv00112n2n1n1nnREFo 优点：优点：（1）只有）只有R和和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立

7、时间，所以电路转换速度高，使用广泛。流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。集成集成D/A转换器转换器CB7520为为10位位DACCB7520运算放大器的反馈电阻可使运算放大器的反馈电阻可使用用CB7520内设的内设的R如上图所示（如上图所示（16脚与脚与1脚相连），也可另选反馈电阻脚相连），也可另选反馈电阻接到接到IOUT1与与VO之间。之间。CB7520引脚排列图引脚排列图CB7520需外接需外接运放运放需外接基需外接基准电压源准电压源19.1.4 权电流型权电流型D/A转换器转换器恒流源恒流源)2d2d2d2d(2IR)d2Id2Id2Id2I(RRiv001122334F04132

8、23FFo 为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器转换器中，经常利用倒中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。源。按比例加大发射结的面积按比例加大发射结的面积由倒由倒T形电阻网络分析可知，形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为，于是可得输出电压为可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：)2222(2001122334 DDDDRVRRivRFFREFO基准电流：基准电流：32EREF

9、REFIRVIR iniinFRDRRVv2210 REFO19.1.5 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A转换器转换器接一偏置电流接一偏置电流符号位求反符号位求反BBBRVI )222(20011223dddRUiREF 2)222(2)(30011223BBREFBoRVdddRVRIiRv 222)1(2)2222(2001122320011223dddVdddVvREFREFo 若选若选VB= VREF和和RB=2R，则，则: 当当UREF=8v时，有时，有 补码输入补码输入对应的十对应的十进制数进制数要求的输要求的输出电压出电压d2d1d00 1 10 1 00 0 10 0 0

10、1 1 11 1 01 0 11 0 0+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v0011220222)1(dddv 则可得左表则可得左表 设设VREF=10VkRR5 kRF5 nnRREFFoDDRVRv882102 19.1.6 D/A转换器应用举例转换器应用举例DAC0808是是8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。用用这类器件构成的这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻生基准电流用的电阻RR。DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系

11、转换器输出与输入的关系（ 设设VREF=10V）通常用通常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。1. 分辨率分辨率:是指是指可以区分的模拟输出的最小非零电压值可以区分的模拟输出的最小非零电压值表示方法：表示方法：(1) 用用输入二进制数输入二进制数字量的字量的位数位数表示；如表示；如8位位DAC。(2) 用用模拟输出电压模拟输出电压的的最小值与最大值最小值与最大值的的比值比值表示。表示。该比值显然等于：该比值显然等于：n12- 1100.0010.1%1023112- 119.1.7 D/A转换器的主要参数转换器的主要参数一、一、D/A转换器的转换精度转换器的转换精度如如)12(2

12、 nnREFV最最大大值值nREFV2最最小小非非零零值值转换误差转换误差可分为线性和非线性误差。指实际的可分为线性和非线性误差。指实际的D/A转换特性转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。和理想转换特性之间的最大偏差。转换误差的表示形式：转换误差的表示形式：(1)最低有效位的倍数。如最低有效位的倍数。如:1LSB。(2) 输出电压满刻度输出电压满刻度(FSR, Full Scale Range)的百分数。如的百分数。如:0.1FSR。2. 转换误差转换误差3.转换误差分析转换误差分析D/A转换器四个组成部分转换器四个组成部分,均可引起转换误差均可引起转换误差,但有不同的特点但有不同的特点.(

13、1) 参考电源引起的误差称为参考电源引起的误差称为比例系数误差比例系数误差。REFOnnVV = -D2 REFOnnVv= -D2(2) 运放零点漂移引起的误差称为运放零点漂移引起的误差称为漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差。(3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为偏差引起的误差称为非线性误差非线性误差。非线性误差有时导致转换特非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，从而引起性局部非单调性，从而引起系统不稳定。系统不稳定。注意注意:D/A分为两种：一种为运分为两种：一种为运放和参考电源为外接放和参考电源为外接,

14、另一种都另一种都集成在集成集成在集成D/A内部。前者内部。前者,在在选择外接参考电源和运放时要选择外接参考电源和运放时要注意，选择稳定性高的，否则注意，选择稳定性高的，否则会因为误差而降低精度！会因为误差而降低精度！总误差为几种误差的叠加总误差为几种误差的叠加用完成一次转换所需的时间建立用完成一次转换所需的时间建立时间时间tset来衡量。来衡量。建立时间建立时间:从输入信号变化开始到输出从输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差正负电压进入与稳态值相差正负1/2LSB范范围以内的时间。围以内的时间。输入信号由全输入信号由全0变为全变为全1所需时间最长所需时间最长不包含运放的不包含运放的DAC

15、DAC建立时间可达建立时间可达0.10.1s s，包含了运放的建立时间可以达到包含了运放的建立时间可以达到1.51.5s s。二、二、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度例例1、 十位十位D/A转换器，转换器，VREF=5V,求输出电压。求输出电压。O10-5v=D2输入全输入全1时时D=210-1,故故Ov-5V输入全输入全0时时D=0,故故Ov= 0V输入为输入为1000000000时时D=29,故故Ov= -2.5V解：解：解：计数器状态为解：计数器状态为0000时，模拟输出为时，模拟输出为0；当状态为；当状态为0001时，时，D/A输入数字量为输入数字量为0001 000000，输出

16、为：，输出为：编码编码1递增，所以模拟电平输出也按递增，所以模拟电平输出也按0.625V递增。递增。例例2、位位D/A转换器，转换器，VREF=-10V,画输出波形。画输出波形。6O1010v=2 = 0.625V20.625VCPtt0(V)1160 例例3、波形产生电路如图，图中、波形产生电路如图，图中ROM的数据如表的数据如表所示。对应所示。对应CP波形，画出输出波形，画出输出vO的波形，并标出波的波形，并标出波形上各点的电压值。形上各点的电压值。解、解、由由74161可得状态为可得状态为 查查ROM表可得表可得AD7533高高4位数据为位数据为 0111，0001，0010， 0011

17、，0100，0011。计算出计算出vO值为值为 3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V波形：波形：19-2 19-2 AD转换转换器器0 5V0000000011111111A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量19.2.1 A/D19.2.1 A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，通常的转换过程为：通常的转换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n

18、位）1. 取样保持取样保持 取样是对模拟信取样是对模拟信号进行周期性地抽取号进行周期性地抽取样值的过程，就是把样值的过程，就是把随时间连续变化的信随时间连续变化的信号转换成在时间上断号转换成在时间上断续、在幅度上等于取续、在幅度上等于取样时间内模拟信号大样时间内模拟信号大小的一串脉冲。小的一串脉冲。 取样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样取样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍最高有效频率的两倍取样定理：取样定理：fs2fi(max)输入模拟信号的最高输入模拟信号的最高频率分量的频率频率分量的频率取样频率取样频率 取样取样保持电路保持

19、电路电路组成及工作原理（要求电路中电路组成及工作原理（要求电路中Av1Av2=1） A1 开关驱动 电路 A2 vI vo CH S t=t0时，时，S闭合，电容充电，闭合，电容充电，vo=vI，t0t1阶段为取样阶段；阶段为取样阶段；t=t1时，时，S断开，电容没有放电回路，其两端电压保持断开，电容没有放电回路，其两端电压保持vo不不变，变，t1 t2阶段为保持阶段。阶段为保持阶段。取取样样保保持持2、量化与编码、量化与编码编码编码量化后的数值需要用一个代码来表量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程称为编码。示，这一过程称为编码。量化量化将采样将采样保持后的信号幅值转化保持后的信号幅值转

20、化成某个最小数量单位（量化间隔）的整数成某个最小数量单位（量化间隔）的整数倍。倍。量化方法一般有两种：只舍不入、有舍有入。量化方法一般有两种：只舍不入、有舍有入。只舍不入只舍不入（舍尾取整舍尾取整） 取量化单位取量化单位 nm/2V 0之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到0 2之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到1 此此方法产生的最大量化误差为方法产生的最大量化误差为 例例有舍有入（有舍有入（四舍五入四舍五入）取量化单位取量化单位 n+1m2/(21)V 0/2之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到0 /23/2之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到1 此此方法产生的最大量化误差为

21、方法产生的最大量化误差为/2 例例19.2.2 A/D转换器的分类转换器的分类 工作原理：工作原理： 直接直接ADC：模拟信号：模拟信号数字信号数字信号 特点：速度快特点：速度快 典型电路：典型电路：并行比较型并行比较型ADC、逐次比较型、逐次比较型ADC 间接间接ADC：模拟信号：模拟信号中间信号中间信号数字信号数字信号 特点：速度慢特点：速度慢 典型电路：典型电路：双积分型双积分型ADC、电压频率转换型、电压频率转换型ADC将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。采用第二种量化方案，采用第二种量化方案，即即 = 2VREF/15转换过

22、程：根据量化方案比较转换过程：根据量化方案比较输入模拟信号的大小，然后对输入模拟信号的大小，然后对比较的结果进行比较的结果进行编码编码。特点：特点：速度快，转换时间小于速度快，转换时间小于50ns；需要大量的比较器和需要大量的比较器和触发器触发器；不需要采样保持电路！不需要采样保持电路！一、一、 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器量化转换表量化转换表二、反馈比较型二、反馈比较型 逐次比较型逐次比较型AD转换器转换器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量W

23、x = 13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论1、电路结构、电路结构（1）转换开始前先将寄存器清零。）转换开始前先将寄存器清零。 2、工作原理、工作原理（2）转换控制信号）转换控制信号VS变为高电平时开始转换，时钟信号首先变为高电平时开始转换，时

24、钟信号首先 将寄存器的最高位置为将寄存器的最高位置为1，其它位置置，其它位置置0，使寄存器的输，使寄存器的输 出为出为10000。 （3）将该数字量被）将该数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压VO。 （4）比较，若）比较，若VOVi，说明数字过大了，则这个，说明数字过大了，则这个1应取掉；若应取掉；若 VOVi，说明数字还不够大，这个，说明数字还不够大，这个1应予保留。应予保留。 （5）再按同样的方法将次高位置）再按同样的方法将次高位置1，并比较，并比较VO与与Vi的大小以确的大小以确 定这一位的定这一位的1是否应当保留。是否应当保留。 （6）依次逐位比较下去，直

25、到最低位比较完为止，这时寄存）依次逐位比较下去，直到最低位比较完为止，这时寄存 器里所存的数码就是所求的输出数字量。器里所存的数码就是所求的输出数字量。 完成一次转换所需时间完成一次转换所需时间t：设时钟信号：设时钟信号CP的周期为的周期为T CP数字量数字量 位位数为数为N，则，则t=(N+2) T CP 。 例、例、一个一个8位逐次比较型位逐次比较型ADC，设，设VREF=10V，如输入的模，如输入的模拟电压为拟电压为vI=8.56V，转换过程及转换结果如下：，转换过程及转换结果如下：CPd7d6d5d4d3d2d1d0vO比较结果比较结果处处 理理23451000000011000000

26、11100000110100005V7.5V8.75V8.125VvIvOvI vO(d7) 1保留(d6) 1保留(d5) 1不保留(d4) 1保留vIvOvIvO(d3) 1保留(d2) 1不保留(d1) 1保留(d0) 1保留vIvO第十个第十个CP输出转换结果为输出转换结果为11011011noDv8210 第一个第一个CP清零，第二个清零，第二个CP开始如下工作：开始如下工作：注意：注意：C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR

27、+A1ISVvREFSVB1CP&vG双积分型双积分型A/D转换器转换器 由由积分器积分器、过零比较器过零比较器(C)、时钟脉冲控制门时钟脉冲控制门(G)和和定时器定时器、计数器计数器(FF0FFn)等几部分组成。等几部分组成。三、三、 间接间接A/D转换器转换器（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段计数器）准备阶段计数器清零，清零，积分电容放积分电容放电，电，vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端接通，输入电压端接通，输入电压vI加到积分器的输加到积分器的输入端。积分器从入端。积分器从0开始积分：开始积分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGv

28、c+IvREFVvp12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)tIOdtvv01由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，计被关闭，计数停止。数停止。ICnIPVTVTV21dtVVtvttREFPO)(1)(212在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写为：的表达式可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。 上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计

29、数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内内输入电压的平均值输入电压的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为，转换器就能将输入电压转换为数字量。数字量。0)(1)(212dtVVtvttREFPOICnREFVTTV22T2=TC IREFCnVVTT22IREFnCVVTT22特点特点: 性能稳定性能稳定, 转换结果与转换结果与R,C无关无关; 也与时钟周期也与时钟周期TC无关。这是两次积分的结果无关。这是两次积分的结果, 抗干扰能力强。速度抗干扰能力强。速度慢慢, 完成一次转换时间最大达到了完成一次转换时间最大达到了2T1，即，即2n+1TCnIREF2D=vV四、集成四、集成A/D转换器转换器 CC14433为双积分型集成为双积分型集成A/D转换器，它采用转换器，它采用CMOS工艺制造，工艺制造，将模拟电路与数字电路集成在一个芯片，只需外接少量元件就可将模拟电路与数字电路集成在一个芯片，只需外接少量元件就可以构成一个具有自动调零和自动极性切换功能的以构成一个具有自动调零和自动极性切换功能的 位的位的