数字电子技术：第十一章 数－模和模－数转换

1、第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数数转换转换（4学时）学时） 本章主要介绍数模转换（本章主要介绍数模转换（D/A)和模数转换和模数转换（A/D)的基本原理和常见的典型电路。的基本原理和常见的典型电路。 在数模转换电路中，主要介绍权电阻网络型数在数模转换电路中，主要介绍权电阻网络型数模转换器、倒梯形电阻网络型数模转换器，另外模转换器、倒梯形电阻网络型数模转换器，另外也介绍了权电流型数模转换器、开关树型数模转也介绍了权电流型数模转换器、开关树型数模转换器以及权电容型网络型数模转换器。换器以及权电容型网络型数模转换器。 在模数转换电路中，首先介绍模数转换器一在模数转换电路中，首先介绍模

2、数转换器一般框图原理和步骤，然后介绍采样保持电路和模般框图原理和步骤，然后介绍采样保持电路和模数转换器的主要类型。数转换器的主要类型。 在介绍数模转换器和模数转换器电路的基础在介绍数模转换器和模数转换器电路的基础上，也讲述它们的转换精度和速度等主要参数。上，也讲述它们的转换精度和速度等主要参数。11.1 概述概述 在计算机控制系统中，被控量一般为非电量，如温度、压在计算机控制系统中，被控量一般为非电量，如温度、压力、位移等，首先由传感器将它们转化成连续变化的模拟量，力、位移等，首先由传感器将它们转化成连续变化的模拟量，再由模再由模/数转换器转换成数字量，送到计算机中进行处理和计算。数转换器转换

3、成数字量，送到计算机中进行处理和计算。处理后要经过数处理后要经过数/模转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，模转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，加到执行机构，以调节被控对象的大小。加到执行机构，以调节被控对象的大小。一个计算机控制系统的框图如图一个计算机控制系统的框图如图11.1.1所示。所示。图图11.1.2为一个温度控制系统：为一个温度控制系统：传感器传感器放大器放大器A/DA/D转换转换微型计算机微型计算机控制控制对象对象D/A转换转换电加热炉电加热炉热电偶热电偶执行机构执行机构图图11.1.2温度温度时间时间2、主要性能指标、主要性能指标 为了保证数据处理结果的准确性，为了保证

4、数据处理结果的准确性，A/D转换器和转换器和D/A转换转换器必须有足够的转换精度，另外对于过程控制和检测需求，器必须有足够的转换精度，另外对于过程控制和检测需求， A/D转换器和转换器和D/A转换器必须有足够的转换速度。故转换器必须有足够的转换速度。故是是A/D转换器和转换器和D/A转换器的主要性能指标。转换器的主要性能指标。 目前常用的目前常用的D/A转换器有权电阻网络转换器有权电阻网络D/A转换器、倒梯形电转换器、倒梯形电阻网络阻网络D/A转换器、权电流型转换器、权电流型D/A转换器、权电容型转换器、权电容型D/A转换器转换器以及开关树型以及开关树型D/A转换器等几种类型。转换器等几种类型

5、。 将数字信号转换成模拟信号的过程称为数将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模转换模转换（Digital to Analog），实现的电路称为），实现的电路称为D/A转换器，转换器，简写成简写成DAC（DigitalAnalog Converter）。）。2.A/D转换器：转换器： A/D转换器的类型可分成直接转换器的类型可分成直接A/D转换器和间接转换器和间接A/D转换转换器。在直接器。在直接A/D转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换器中，输入的模拟信号首先被

6、转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将这个中间转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将这个中间量转换成输出的数字量。量转换成输出的数字量。 将模拟信号转换成数字信号的过程称为模将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换数转换（Analog to Digital），实现的电路称为），实现的电路称为A/D转换器，转换器，简写为简写为ADC（AnalogDigital Converter）。）。注：根据数字量的输入输出方式可以将注：根据数字量的输入输出方式可以将D/A转换器分成转换器分成并行输入和串行输入两种类型，将并行输入和串行输入两种类型，将A/D转换器分成并行转换器分成并行输出

7、和串行输出两种类型。输出和串行输出两种类型。由于由于D/A转换器电路的工作转换器电路的工作原理较原理较A/D转换器简单，且是转换器简单，且是A/D转换器电路的组成部转换器电路的组成部分，故先介绍分，故先介绍D/A转换器。转换器。11.2 D/A转换器转换器 数字量是用代码按位数组合起来表示的，对于有数字量是用代码按位数组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得与数字量成正比的总应的模拟量，然后相加，即可得

8、与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字模拟的转换。模拟量，从而实现数字模拟的转换。D111101D/AA(电压 或 电流) ？D/A转换器的目的为：转换器的目的为：图图11.2.1为为n 位位D/A转换器的原理框图转换器的原理框图 D/A转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码电路、求和电路及基准电压及部分组成。解码电路、求和电路及基准电压及部分组成。 数字量是以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中，数字量是以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将电阻解码寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将

9、电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路中，求和电路将各位网络中获得的相应数位权值送入求和电路中，求和电路将各位权值相加就得到与数字量相应的模拟量，这就是权值相加就得到与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换器的转换器的原理。原理。*按解码网络结构不同把按解码网络结构不同把D/A分为：分为： 如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型、权电流型、权电容如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型、权电流型、权电容型以及开关树型。型以及开关树型。 CMOS开关型和双极型开关型，其中双极型开关开关型和双极型开关型，其中双极型开关D/A转换转换器又分为电流开关型和器又分为电流开关型和ECL电流开关型。其中电流开关型。其

10、中CMOS型功耗低，型功耗低，但速度慢。双极型的转换速度快。但速度慢。双极型的转换速度快。一个多位二进制数可表示为一个多位二进制数可表示为0011221101212222ddddddddDnnnnnnn其中：其中：2n-1、2n221、20称为最高位（称为最高位（Most Significant Bit，简称，简称MSB）到最低位（）到最低位（Least Significant Bit，简称，简称LSB）的权。）的权。 图图11.2.2是是4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器的原理图，它转换器的原理图，它是由权电阻网络、是由权电阻网络、4个电子模拟开关和个电子模拟开关和1个求和放大器个求和放

11、大器组成。组成。1.组成：组成：图图11.2.2权电阻网络模拟开关求和放大器（1）S3S0:为电子开为电子开关，其状态受输入数关，其状态受输入数码码d3d0的取值控制。的取值控制。当当di1时开关接到时开关接到参考电压参考电压VREF上，有上，有支路电流支路电流Ii流向求和流向求和放大器；当放大器；当di0时时开关接地，支路电流开关接地，支路电流Ii为零。为零。RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流：图图11.2.2（2）求和放大器）求和放大器A：为一个接成负反馈为一个接成负反馈的理想运算放大器。的理想运算放大器。即：即：AV，iI0，R

12、o0。由于负反馈，。由于负反馈，存在虚短和虚断，存在虚短和虚断，即即VV0， iI0。（3）VREF：基准电压：基准电压图图11.2.22.输出电压的计算：输出电压的计算：)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0，故各电流为，故各电流为001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF，输出电压为输出电压为图图11.2.2取取RFR / 2，则输出，则输出电压为电压为)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo图图11.2.2上式标明，输出的

13、模拟电压与输入的数字量上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。成正比。的最大变化范围是故输出电压时，当时，当REFnnREFnnVVvv2120,2121111D; 00000D0n0n 注：注：1.若若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将电压为正值，可以将VREF取负值。取负值。)2222(2001122334ddddVvREFo2. 此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差

14、别就越大，故很难保证电阻的精确度。越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。其输出电压为其输出电压为nREFREFDVddddddddVv80011223344556677802)22222222(2 为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图图11.2.3所示的电路。所示的电路。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 为了克服权电阻网络为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差太大转换器电阻阻值相差太大的缺点，改进电路为倒的缺点，改进电路为倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，如图转换器，如图11.2.4所示。所示。图图11.2

15、.4 根据根据“虚虚短短”“”“虚地虚地”，有，有VV，无论开关打，无论开关打在哪一面，流过每个在哪一面，流过每个支路的电流始终不变。支路的电流始终不变。故可等效成图故可等效成图11.2.5所示电路。所示电路。RRRR图图11.2.5则总的电流为则总的电流为RRRR图图11.2.5)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端时，流入时，RVIREF由于由于故输出电压为故输出电压为DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdiRVIREF 对于对于n位输入的倒位输入的倒T形电阻

16、网络形电阻网络D/A转换器，在求转换器，在求和放大器的反馈电阻为和放大器的反馈电阻为R时，其输出的模拟电压为时，其输出的模拟电压为nnREFnnnnnREFoDVddddVv2)2222(200112211 上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比，其上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比，其其输出公式与权电阻网络其输出公式与权电阻网络D/A转换器相同。转换器相同。REFnnOnnVVD2120120,范围为为“正”取“负”则得OREFVV图图11.2.6为采用倒为采用倒T型电阻网络的单片集成型电阻网络的单片集成D/A转换器转换器CB7520(AD7520)的电路。的电路。图图11.2.

17、6其输入为其输入为10位二进制数，采用位二进制数，采用CMOS电路构成的模拟开关。电路构成的模拟开关。输出电压为输出电压为图图11.2.61000118899102)2222(2DVddddVvnREFREFo 注：在使用注：在使用CB7520时需要外接运算放大器，反馈电阻时需要外接运算放大器，反馈电阻可以采用内部的电阻可以采用内部的电阻R，也可以外接反馈电阻接到，也可以外接反馈电阻接到Iout1和和vo之间。外接参考电压之间。外接参考电压VREF必须有足够的精度，才能必须有足够的精度，才能确保应有的转换精度。确保应有的转换精度。图图11.2.6CB7520(AD7520)的应用：的应用：CB

18、7520(AD7520)可用作单可用作单极性电压输出，其连接电路如图极性电压输出，其连接电路如图11.2.7所示。所示。其中反相输入的电压输出为其中反相输入的电压输出为1010102DVRRRvREFW同相输入的电压输出为：同相输入的电压输出为：10101102)1 (DVRRvREFW 对应的输出输入的对应的输出输入的关系如表关系如表11-1所示（反所示（反相）相）1010102DVRRRvREFW（RW1=0）注：注：在图在图11.2.7电路中，电路中，RW1可调节反馈电阻的阻值，使得运可调节反馈电阻的阻值，使得运算放大器的放大比例系数增加，从而达到提高满量程输出电压的算放大器的放大比例系

19、数增加，从而达到提高满量程输出电压的目的；目的；RW2起到减小满量程的目的，因为它是和内部电阻网起到减小满量程的目的，因为它是和内部电阻网络的等效电阻串联，从而改变电流络的等效电阻串联，从而改变电流I；RW3是运算放大器的调零电阻。是运算放大器的调零电阻。*在实际应用中，在实际应用中，D/A转换器输转换器输入的数字量可能是正数，也可入的数字量可能是正数，也可能是负数，这就要求能是负数，这就要求D/A转换转换器能将不同极性的数字量转换器能将不同极性的数字量转换成正、负极性的模拟电压，工成正、负极性的模拟电压，工作在双极性方式，这个内容在作在双极性方式，这个内容在下面介绍下面介绍11.2.3 权电

20、流型权电流型D/A转换器（自学）转换器（自学） 在前面介绍的权电阻网络在前面介绍的权电阻网络D/A转换器和倒转换器和倒T形电阻形电阻网络网络D/A转换器中，都没有考虑开关的导通电阻和导通转换器中，都没有考虑开关的导通电阻和导通压降，而是当成理想开关处理，这无疑会引起转换误压降，而是当成理想开关处理，这无疑会引起转换误差，影响转换精度。差，影响转换精度。 解决这个问题解决这个问题采用的一种方法采用的一种方法是利用一组恒流是利用一组恒流源构成源构成“权权”，其原理电路如图其原理电路如图11.2.8所示。所示。 由于采用恒流源，每个支路电流的大小不再受开关由于采用恒流源，每个支路电流的大小不再受开关

21、内阻合压降的影响，故而降低了对开关电路的要求。内阻合压降的影响，故而降低了对开关电路的要求。图图11.2.9是常采用的恒流源是常采用的恒流源电路。其电流为：电路。其电流为：EiEEBEBiRVVVI 当输入的数当输入的数字量为字量为1时，相应时，相应的开关将恒流源的开关将恒流源接到运算放大器接到运算放大器的输入端；当输的输入端；当输入的数字量为入的数字量为0时，时，相应的开关将恒相应的开关将恒流源接地流源接地)2222(2)16842(0011223340123ddddIRdIdIdIdIRiRvFFFo由图由图11.2.8可得可得图图11.2.10为权电流型为权电流型D/A转换器的原理电路转

22、换器的原理电路此电路中利用倒此电路中利用倒T形电阻网络，目的是为了减少电阻形电阻网络，目的是为了减少电阻的种类。的种类。其中：其中： (1)各个管子的基极接到一起，若各管的各个管子的基极接到一起，若各管的VBE相同，则各发相同，则各发射极处于相同的电位，各支路电流的计算和倒射极处于相同的电位，各支路电流的计算和倒T形电阻网络一样，形电阻网络一样，即流过每个电阻的电流依次减少即流过每个电阻的电流依次减少1/2。为了保证发射结压降相等，。为了保证发射结压降相等，发射极电流较大的管子增加了发射结的面积。发射极电流较大的管子增加了发射结的面积。(2) 恒流源恒流源IBO用来给各管提供必须的偏置电流用来

23、给各管提供必须的偏置电流(3)运算放大器运算放大器A1、三极管、三极管TR、电阻、电阻RR、R构成基准构成基准电流发生电路。其基准电流为电流发生电路。其基准电流为IRVIRREFREF则输出电压为则输出电压为nRREFFRREFFFoDRVRddddRVRddddIRv40011223340011223342)2222(2)2222(2 采用权电流型单片集成采用权电流型单片集成D/A转换器有转换器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它们都采用双极型三极管，等，它们都采用双极型三极管，工作速度较高。工作速度较高。*DAC0808为为8位位D/A转换器，其典型应转换器，其典型应用电

24、路如图用电路如图11.2.11所所示。示。其中其中d0d8为为8位数位数字量输入端，字量输入端， Io是是求和电流输出端。求和电流输出端。VR、 VR接基准电接基准电流发生电路中运算放流发生电路中运算放大器的反相输入端和大器的反相输入端和同相输入端。同相输入端。COMP供外接补偿电容的，供外接补偿电容的，VCC和和VEE为正负电源为正负电源输入端。输入端。*11.2.4 开关树型开关树型D/A转换器（自学）转换器（自学）11.2.6 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A转换器转换器 由于由于D/A转换器中数字量有正负之分，此时要求输转换器中数字量有正负之分，此时要求输出电压也应有正负，这就要

25、求出电压也应有正负，这就要求D/A转换器工作于双极性转换器工作于双极性方式。方式。 由于二进制算术运算中通常都把带符号的数值用由于二进制算术运算中通常都把带符号的数值用补码的形式表示，故希望补码的形式表示，故希望D/A转换器能够把以补码形式转换器能够把以补码形式输入的正、负数分别转换成正负极性输出的模拟电压。输入的正、负数分别转换成正负极性输出的模拟电压。为了简单起见，下面以为了简单起见，下面以3位补码的情况为例，说明如何位补码的情况为例，说明如何实现实现D/A转换器的双极性工作方式。转换器的双极性工作方式。 表表11-2是是3位二进制数从位二进制数从3V到到4V的补码表示形的补码表示形式及希

26、望得到的模拟电压输出。输入为式及希望得到的模拟电压输出。输入为3位二进制补码。位二进制补码。最高位为符号位，正数为最高位为符号位，正数为0，负数为，负数为1 此表数值若用普通的此表数值若用普通的3位倒梯形电阻网络的位倒梯形电阻网络的D/A转换器实现，其电路如图转换器实现，其电路如图11.2.12所示。所示。其输出电压为其输出电压为)222(280011223dddvo 则对应表则对应表112的数字的数字量输出为量输出为 对照表对照表11-2，若把上表的正常输出电压偏移，若把上表的正常输出电压偏移4V,则可得到表则可得到表11-2的正负电压输出。的正负电压输出。 为了得到表为了得到表11-3中在

27、输入代码为中在输入代码为100时，输出电压时，输出电压为为0V，此时电路如图，此时电路如图11.2.13所示所示图图11.2.13则应在则应在d2 d1 d0100时时 ，其，其RVIRVIiREFBBB22 另外对照表另外对照表11-2和和11-3可知两个最高位（符号位）可知两个最高位（符号位）为取反的形式，故将最高位取反后加到普通为取反的形式，故将最高位取反后加到普通D/A转换转换器上即可得到双极型输出，如图器上即可得到双极型输出，如图11.2.13所示。所示。图图11.2.13 如如CB7520接接成双极性输出的成双极性输出的电路如电路如 图图11.2.15所示。所示。一般地构成双极性输

28、出的一般地构成双极性输出的D/A转换器的方法：只要在求转换器的方法：只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入最高位和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入最高位为为1,而其他各位输入为而其他各位输入为0时的输出时的输出vo=0。同时将输入的。同时将输入的符号位（最高位）符号位（最高位）反相后接到一般反相后接到一般的的D/A转换器地转换器地输入，就得到了输入，就得到了双极性输出的双极性输出的D/A转换器。转换器。11.2.7 D/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度 在在D/A转换器中，通常用分辨率和转换误差来描转换器中，通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。述转换精度

29、。 分辨率用于表示分辨率用于表示D/A转换器对输入微小量变化敏转换器对输入微小量变化敏感程度的，定义为感程度的，定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从的等级数，从0000到到1111全部全部2n个不同的状态，个不同的状态，给出给出2n个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往用输入数味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示字量的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。121)212()22(A/D0nREFnnnREFVV转换器的分辨率 另外也用另外也用D

30、/A转换器能够分辨出的最小电压与最大转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率，即电压之比表示分辨率，即如如10位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为001. 010231121102.转换误差转换误差（实际精度）（实际精度）: 由于由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和理论转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如基准电压不够稳定、运算放大器的值存在着差异，如基准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等等因素，络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等

31、等因素，都会使得实际精度与转换误差有关系。都会使得实际精度与转换误差有关系。 转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标，它表示实际的性的指标，它表示实际的D/A转换器特性和理论转换特转换器特性和理论转换特性之间的最大偏差，如图性之间的最大偏差，如图11.2.16所示所示图图11.2.16 *转换误差一般用最转换误差一般用最低有效位的倍数表示，低有效位的倍数表示，如如1LSB，即为输出的模，即为输出的模拟电压和理论值之间的拟电压和理论值之间的绝对误差小于等于输入绝对误差小于等于输入为为0001时的输出电压。时的输出电压。有时也用绝对误差与输有时

32、也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数出电压满刻度的百分数来表示来表示 转换误差包括比例系数误差、失调误差和非线性转换误差包括比例系数误差、失调误差和非线性误差等。由不同因素引起的转换误差各有不同的特点。误差等。由不同因素引起的转换误差各有不同的特点。下面以下面以4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器来介绍各种因素转换器来介绍各种因素引起误差的情况。引起误差的情况。a. 比例系数误差：比例系数误差： 当基准电压当基准电压VREF偏离标准值偏离标准值VREF时，会在输出时，会在输出端产生误差电压端产生误差电压v01 。 由由VREF引起的转换误差，引起的转换误差，叫做比例系数误差。叫做比例系

33、数误差。由于由于4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的输出电压为转换器的输出电压为:)2222(20011223340ddddVvREF则由则由VREF产生的误差为产生的误差为REFVddddv)2222(2100112233401上式标明，由上式标明，由VREF引起的引起的误差和输入数字量的大小误差和输入数字量的大小成正比的，故称为比例系成正比的，故称为比例系数误差。数误差。 图图11.2.17中的虚线为中的虚线为在一定的在一定的VREF时，时， vo偏偏离理论值的情况，离理论值的情况，vo1即即为比例系数误差。为比例系数误差。图图11.2.17b. 失调误差（漂移误差或平移误差）失

34、调误差（漂移误差或平移误差） 由于运算放大器由于运算放大器的零点漂移所造成的的零点漂移所造成的误差，其误差电压误差，其误差电压vo 2的大小与输入的数字的大小与输入的数字量无关，输出电压特量无关，输出电压特性曲线将发生平移。性曲线将发生平移。如图如图11.2.18所示，所示， vo2即为失调误差即为失调误差 。图图11.2.18 由于模拟开关的导通电阻由于模拟开关的导通电阻和导通压降都不能为零，故而和导通压降都不能为零，故而它们的存在肯定会引起输出产它们的存在肯定会引起输出产生误差电压生误差电压 vo3 。由于每个。由于每个开关的导通电阻不一定相等，开关的导通电阻不一定相等，接地时和接接地时和

35、接VREF的压降也不一的压降也不一定相同，故定相同，故 vo3即不是常数，即不是常数，也不和输入数字量成正比也不和输入数字量成正比,这种这种误差就是非线性误差，它没有误差就是非线性误差，它没有一定的规律。另外还有电阻网一定的规律。另外还有电阻网络的电阻阻值得偏差，也会产络的电阻阻值得偏差，也会产生非线性误差生非线性误差vo4 ，如图，如图11.2.19所示。所示。图图11.2.19c. 非线性误差非线性误差对值相加总误差：几种误差的绝*故为了获得高精度的故为了获得高精度的D/A转换器，不仅要有高的分辨率，转换器，不仅要有高的分辨率，还要选用高稳定度的参考电压还要选用高稳定度的参考电压VREF和

36、低漂移地运算放和低漂移地运算放大器与之配合，才可能获得较高的转换精度。大器与之配合，才可能获得较高的转换精度。注：目前常用的有两类注：目前常用的有两类D/A转换器：一类只包含电阻网转换器：一类只包含电阻网络（或恒流源电路）和模拟开关；另一类除此之外还络（或恒流源电路）和模拟开关；另一类除此之外还包含运算放大器及参考电源发生电路。对于第一类必包含运算放大器及参考电源发生电路。对于第一类必须外接参考电压和运算放大器，应该注意合理确定参须外接参考电压和运算放大器，应该注意合理确定参考电压源稳定度和运算放大器的零点漂移的要求。考电压源稳定度和运算放大器的零点漂移的要求。 当当D/A转换器输入的数字量发

37、生变化时，输出的转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的输出电压，它需要一模拟量并不能立即达到所对应的输出电压，它需要一段建立时间。通常用建立时间段建立时间。通常用建立时间tset来定量描述来定量描述D/A转换转换器的转换速度。器的转换速度。建立时间建立时间 tset：从输入的数字量发生突变开始，直到输：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差出电压进入与稳态值相差1LSB/2范围以内所用的时范围以内所用的时间。如图间。如图11.2.20所示。所示。注意：注意：由于数字量的变化越由于数字量的变化越大，建立的时间就越长，故大，建立的时间就越长，故一般产品给

38、出的是输入从全一般产品给出的是输入从全0跳变到全跳变到全1(或反之）时的建或反之）时的建立时间。立时间。*在外加运算放大器的在外加运算放大器的D/A转转换器中，由于运算放大器的换器中，由于运算放大器的转换速度会影响转换速度会影响D/A转换器转换器的转换速率，故应选用转换的转换速率，故应选用转换速率高的运算放大器，以缩速率高的运算放大器，以缩短运算放大器的建立时间。短运算放大器的建立时间。目前在不包含运算放大器的目前在不包含运算放大器的D/A转换器中，转换器中， tset最小为最小为0.1s以内；在包含运算放大以内；在包含运算放大器的集成器的集成D/A转换器中，转换器中， tset最小为最小为1

39、.5 s以内。以内。例例11.2.1 在在10位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器CB7520中，中，外接参考电压外接参考电压VREF10V，为保证，为保证VREF偏离标准值所引偏离标准值所引起的误差小于（起的误差小于（1/2）LSB，试计算，试计算VREF的相对稳定度的相对稳定度应取多少？（自学）应取多少？（自学）解：解： a. 计算计算1 LSB /2所对应的输出电压：所对应的输出电压：)2222(200112211ddddVvnnnnnREFo 当当LSB1,其余为其余为0时，输出电压为时，输出电压为nREFoVv2n 位倒位倒T形电阻网络的输出电压为形电阻网络的输出电压为故

40、（故（1/2）LSB的输出电压绝对值为的输出电压绝对值为12212nREFnREFoVVv112REFoVv对于对于CB7520b. 计算由于计算由于VREF的变化的变化VREF所引起的输出电压的变所引起的输出电压的变化化vo 在在n 位位D/A转换器中，转换器中， VREF引起的输出电压的引起的输出电压的变化为：变化为：REFnnnnnVddddv )2222(2100112210则当输入的数字量全为则当输入的数字量全为1时，误差最大，但应小于等于时，误差最大，但应小于等于1LSB /2，故故102212nREFREFnnVVv1110102212REFREFVV对于对于CB7520则有则有

41、则参考电压的相对稳定度为则参考电压的相对稳定度为%05. 0212112211111010REFREFVV1110102212REFREFVV而允许参考电压的变化量仅为而允许参考电压的变化量仅为mVVVREFREF512221021122101011111010注：上面计算为输入、输出处于稳态下得出的，输入静注：上面计算为输入、输出处于稳态下得出的，输入静态误差。在动态时，还有附加的动态转换误差。态误差。在动态时，还有附加的动态转换误差。1110102212REFREFVV例例 11.2.2 某一测量仪器中有一个某一测量仪器中有一个D/A转换器，若要求该转换器，若要求该D/A转换器的精度小于转

42、换器的精度小于0.05%，试问应选多少位的，试问应选多少位的D/A转换器？（自学）转换器？（自学）解：若要求解：若要求D/A转换器的精度小于转换器的精度小于0.05%，也是要求，也是要求D/A转换器的实际输出值和理论值之间的误差（绝对误转换器的实际输出值和理论值之间的误差（绝对误差），一般应低于差），一般应低于 1LSB /2，即即LBSoUv21两边同除输入为全为两边同除输入为全为1时的最大电压得：时的最大电压得：mLBSmoUUUv21转换器的分辨率转换器精度ADAD/21/即即由于由于10位位D/A转换器的分辨率也可表示为转换器的分辨率也可表示为故故由于由于10位位D/A转换器分辨率为转

43、换器分辨率为%1 . 0%05. 02121/n转换器的分辨率AD%097. 0%10012110121A/Dn转换器的分辨率转换器的分辨率转换器精度ADAD/21/故应取十位或十位以上的故应取十位或十位以上的D/A转换器。转换器。 由于输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的由于输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号在时间和幅值都是是离散的，因此转换时一数字信号在时间和幅值都是是离散的，因此转换时一般要经过般要经过取样、保持、量化和编码取样、保持、量化和编码 四个过程。实际中四个过程。实际中有时取样和保持、量化和编码会同时实现。有时取样和保持、量化和编码会同时实现。11.3 A/D转换

44、器转换器D111101A/DA(电压电压 或或 电流电流)？ A/D转换器是将模拟量转换成数字量转换器是将模拟量转换成数字量 其原理框其原理框图如下：图如下： 所以所以A/D转换过程是首先对输入模拟电压信号进行转换过程是首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。定的编码形式给出转换结果。 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。散的模拟量。 图图11.3.1为对某个输入为对某个输入信号进行采样的波形。其信号进行采样的波形。其中中vs为取样

45、信号，为取样信号，vI 表示输表示输入的模拟信号。入的模拟信号。图图11.3.1 为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样信号应该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取信号应该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。 若若fs为取样信号的频率，为取样信号的频率， fi（max）为输入模拟信号为输入模拟信号的最高频率分量的频率，则它们必须满足的最高频率分量的频率，则它们必须满足(max)2isff 一般取一般取(max)53(isff 注：在取样电路每次取得的模拟信号转换为数

46、字信号时都需要注：在取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号时都需要一定的时间一定的时间,而且为了给后续的量化编码提供一个稳定值，则每而且为了给后续的量化编码提供一个稳定值，则每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样和保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。和保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。 数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。最小数量单位的整数倍。将采

47、样电压表示为最小数量将采样电压表示为最小数量单位（单位（）的整数倍，称为量化）的整数倍，称为量化。所取得最小数量单位。所取得最小数量单位叫做量化单位，用叫做量化单位，用表示，它是数字信号最低位表示，它是数字信号最低位（LSB）为）为1,其它位为其它位为0时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1LSB。如图如图11.2.3所示所示 将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是也是A/D转换器的输出数字量。转换器的输出数字量。 由于模拟电压是连续的，那么不可能所

48、有的电压由于模拟电压是连续的，那么不可能所有的电压都能被量化单位都能被量化单位整除，所以量化过程不可避免地会整除，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误差就叫做量化误差。量化误差属于引入误差，这种误差就叫做量化误差。量化误差属于原理性误差，无法消除。原理性误差，无法消除。A/D转换器的位数越多，各转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。2.编码：编码：4.量化方式：量化方式： 以以3位位A/D转换器为例，转换器为例，如图如图11.3.2（a）所示。设输）所示。设输入电压入电压vI为为01V，取量化单，取量化单位位1/8 V，量化

49、中把不，量化中把不足量化单位部分舍弃，如足量化单位部分舍弃，如01/8 V都当成都当成0V处理，用处理，用000表示；在表示；在1/82/8V都当都当成成1 处理，即当成处理，即当成1/8V处处理，用理，用001表示，依此类表示，依此类推，其最大量化误差为推，其最大量化误差为 。注：由于后者的量化误差比前者小，所以大多数注：由于后者的量化误差比前者小，所以大多数A/D转转换器采用四舍五入的量化方式。换器采用四舍五入的量化方式。 取量化单位为取量化单位为 2/15 V，如图，如图11.3.2(b）所示，量）所示，量化中将不足半个量化单位部化中将不足半个量化单位部分舍去，对于等于或大于半分舍去，对

50、于等于或大于半个量化单位的部分按一个量个量化单位的部分按一个量化单位处理。如化单位处理。如01/15 V 当当0V处理，用处理，用000表示；在表示；在1/153/15 V当成当成1 处理，处理，即即2/15 V，用，用001表示，依此表示，依此类推，其最大量化误差为类推，其最大量化误差为1/2 。b. b. 四舍五入量化方式四舍五入量化方式当输入的模拟电压为正负范围内变化时，一般采用当输入的模拟电压为正负范围内变化时，一般采用二进制补码的形式编码。二进制补码的形式编码。取样保持电路的原理图及输出波形如图取样保持电路的原理图及输出波形如图11.3.3所示所示图图11.3.3 该电路是由放大器该

51、电路是由放大器A、保持电容、保持电容CH和开关驱动电和开关驱动电路组成。其中路组成。其中vI为输入的模拟电压，为输入的模拟电压， vL为取样控制信为取样控制信号号,T为为N沟道增强型沟道增强型MOS管，做为模拟开关，管，做为模拟开关，2.工作原理：工作原理：图图11.3.3a.当取样控制电压当取样控制电压vL为高电平为高电平时，时，NMOS管导通，输入电管导通，输入电压压vI通过通过R1和和T给电容给电容CH充电。充电。若取若取R1 RF，并设运放为理，并设运放为理想的，则想的，则vo vc vIb.当取样电压当取样电压vL为低电平时，为低电平时，NMOS管截止，管截止，CH上的电压在这上的电

52、压在这段时间内基本不变，则输出电压段时间内基本不变，则输出电压也不变，取样结果被保存下来，也不变，取样结果被保存下来，即即vo vc vI。 CH漏电越小，运放的输入阻抗越高，则保持的时漏电越小，运放的输入阻抗越高，则保持的时间也越长。间也越长。注：图注：图11.3.4的电路由的电路由于充电时通过于充电时通过R1和和T，它们将影响取样速度。它们将影响取样速度。而若减小而若减小R1则会降低电则会降低电路的输入电阻。采取得路的输入电阻。采取得措施是在电路的输入端措施是在电路的输入端增加一级隔离放大器。增加一级隔离放大器。3. 单片集成取样保持电路单片集成取样保持电路LF398图图11.3.3 图图

53、11.3.5 （a）是）是LF398的电路结构图，图的电路结构图，图11.3.5 （b）是其典型接法。）是其典型接法。图图11.3.5其中：其中：*A1、 A2是两个运算放大器，是两个运算放大器，S是模拟开关，是模拟开关，L是控制开关是控制开关S的逻辑单元的逻辑单元图图11.3.5* vL和和VREF是逻辑单元的两个输入电压信号。当是逻辑单元的两个输入电压信号。当 vL VREFVTH时，时，S接通；当接通；当vL 0，则，则vI vo ，比较器的输出电压，比较器的输出电压vB1；图图11.3.8b.当当vL为高电平时，开始进行转换，脉冲源发出的脉冲经过门为高电平时，开始进行转换，脉冲源发出的

54、脉冲经过门G加到计数器时钟脉冲输入端加到计数器时钟脉冲输入端CLK，计数器开始加法计数。随着计计数器开始加法计数。随着计数的进行，数的进行，D/A转换器的输出电压不断增加。转换器的输出电压不断增加。 图图11.3.8c.当增加到当增加到vIvo时，比较器输出时，比较器输出vB变成低电平，并将门变成低电平，并将门G封锁，封锁，计数器停止计数，此时计数器的状态就是所求的输出数字信号。计数器停止计数，此时计数器的状态就是所求的输出数字信号。注：注： a.由于转换过程中计数器的数字不断变化，所以不能将计由于转换过程中计数器的数字不断变化，所以不能将计数器的状态做为输出的数字信号，而是在输出端设置可输出

55、寄数器的状态做为输出的数字信号，而是在输出端设置可输出寄存器，并在存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的状态为最终的输出的下降沿的控制下，寄存器的状态为最终的输出数字信号。数字信号。图图11.3.8b. 此方案的缺点是转换时间长。当输出为此方案的缺点是转换时间长。当输出为n位二进制数码时，最位二进制数码时，最长的转换时间是长的转换时间是倍的时钟脉冲信号周期。由于此电路结构倍的时钟脉冲信号周期。由于此电路结构简单，常用在对转换速度要求不高的场合。简单，常用在对转换速度要求不高的场合。2.逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器 为了提高转换速度，在计数型为了提高转换速度，在计数型A/D转换器的基

56、础上，转换器的基础上，产生逐次渐近型产生逐次渐近型A/D转换器。虽然也是反馈比较型转换器。虽然也是反馈比较型A/D转换器，但转换器，但D/A转换器的数字量的给出方式不同。转换器的数字量的给出方式不同。工作原理：工作原理： 逐次渐近就如称重逐次渐近就如称重物，如物，如13g的重物，有的重物，有砝码砝码8g、4g、2g、1g。比较过程如表比较过程如表11.3.1所所示示次就够了只要比较 n图图11.3.9逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图转换器的工作原理框图如图11.3.9所示。所示。它由比较器它由比较器C、D/A转换器、寄存转换器、寄存器、时钟脉冲源器、时钟脉冲源和控制逻辑等。和

57、控制逻辑等。工作原理：工作原理：a.逐次渐近寄存逐次渐近寄存器清零；器清零；b. 先设寄存器状态为最高位为先设寄存器状态为最高位为1,其他位为其他位为0（如（如4位位A/D转转换器为换器为1000），经过），经过D/A转换器后，送到比较器比较。转换器后，送到比较器比较。若若vo vI ，则去掉，则去掉这个这个1;若若vo vI ，则保留这个则保留这个1.然后然后再将次高位设置再将次高位设置成成1,再进行比较，再进行比较，逐位比较下去，逐位比较下去，直到最低位为止。直到最低位为止。这是寄存器所存这是寄存器所存的数码即为输出的数码即为输出的数字量。的数字量。图图11.3.9特点：电路不太复杂，速度

58、较快特点：电路不太复杂，速度较快*由由FF1FF55个个触发器构成顺触发器构成顺序脉冲发生器，序脉冲发生器，各触发器的输各触发器的输出波形，如图出波形，如图11.3.11所示。所示。图图11.3.10为为3位逐次渐近型位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图。转换器的电路原理图。图图11.3.10*由由FFAFFC构构成成3位数码寄存位数码寄存器，其输出为三器，其输出为三位二进制数位二进制数d2d1d0.*G1G9组成控组成控制逻辑电路。制逻辑电路。图图11.3.10*运算放大器构运算放大器构成比较器，用它成比较器，用它比较输入电压比较输入电压 vI和和vo的大小的大小 。若若vI vo ，则，则

59、vB为低为低电平，其比较器输出端接到三个控制与门的输电平，其比较器输出端接到三个控制与门的输入端。入端。 若设若设D/A转转换器的参看电压换器的参看电压VREF8V，输入，输入的模拟电压为的模拟电压为vI5.86V,则则如下：如下：(1) 开始前将开始前将FFA FFB置零，置零，同时将环形计数同时将环形计数器器FF1FF5置成置成Q1Q5= 10000。图图11.3.10(2) 当当vL为高电为高电平时，转换开始。平时，转换开始。当第当第1个脉冲到个脉冲到达后，此时达后，此时QAQBQC100 ，若若D/A转换器为转换器为T形电阻网络型，形电阻网络型，则，输出电压则，输出电压（不包含求和放（

60、不包含求和放大器）为大器）为I0011223V4)222(2vdddVvREFo图图11.3.10由于由于vo vI，则比较器输出为，则比较器输出为0,同时同时Q1Q5= 01000。(3) 当第当第2个脉冲个脉冲上升沿来时，上升沿来时， QAQBQC110 。此时此时:IREFovVdddVv6)222(20011223图图11.3.10故比较器输出为故比较器输出为1，同时，同时Q1Q5= 00100(4) 当第当第3个脉冲个脉冲上升沿来时，上升沿来时， QAQBQC101 。此时此时IREFovVdddVv5)222(20011223图图11.3.10故比较器输出为故比较器输出为0，同时同