第十一章 数模和模数转换(电子) (2)

1、学习要点： 数模和模数转换的基本原理 常见的典型电路多路开关数字控制计算机DACADC功率放大功率放大执行机构执行机构加热炉加热炉温度传感器温度传感器信号放大信号放大多路开关 11.1 概概 述述 转换精度和转换速度转换精度和转换速度是衡量是衡量A/D转换器和转换器和D/A转换器性转换器性能优劣的主要标志。能优劣的主要标志。 数数/模与模模与模/数变换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，数变换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，计算机与外部设备的重要接口计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制也是数字测量和数字控制系统的重要部件。系统的重要部件。 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换

2、器，简能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称称A/D转换器或转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称为数模转换器，简称D/A转换器或转换器或DAC。 分类分类 变变换换型型变变换换型型间间接接型型反反馈馈比比较较型型并并联联比比较较型型直直接接型型权权电电容容网网络络开开关关树树型型权权电电流流型型型型电电阻阻网网络络倒倒权权电电阻阻网网络络FVTVDADACDACDACDACTDACAD/5.2 D/A转换器转换器 11.2 D/A转换器转换器 D/A 转换器的基本原理和转换特性转换器的基本原理和转换特性 D/A转换器的作用是

3、将数字量转换为相应的模拟量。转换器的作用是将数字量转换为相应的模拟量。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位数字量来描位数字量来描述时：最小值（述时：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。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 的的电压。电压。将输入的每一

4、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(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)D二进制数二进制数dn-1dn-2d1d0，)2222(00112211oddddKunnnnu量之间的转换关系。量之间的转换关系

5、。D/A转换器的转换器的转换特性转换特性，是指其输出模拟量和输入数字是指其输出模拟量和输入数字图示是输入为图示是输入为3位二进制数时的位二进制数时的D/A转换转换器的转换特性。器的转换特性。理想的理想的D/A转换器的转换特性，转换器的转换特性，应是输出模应是输出模拟量与输入数字量成正比。拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压即：输出模拟电压 uo=KuD或或输出模拟电流输出模拟电流io=KiD。其中其中Ku或或Ki为电压或电流转换比例为电压或电流转换比例系数，系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为如果输入为n位位则输出模拟电压为：则输出模拟电压为：

6、11.2 D/A转换器转换器求和放求和放大器大器基准电基准电源源权电阻求权电阻求和网络和网络电子模电子模拟开关拟开关0000 IOIViVVR,i ,AA，且且必必有有当当接接成成深深度度负负反反馈馈时时，为为理理想想放放大大器器，即即设设负负反反馈馈放放大大器器：11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 当当 D D = 1 = 1 时，时，T T2 2 管管饱和导通，饱和导通，T T1 1 管截止，管截止，则则 S S 与与 a a 点通点通 ； 当当 D D = 0 = 0 时，时，T T1 1 管饱和导通，管饱和导通，T T2 2 管截管截止，则止，则 S S 被接地被接地

7、 。 前者相当于开关前者相当于开关S 接到接到 “ 1 ” 端端 ，后者，后者则则 相当于开关相当于开关S 接到接到“ 0 ”端端 。电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路T1T2SDa求和放求和放大器大器基准电基准电源源权电阻求权电阻求和网络和网络电子模电子模拟开关拟开关1 01 01 01 0控制控制受数字受数字0303ddSS 流向流向时，时，时，时，iiiiIdId1003032121210302222dRVIdRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREFiiREFi 权电流：权电流：)2d2d2d2d(R2VdR2VdR2VdR2VdRVIIIIi001122

8、333REF03REF12REF2REF3REF0123 )2d2d2d2d(2Vi2RiRu001122334REFFo nnREF00112n2n1n1nnREFoD2V)2d2d2d2d(2Vu VREF为正电压时输为正电压时输出电压出电压vO始终为负始终为负值；要使值；要使vO为正，为正， VREF必须取为负值必须取为负值设设RF=R/2输出的模拟电压正输出的模拟电压正比于输入的数字量，比于输入的数字量，实现了从数字量到实现了从数字量到模拟量的转换模拟量的转换nnREFnnnnnREFDVddddVv2)2222(200112211o 对对n位的权电阻网络位的权电阻网络D/A转换器，当

9、反馈电转换器，当反馈电阻取阻取R/2时，输出电压为：时，输出电压为：REFnnOnnVV,D2120120 范范围围为为双级权电阻网络双级权电阻网络D/A转换器转换器 优点优点是结构比较简单；是结构比较简单； 缺点缺点是各个电阻的阻值相差较大，是各个电阻的阻值相差较大，难于保证精度，且大难于保证精度，且大电阻不宜于集成在电阻不宜于集成在ICIC内部内部。nnREFREFDVddddVv2)2222(2001166778o11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流RRRRRVIREF 10101010RVIREF )16()8()4()

10、2(010123IdIdIdIdiIdIdiiii 流流入入地地端端时时，流流入入时时，440011223342)2222(21DVddddRVRRiVREFREFO nnREFnnnnnREFODVddddRVRRiVn2)2222(2100112211 位位输输入入时时，应应有有对对REFnnOnnVV,D2120120 范围为范围为为“正”为“正”取“负”则得取“负”则得OREFVV440011223342)2222(21DVddddRVRRiVREFREFO 集成集成D/A转换器转换器CB7520(A/D7520)的电路原理图的电路原理图 输入为输入为10位二进制数，采用位二进制数，采

11、用CMOS电路构成的模拟开关。电路构成的模拟开关。 使用时需要外接运算放大器。其反馈电阻可以外接也可以使用时需要外接运算放大器。其反馈电阻可以外接也可以用内设的。用内设的。 这是一个这是一个4位位D/A转换器，图上的开关转换器，图上的开关Si是受数字位是受数字位di控制的，控制的，当当di = 0时开关接地，否则，开关接运放的反向输入端。时开关接地，否则，开关接运放的反向输入端。每个恒流源电流的数值与输入的二进制数对应位的每个恒流源电流的数值与输入的二进制数对应位的“权权”成正比。成正比。11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器每个支路每个支路均为恒流均为恒流源，其电源，其电流大小不流

12、大小不再受开关再受开关内阻和压内阻和压降的影响。降的影响。 为了电流恒定，应当为了电流恒定，应当确保确保REi两端的电压恒定两端的电压恒定.)2222(2)16842(0011223340123ddddRIRdIdIdIdIRiVFFFo显然显然:恒流源常采用图示结构恒流源常采用图示结构EiEEbeBiRVVVI 单单片片集集成成 D/A 转转换换器器 DAC0808 的的电电路路结结构构框框图图 8位数字量输入端位数字量输入端求和电流输出端求和电流输出端基准电基准电流发生流发生电路中电路中运算放运算放大器的大器的反相输反相输入端和入端和同相输同相输入端入端外接外接补偿补偿电容电容正电正电源输

13、源输入端入端负电源输入端负电源输入端DAC0808 的的典典型型应应用用 nREFRnFODVRRv2 可计算出在给定参数下输入的数可计算出在给定参数下输入的数字量在全字量在全0到全到全1之间变化时，输之间变化时，输出模拟电压的变化范围出模拟电压的变化范围 例：输入为三例：输入为三位二进制补码。最位二进制补码。最高位为符号位，正高位为符号位，正数为数为0，负数为，负数为1补码输入补码输入 对应的对应的十进制数十进制数 要求的要求的输出电压输出电压D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.

14、6 具有双极性输出的具有双极性输出的DAC 当输入数字量是以补码形式输入的正、负数时，当输入数字量是以补码形式输入的正、负数时，希望输出的模拟电压也相应具有希望输出的模拟电压也相应具有极性。极性。一、原理一、原理绝对值输入绝对值输入对应的对应的输出输出偏移后偏移后的输出的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V

15、101-3-3V100-4-4VD/A*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为将输出偏移使输入为100时，输出为时，输出为0二、电路实现二、电路实现VVVVVVVVddddddVVVOOOOOREF4100711110010000)222(288. 10120011223 则则则则*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为0即即可可只只需需令令时时，输输入入时时，使使输输入入偏偏移移RVIRViIRVIiVVREFBBBREFO22221000100,4. 2 分辨率用来表示分辨率用来表示DAC能够分辨输出最小电压的能力。能够分辨输出最小

16、电压的能力。分辨分辨率也可用率也可用DAC输出的最小电压与输出最大电压之比表示。输出的最小电压与输出最大电压之比表示。输出输出最小电压是指输入数字量只有最低有效位为最小电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压。输时的输出电压。输出最大电压是指输入数字量各位全为出最大电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。时的输出电压。 DAC的位数越高，它的分辨率就越小。分辨率小说明在相的位数越高，它的分辨率就越小。分辨率小说明在相同条件下，输出最小电压小。同条件下，输出最小电压小。l l、分辨率、分辨率121n分辨率n为被转换的二进制数的位数为被转换的二进制数的位数 分辨率可用分辨率可用DAC的位

17、数表示。的位数表示。n位位DAC的输出电压能够给的输出电压能够给出出2n个不同的数量等级。当然个不同的数量等级。当然DAC的位数高，它的输出电压等的位数高，它的输出电压等级就多，每个电压等级对应的电压值就越小。这从理论上讲可级就多，每个电压等级对应的电压值就越小。这从理论上讲可以表示以表示DAC的精度。的精度。（一）转换精度（一）转换精度11.2.7 DAC的转换精度与速度的转换精度与速度2、转换误差转换误差 由于由于DAC的各环节不可避免地存在参数和性能方面的误差，的各环节不可避免地存在参数和性能方面的误差，使得使得DAC也不可避免地存在误差。转换误差常用输出电压满刻也不可避免地存在误差。转

18、换误差常用输出电压满刻度度FSR（FULL SCALE RANGE）的百分数表示。）的百分数表示。 例如例如AD7520的线性误差等于的线性误差等于0.05%FSR，就是说转换误差，就是说转换误差等于满刻度的万分之五。等于满刻度的万分之五。 如果给出的转换误差等于如果给出的转换误差等于1/2LSB，就是说输出电压的绝对，就是说输出电压的绝对误差小于或等于输入只有最低有效位为误差小于或等于输入只有最低有效位为1时的输出模拟电压的时的输出模拟电压的一半。一半。 有的也用最低有效位的倍数来表示。有的也用最低有效位的倍数来表示。 (1) 比例系数误差：比例系数误差：VREF波动引起的误差。波动引起的误

19、差。 DAC产生误差的主要原因有参考电压产生误差的主要原因有参考电压VREF的波动，运算放的波动，运算放大器的零点漂移，电阻网络中电阻的阻值偏差，模拟开关的导大器的零点漂移，电阻网络中电阻的阻值偏差，模拟开关的导通电阻和导通电压的变化等。通电阻和导通电压的变化等。 (2) 漂移误差：漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的。由运算放大器的零点漂移引起的。 (3) 非线性误差：非线性误差： (a) 由于模拟开关的导通电阻和导通电压不等于由于模拟开关的导通电阻和导通电压不等于0，而且每，而且每个模拟开关的导通电阻和电压也不等，模拟开关接个模拟开关的导通电阻和电压也不等，模拟开关接VREF和接地和接地

20、时的压降也不一定相等。这些原因使得误差电压不仅不是常数，时的压降也不一定相等。这些原因使得误差电压不仅不是常数，而且又不与输入数字量成正比。这种性质的误差叫做非线性误而且又不与输入数字量成正比。这种性质的误差叫做非线性误差。差。 (b) 电阻网络中的电阻值存在偏差。每个支路的阻值偏差也电阻网络中的电阻值存在偏差。每个支路的阻值偏差也不同。不同支路上的电阻阻值偏差对输出电压的影响也不同。不同。不同支路上的电阻阻值偏差对输出电压的影响也不同。这也使得误差电压与输入数字量之间不存在线性关系。这也使得误差电压与输入数字量之间不存在线性关系。nnREFOnnREFODVVDVV22 一些产品通常规定为输

21、入由全一些产品通常规定为输入由全0变为全变为全1(或由全或由全1变为全变为全0)起，到输出稳定电压的一段时间。建立时间短，说明该起，到输出稳定电压的一段时间。建立时间短，说明该DAC的的转换速度快。转换速度快。 通常，不包含参考电压电源和运算放大器的通常，不包含参考电压电源和运算放大器的DAC，建立时，建立时间最短可在间最短可在0.l微秒以内。而包含参考电压电源和运算放大器的微秒以内。而包含参考电压电源和运算放大器的DAC，建立时间最短的可达，建立时间最短的可达1.5微秒。微秒。 建立时间建立时间t tsetset DAC的指标不止这些。在使用的指标不止这些。在使用DAC时还必须查手册，了时还

22、必须查手册，了解其他参数。解其他参数。 （ 二）转换速度二）转换速度 从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差相差1/2LSB范围以内的这段时间。范围以内的这段时间。本节小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和转换器和T型电阻网络型电阻网络D/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T型电阻网络型电阻网络D/A转换器只要求两

23、种阻值的电阻，转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采转换器普遍采用这种电路结构。用这种电路结构。如果输入的是如果输入的是n位二进制数，则位二进制数，则D/A转换器转换器的输出电压为：的输出电压为：)2222(200112211oddddVunnnnnREF11.3 A/D转换器转换器11.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，

24、ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。一、模数转换的基本过程一、模数转换的基本过程 模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号，而数字模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号，而数字信号是一种幅度及时间上皆离散的信号，要将模拟信号转换为信号是一种幅度及时间上皆离散的信号，要将模拟信号转换为数字就需要完成这两个方面的转换。数字就需要完成这两个方面的转换。 首先是将时间上进行离散化处理，完成这一步是通过取样首先是将时间上进行离散化处理，完成这一步是通过取样来实现的。来实现的。 另一步幅度

25、离散是通过量化来实现的。另一步幅度离散是通过量化来实现的。 A/D转换转换实际的过程分为：实际的过程分为： 取样、保持、量化、编码四个过程。取样、保持、量化、编码四个过程。取样（取样（Sample） 取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串变化的信号。具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串脉冲，这个脉冲是等距离的，并且其幅度取决于输入的模拟量。脉冲，这个脉冲是等距离的，并且其幅度取决于输入的模拟量。如如下图下图所示所示: 在图中，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保在图中

26、，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出与输留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出与输入波形形状能做到较好的一致入波形形状能做到较好的一致。 这频率的选择原则根据一个著名的定理，即这频率的选择原则根据一个著名的定理，即取样定理。取样定理。取样定理描述了欲将模拟信号转变成离散信号，并且从离散取样定理描述了欲将模拟信号转变成离散信号，并且从离散信号中可以恢复出其原始信号所需要的最低取样频率。如果信号中可以恢复出其原始信号所需要的最低取样频率。如果原始信号的最高频率为原始信号的最高频率为FH，则取样频率，则取样频率fs应遵循下面的公式

27、：应遵循下面的公式： 上面公式给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般上面公式给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般为原始信号最高频率的为原始信号最高频率的35倍左右。倍左右。 那么取样的频率如何确定呢？那么取样的频率如何确定呢？fs2FH 常见的几种取样情况的基带信号（即原始信号）频率和取常见的几种取样情况的基带信号（即原始信号）频率和取样频率的对照表：样频率的对照表：保持（保持（Hold）为了将采样后的输出信为了将采样后的输出信号转换为数字信号，需号转换为数字信号，需要一定的时间对采样值要一定的时间对采样值进行量化和编码，在这进行量化和编码，在这段时间内，采样值应保段时间内，采样值应保持

28、稳定不变，持稳定不变，这样才这样才可可以以稳定地进行量化编码稳定地进行量化编码。因此，采样后的输出信因此，采样后的输出信号必须通过保持电路保号必须通过保持电路保持一段时间。持一段时间。典型的取样保持电路原理图典型的取样保持电路原理图 保持电路实际上保持电路实际上是使用了电容的存储是使用了电容的存储特性，实际使用时取特性，实际使用时取样与保持两个是合二样与保持两个是合二为一的。为一的。 当当vL为高电平时，为高电平时，T导通。输入经导通。输入经R1和和T向电容向电容CH充电；若取充电；若取R1= RF，充电结束后充电结束后vo= vC= - vi -采样采样。 当当vL为低电平时，为低电平时，T

29、截止。截止。-保持保持量化和编码量化和编码 取样保持后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它取样保持后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它的取样信号取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散的取样信号取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散的，如用四位二进制数来表示，其只有的，如用四位二进制数来表示，其只有00001111共十六种状共十六种状态，因此要实现幅度数字化就是用具体的数字量来态，因此要实现幅度数字化就是用具体的数字量来近似近似表示对表示对应的模拟值，这个过程就是量化。应的模拟值，这个过程就是量化。 在进行在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为某个规定的最转换时，必须把取样电

30、压表示为某个规定的最小数量单位的整数倍，这个过程是量化。小数量单位的整数倍，这个过程是量化。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示。表示。 在量化过程中，由于取样电压不一定能被在量化过程中，由于取样电压不一定能被整除，所以量整除，所以量化前后不可避免地存在误差，即量化误差。化前后不可避免地存在误差，即量化误差。 在数字电路的量化中采用一种在数字电路的量化中采用一种“只舍不入只舍不入”的量化规则，的量化规则，或采用或采用“四舍五入四舍五入”的舍入规则，如图所示。的舍入规则，如图所示。例：把例：把01V模拟电压转换成模拟电压转换成3位二进制代码。

31、位二进制代码。=1/8V，最大，最大量化误差可达量化误差可达=2/15V，最大量化误最大量化误差可达差可达1/2划分量化电平的方法划分量化电平的方法n只舍不入只舍不入舍去不足一个量化单位的尾部，取其整数。舍去不足一个量化单位的尾部，取其整数。如当如当1 =1V时，时，Vi=3.8伏，量化值伏，量化值=3伏伏 Vi=5.2伏，量化值伏，量化值=5伏伏n四舍五入四舍五入大于大于/2量化单位的尾部归整，舍去小于量化单位的尾部归整，舍去小于/2量化单位的尾部。量化单位的尾部。如当如当1 =1V时，时，Vi=3.8伏，量化值伏，量化值=4伏伏 Vi=5.2伏，量化值伏，量化值=5伏伏 量化的方法不同其输

32、出的格式也不同，即输出编码的形式不量化的方法不同其输出的格式也不同，即输出编码的形式不同，这就需要进一步编码。即编码就是将量化的结果转换为需同，这就需要进一步编码。即编码就是将量化的结果转换为需要的代码形式。要的代码形式。二、模数转换的几种方法二、模数转换的几种方法 模数转换的方法很多，其在转换速度、转换精度、抗干模数转换的方法很多，其在转换速度、转换精度、抗干扰能力方面各有特色。扰能力方面各有特色。直接直接A/D转换转换间接间接A/D转换转换A/D转换转换并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型V-T型型V-F型型 1、并行比较型、并行比较型ADC 各比较器的输出送到各比较器的输出送到D触发

33、器组成的缓冲存储器中，以触发器组成的缓冲存储器中，以避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。（一）直接型（一）直接型A/D转换转换 并行比较型并行比较型ADC，它通过电阻分压方式形式形成的各种，它通过电阻分压方式形式形成的各种比较电平作为刻度。比较电平作为刻度。 输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比较。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反较。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反之为低电平。之为低电平。 缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的缓冲器的输

34、出送到优先编码器，经过编码器将其输出的状态转移为三位二进制信号。状态转移为三位二进制信号。 并行比较型并行比较型ADC的精度取决于：的精度取决于： (1) 量化电平的划分；划分越细（量化电平的划分；划分越细（越小），精度越高，越小），精度越高，比较器和触发器的数目越多。比较器和触发器的数目越多。 从图上可以看出，当输出位数增加一位，其比较器的个从图上可以看出，当输出位数增加一位，其比较器的个数增加一倍，由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高，数增加一倍，由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高，给制造带来不便，价格较高，一般较少使用。但这种转换电路给制造带来不便，价格较高，一般较少使用。但这

35、种转换电路的最大优点是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故在速的最大优点是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故在速度较高的场合，如视频信号的度较高的场合，如视频信号的ADC等常有使用。等常有使用。 (2) 参考电压的稳定度。参考电压的稳定度。 (3) 分压电阻的精度和比较器的灵敏度。分压电阻的精度和比较器的灵敏度。 另外另外，含寄存器的，含寄存器的A/D转换电路可以不用附加取样转换电路可以不用附加取样保持保持电路。电路。2、反馈比较型、反馈比较型ADC 反馈比较方法的基本思想是，每次取一个数字量加到反馈比较方法的基本思想是，每次取一个数字量加到DAC，经，经D/A转换便得到了一个模拟电压。

36、用这个模拟电转换便得到了一个模拟电压。用这个模拟电压和被转换的输入模拟电压去比较，如果不相等，调整所压和被转换的输入模拟电压去比较，如果不相等，调整所取的数字量，直至两个模拟电压相等为止。取的数字量，直至两个模拟电压相等为止。 反馈比较的方法是采用器件少的设计方案。反馈比较的方法是采用器件少的设计方案。 针对这两种方法实现反馈比较有针对这两种方法实现反馈比较有计数计数和和逐次逐次逼近两种方式。逼近两种方式。 反馈比较方法和用天秤称重物的过程相似。用天秤称重反馈比较方法和用天秤称重物的过程相似。用天秤称重物有两种方法。物有两种方法。 (1) 计数型计数型A/D转换器转换器 每次加一个每次加一个等

37、值等值的砝码，直到砝码和重物相等为止。每的砝码，直到砝码和重物相等为止。每次加一个砝码的做法实质是在做加法计数。次加一个砝码的做法实质是在做加法计数。下图是下图是计数型计数型A/D转换器转换器的原理框图：的原理框图：转换控制信号转换控制信号首先，计数器置零，且首先，计数器置零，且vL=0，使门，使门G封锁，封锁，vo=0 之后之后vL = 1 ，计数器开始加法计数，当，计数器开始加法计数，当vo vi时，时，vB = 1仅当仅当vi = vo时，时，vB = 0，使门，使门G封锁，此时计数器停止工作。封锁，此时计数器停止工作。此时计数器所存储的数字就是所求的输出数字信号。此时计数器所存储的数字

38、就是所求的输出数字信号。 当转换完成时，用当转换完成时，用vL的下降沿将计数器的数字信号输的下降沿将计数器的数字信号输入寄存器中。入寄存器中。 这种方法的缺点是转换时间太长。当输出为这种方法的缺点是转换时间太长。当输出为n位二进制时，位二进制时，最长时间为：最长时间为：2 n -1个时钟周期。个时钟周期。 首先，计数器置零，且首先，计数器置零，且vL= 0，使门，使门G封锁，封锁，vo = 0 之后之后vL = 1 ，计数器开始加法计数，当，计数器开始加法计数，当vo vo时，时，“1” 保留，保留，vi vo时，时，“1”去掉，置为零。去掉，置为零。然后将寄存器的次高位置然后将寄存器的次高位

39、置1,这样这样逐次比较下去逐次比较下去直到最低位为止。直到最低位为止。此时寄存器所存储的数字就是所求的输出数字信号。此时寄存器所存储的数字就是所求的输出数字信号。3位逐次比较位逐次比较型型A/D转换器转换器的原理图：的原理图：FA、FB和和FC组成组成三位数码寄存器三位数码寄存器门门G1G9组成逻辑组成逻辑控制电路控制电路FF1FF5组成组成5位位环形计数器环形计数器初始条件：初始条件：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5=100001、常态：时钟运行，、常态：时钟运行，VL=02、启动：、启动：VL = 1，转换开始，转换开始3、第、第1个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = 100

40、 Q1Q2Q3Q4Q5 = 01000 当当vi vo时，时，vB = 0；4、第、第2个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = 110 或或 010 ，记为记为Qa10 Q1Q2Q3Q4Q5 = 001005、第、第3个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = Qa11或或Qa01，记为记为QaQb1 Q1Q2Q3Q4Q5 = 000106、第、第4个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = QaQb1 或或 QaQb0，记为记为QaQbQc Q1Q2Q3Q4Q5 = 00001 输出输出 = QaQbQc7、第、第5个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5 = 100001、双积

41、分型、双积分型ADC 双积分型双积分型ADC电路与上面的几种方法是不相同的，双积分电路与上面的几种方法是不相同的，双积分式是一种间接转换的方法。式是一种间接转换的方法。常态：常态：VL = 0； S0通；计数器清零通；计数器清零启动：启动：VL = 1转换分两个积分过程：转换分两个积分过程： (1) 对输入信号对输入信号VI的积分的积分 S0断；断；S1接接VI；进行固定；进行固定时间时间T1的积分。的积分。ITIoVRCTtRCVCV10d11 (2) 对参考电压对参考电压 -VREF 的积分的积分 S0断；断；S1接接 -VREF；进行反向；进行反向积分，直到积分器输出积分，直到积分器输出

42、Vo = 0为为止，经历的时间为止，经历的时间为T2。0d1102 ITREFoVRCTtRCVCVIREFVRCTVRCT12 得：得：12TVVTREFI 因为因为T1，VREF为常数，所以为常数，所以T2与与VI成正比。因此，计数器成正比。因此，计数器的计数值与的计数值与VI成正比成正比 （二）间接型（二）间接型A/D转换转换下图为双积分式的结构框图：下图为双积分式的结构框图：加电以后，时钟就开始工作。加电以后，时钟就开始工作。右图是右图是双积分双积分型型A/D转换器转换器的电压的电压波形图波形图从电压从电压波形图波形图上可以上可以直观地直观地看到前看到前面结论面结论的正确的正确性。性。

43、 由于由于 D 只与只与N，VREF，VI有关，与电路的其它参数无关，有关，与电路的其它参数无关，所以电路工作稳定。所以电路工作稳定。 结论：结论：1、CP脉冲的频率稳定性不影响转换精度；脉冲的频率稳定性不影响转换精度； 2、电、电路中的电阻和电容值稳定性不影响转换精度；路中的电阻和电容值稳定性不影响转换精度；3、电路要求、电路要求VREF必须稳定。必须稳定。 双积分型双积分型ADC具有很强的抗干扰能力，因为积分器可以将具有很强的抗干扰能力，因为积分器可以将平均值为零的噪声干扰去掉平均值为零的噪声干扰去掉. 双积分型双积分型ADC转换速度很低，一般每秒转换速度很低，一般每秒10次左右。次左右。

44、 设：时钟周期为设：时钟周期为Tc（fc = 1/Tc） 计数器的计数值：计数器的计数值： D = T2/Tc = (T1/Tc)(VI/VREF) 若取若取T1为为Tc的整数倍，即的整数倍，即T1 = N Tc，则上式可以化成：，则上式可以化成： D =（N/VREF）VI 其实，其实，T1为为Tc的整数倍很容易实现（用计数器产生的整数倍很容易实现（用计数器产生T1）。）。 转换控制信号转换控制信号VL = 0时，时，N位计数器和位计数器和FFA被清零，被清零，S0接通。接通。 转换控制信号转换控制信号VL = 1时，时，N位计数器开始计数，同时积分器位计数器开始计数，同时积分器开始对开始对

45、VI积分，当计数器回到积分，当计数器回到“0”状态时，状态时，S1转换，积分器开转换，积分器开始对始对-VREF积分。积分。 当积分器的输出为零时，门当积分器的输出为零时，门G被封锁，计数器停止计数，被封锁，计数器停止计数，这时计数器中的数值与输入信号相对应。这时计数器中的数值与输入信号相对应。 VL = 0，电路复位，等待下次启动。，电路复位，等待下次启动。2、V-F变换型三、模数转换的主要技术指标三、模数转换的主要技术指标 1、分辨率、分辨率 表征表征ADC对输入信号分辨能力的参数。常用二进制或十对输入信号分辨能力的参数。常用二进制或十进制数的位数来表示，进制数的位数来表示，n位位ADC能

46、够分辨输入电压的最小差能够分辨输入电压的最小差异为异为 2、转换误差、转换误差 量化必然引起误差，转换误差通常用相对误差表示。它量化必然引起误差，转换误差通常用相对误差表示。它表示表示ADC实际输出的数字量和理想数字量之间的差别。例如，实际输出的数字量和理想数字量之间的差别。例如，相对误差相对误差=1/2 LSB就表明了就表明了ADC实际输出的数字量与理想实际输出的数字量与理想的数字量之差不大于的数字量之差不大于ADC最低有效位为最低有效位为 1 的一半。的一半。 分辨率和转换误差一起反映了分辨率和转换误差一起反映了ADC的精度。的精度。ADC的位数的位数多，相对误差小，当然它的转换精度就高。

47、多，相对误差小，当然它的转换精度就高。 如：如：10位位A/D，最大输入电压为，最大输入电压为5V，则能够分辨输入电，则能够分辨输入电压的最小差异为：压的最小差异为：5/210 = 4.88mVFSRn21 3、转换速度、转换速度 转换速度常用完成一次转换所需时间来表示。转换时间是转换速度常用完成一次转换所需时间来表示。转换时间是指指ADC接受到模拟信号到有稳定的数字量输出的一段时间。接受到模拟信号到有稳定的数字量输出的一段时间。转换时间短，说明转换速度快。转换时间短，说明转换速度快。 ADC的指标不止这些。在使用的指标不止这些。在使用ADC时还必须查手册，了时还必须查手册，了解其他参数。解其

48、他参数。 第四第四节节 应用知识应用知识一、选择一、选择A/D与与D/A转换器常识转换器常识 选择转换器应根据系统的要求，从以下选择转换器应根据系统的要求，从以下六个方面六个方面来考虑：来考虑： 1、输入、输入/输出输出 从输入从输入/输出方面应考虑：输出方面应考虑： (1) 输入信号范围，满刻度值及极性；输入信号范围，满刻度值及极性； (2) 数字码：自然二进制码，数字码：自然二进制码，2的补码和的补码和BCD码等；码等； (3) 输入和输出阻抗，信号源内阻和负载要求；输入和输出阻抗，信号源内阻和负载要求； (4) 逻辑电平的兼容性：输入逻辑电平的兼容性：输入/输出是输出是TTL电平，还是电

49、平，还是CMOS电平，二者是否兼容，同时还要注意电平的极性；电平，二者是否兼容，同时还要注意电平的极性； (5) 输出信号（输出信号（DAC）：电流或电压。）：电流或电压。 2、精度、精度 精度是一个重要指标，可以用两个指标来衡量。精度是一个重要指标，可以用两个指标来衡量。 (1) 分辨率（分解度）：转换器的位数；分辨率（分解度）：转换器的位数； (2) 转换误差：相对误差，非线性误差，失调误差等。转换误差：相对误差，非线性误差，失调误差等。 3、速度、速度 转换速度在转换速度在DAC中，用建立时间表示，而在中，用建立时间表示，而在ADC中，中，则用转换时间表示，时间短，转换速度就快。则用转换

50、时间表示，时间短，转换速度就快。 4、环境条件、环境条件 环境条件包括温度、噪声电平、电源的敏感性等。环境条件包括温度、噪声电平、电源的敏感性等。 ADC与与DAC器件的选择要从上述六个方面考虑，但是，器件的选择要从上述六个方面考虑，但是，一般是在速度、精度、价格三方面权衡。一般是在速度、精度、价格三方面权衡。 在满足上述五条要求的前提下，还应从经济观点出发，在满足上述五条要求的前提下，还应从经济观点出发，选择价格低的器件选择价格低的器件。 6、价格、价格 5、微处理器接口、微处理器接口 为便于转换器同微处理器连接，为便于转换器同微处理器连接，ADC应为三态输出，应为三态输出，DAC应有输出锁

51、存。应有输出锁存。二、集成化二、集成化A/D与与D/A转换器介绍转换器介绍 1、DAC0832介绍介绍 集成集成DAC的种类很多，按的种类很多，按DAC的输出方式分成电流输出的输出方式分成电流输出DAC和电压输出和电压输出DAC两种。两种。 下面以美国国家半导体公司生产的电流输出下面以美国国家半导体公司生产的电流输出DAC0832为为例予以介绍。例予以介绍。 下图表示出了下图表示出了DAC0832的结构框图的结构框图 。图中的八位。图中的八位DAC为为D/A转换电路，是转换电路，是DAC0832的核心。两个寄存器对数据起的核心。两个寄存器对数据起缓冲作用。使缓冲作用。使0832不仅有直通工作方

52、式、单缓冲工作方式、不仅有直通工作方式、单缓冲工作方式、二级缓冲工作方式，而且工作速度快。二级缓冲工作方式，而且工作速度快。 DAC0832采用采用CMOS工艺，有工艺，有20个引脚，为双列直插式。个引脚，为双列直插式。它有以下特点它有以下特点 ：1、可与所有八位微处理器直接相连、可与所有八位微处理器直接相连; 2、输入数字量为八位二进制码、输入数字量为八位二进制码; 3、逻辑电平与、逻辑电平与TTL电平兼容电平兼容; 4、有二级缓冲、单级缓冲和直通三种工作方式、有二级缓冲、单级缓冲和直通三种工作方式; 5、电流建立时间为、电流建立时间为1微秒微秒; 6、单电源供电、单电源供电515V;7、功耗为、功耗为20mW。 右图给出了右图给出了DAC0832的管脚的管脚排列图排列图 DAC0832引脚功能如下：引脚功能如下： DI0DI7：八