数字电路基础--ch09模数与数模转换器

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D转换器。转换器。3、正确理解、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。1、掌握倒、掌握倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器(DAC)、集成、集成D/A转转换器的工作原理及相关计算。换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器转换器(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。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

2、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 计算机计算机概述概述9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1.3 权电

3、流权电流D/A转换器转换器9.1.5 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标9.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用n n位位数字量数字量1. 1. 概述概述DAC9.1 D/A转换器转换器模拟量模拟量1 1、数、数 / / 模转换器模转换器: :A = K D O = K NB 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，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相应的模拟量，的大小转换成相应的模拟量， 然后，将这些模拟量然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，相加，

4、即可得到与数字量成正比的模拟量， 从而实从而实现数字量现数字量-模拟量的转换。模拟量的转换。 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。 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

5、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 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基准准电电压压 电电子子开开关关 R R /2 R /4 R /8 求求和和电电路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 锁锁存存器器 数数字字量量输输入入 电电阻阻网网络络 i0 i1 I2 i2 i3 A 模模拟拟量量输输出出 )iiii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiODVDDDDV2)2222(3000112233REFREFv，,

6、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 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 9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si则将

7、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/A转换器转换器基准电压基准电压D/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

8、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流入运放的总电流：流入运放的总电流： i I0 + I1 + I2 + I3)2D2D2D2D(RV132231

9、40 REF输出模拟电压：输出模拟电压： 10i)2D(RR2VniifnREFO 30i4)2D(2VRRRiiiREFffO (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 16I 4I 2I 4 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 1

10、iBi0(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。 AD7533D/A转换器转换器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 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

11、电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2) 倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(4)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 为提高为提高

12、D/A转换器的精度，对电路参数的要求：转换器的精度，对电路参数的要求： (3) 每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等Di =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。 9.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1. 4位权电流位权电流D/A转换器转换器在恒流源电路中，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

13、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)2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2Iif (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + (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

14、2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 电电 流流 16I 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+ + +- -9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A转换器在双极性输出时的输入转换器在双极性输出时的输入/输出关系输出关系0000

15、00001000000011111110000000011000000111111111模拟模拟量量 数字量数字量MSB LSB 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位倒位倒 T 形电阻形电阻 网络网络 D/A 转换器转换器 i 1 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分离的等转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多个模拟输出电压。位数越多D/A转

16、换转换器的分辨率越高。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电压之比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。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2、转换精度：、转换精度：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。产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，转换器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种因如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。素的影响。

17、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3、转换速度：、转换速度：4、温度系数：、温度系数：(1) 数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒倒T形电阻网络形电阻网络R

18、DDDvRvOI109911002/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9RDDDVREF109911002/ )2.22(1OUTIIR/v 根据虚断有根据虚断有:REFOV (2) 脉冲波产生电路脉冲波产生电路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97

19、.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：和与非门构成十进制计数器：000010019.3 A/D转换器转换器9.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理1A/D 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

20、下重复接通、断开的过程。S接通时，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。2采样-保持电路+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 电路图(b) 波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采样脉冲（fS）开关驱动电路t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有

21、放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。3A/D 转换器的主要技术指标（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段

22、时间。0uiVREF/15时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0000。VREF/15ui3VREF/15时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。 + C6 + C7 + C5 + C4 + C3 + C2 + C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & VREF i d2 d1 d0 Q4 Q4 Q7 Q6 Q5 Q

23、3 Q2 Q2 Q1 RR/2 R R R R R R CP 比较器 寄存器 编码器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 9.3.2 A/D转换器的构成转换器的构成1并联比较型 A/D 转换器 + C6 + C7 + C5 + C4 + C3 + C2 + C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & VREF ui d2 d1 d0 Q4 Q4 Q7 Q6 Q5 Q3 Q2 Q2 Q1 R R/2 R R R R R R CP 比较器 寄存器 编码器 FF7

24、 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 3VREF/15 ui5VREF/15时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5VREF/15ui7VREF/15时，比较器C1、 C2、 C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、 FF2、 FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。2逐次逼近型 A/D 转换器输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转

25、换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 ui 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & 1 1 FF1 FF2 FF3 FF4 FF5 & & & uo CP + C uc d2(22) d1(21) d0(20) FFA Q FFB Q FFC G1 G2 G3 G4 G5 Q G6 G7 G8 =1(ui0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。逻辑控制门定时器n 位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比