数模和模数转换器7

1、9.1 9.1 概述概述 9.2 9.2 数模转换器数模转换器 9.3 9.3 模数转换器模数转换器u数模转换器（简称数模转换器（简称D/A转换器或转换器或DAC）9.1 9.1 概述概述 能够将数字信号转换成模拟信号的电路。能够将数字信号转换成模拟信号的电路。u模数转换器（简称模数转换器（简称A/D转换器或转换器或ADC）能够将模拟信号转换成数字信号的电路。能够将模拟信号转换成数字信号的电路。非电模拟量非电模拟量电模拟量电模拟量模数转换模数转换计算机或计算机或数字系统数字系统传感器传感器开关控制开关控制数模转换数模转换模拟控制模拟控制 数字控制系统原理框图数字控制系统原理框图 数据传输系统原

2、理框图数据传输系统原理框图电模拟量电模拟量模数转换模数转换存储、传存储、传输、处理输、处理声音或图像声音或图像声音或图像声音或图像 传感器传感器数模转换数模转换ADCADC和和DACDAC是沟通模拟是沟通模拟电路和数字电路的桥电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者梁，也可称之为两者之间的接口，在各种之间的接口，在各种系统中应用很广。系统中应用很广。一、一、D/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理D/A转换器实质上是一个译码器转换器实质上是一个译码器（解码器），将输入的二进制数（解码器），将输入的二进制数字量转换成模拟量，并以电压或字量转换成模拟量，并以电压或电流的形式输出。电流的形式输出。

3、9.2 9.2 D/A转换器转换器 D/A (MSB) (LSB) D0Dn-2Dn-1D1vO(iO)将输入的每一位二进制代码将输入的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应的模拟成相应的模拟量，然后将代表各位的量，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模拟量就与，则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。数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。1 1、数、数/ /模转换方法模转换方法：iinnnnDDDDDN22222-1n0i00112211B uDAC的输出特性的输出特性: DAC输出特性输出特性00000011011010

4、0111001111103579111315vO/kDI1101DAC输出模拟量的大小与输输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比：入数字量大小成正比：两个相邻数码转换出的电压值两个相邻数码转换出的电压值之间的差值，是信息所能分辨之间的差值，是信息所能分辨的最小量的最小量(1 LSB)；最大输入；最大输入数字量对应的输出电压值数字量对应的输出电压值(绝绝对值对值)用用FSR表示。表示。1 LSBLeast Significant BitFSRFull Scale RangeBONKu 2 2、D/AD/A转换器的一般构成转换器的一般构成 D/A转换器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器

5、、模拟电子开关模拟电子开关、参考电参考电压压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关，将在解码网中；寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位的权值送入求和电路；求和电路将各位络中获得的相应数位的权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出n 位位D/A转换器方框图转换器方框图数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位

6、数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络求和电路求和电路参考电压参考电压 按解码网络的结构不同，有按解码网络的结构不同，有权电阻网络权电阻网络DAC、倒倒T型电型电阻网络阻网络DAC、 权电流型权电流型DAC等。等。二、权电阻网络二、权电阻网络D/AD/A转换器转换器“权电阻权电阻”：电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。di = 1 时，时，Si 接接VREF ；di = 0 时，时，Si 接地接地 。“电子开关电子开关”：1、电路构成、电路构成VREF+- -uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR / 2S0S1S2S3LSBMS

7、B权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关求和电路求和电路运放组成运放组成反相求和反相求和电路实现各支路电流相加并电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。转换成电压输出。“求和电路求和电路”：运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。转换成电压输出。“求和电路求和电路”：二、权电阻网络二、权电阻网络D/AD/A转换器转换器2、工作原理、工作原理运放工作在线性区，运放工作在线性区，虚地，虚地， U- -=0。若若di=0， Si接地，接地， Ii=0若若di=1， Si接接VREF，I0=VREF8RI1=VREF4R“权电阻权电阻”：电阻值的大

8、小与有关数字量的权重密切相关。电阻值的大小与有关数字量的权重密切相关。di = 1 时，时，Si 接接VREF ；di = 0 时，时，Si 接地接地 。“电子开关电子开关”：I = I3 + I2 + I1 + I0)248(80123ddddRVIREF IRuO2 )248(160123ddddVREF BREFNV42 输入的输入的数字量数字量VREF+- -uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR / 2S0S1S2S3LSBMSBI2=VREF2RI3=VREFR二、权电阻网络二、权电阻网络D/AD/A转换器转换器2、工作原理、工作原理VREF+- -uOd3d2d1

9、d0I0I1I2I38R4R2RRIR / 2S0S1S2S3LSBMSBIRuO2 )248(160123ddddVREF BREFNV42 对于对于n位的位的DAC，输出电压的计算式为：，输出电压的计算式为：BnREFONVu2 3、电路特点：、电路特点：（1）结构简单；）结构简单；（2）电阻的阻值相差）电阻的阻值相差较大，在位数多时，较大，在位数多时，很难保证精度。很难保证精度。输出电压的范围：输出电压的范围：REFnnV2120 单位单位电压电压K极性与参考电压相反。极性与参考电压相反。三、倒三、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器1、电路构成、电路构成 解码电路中，电

10、阻只有解码电路中，电阻只有R和和2R两种，并构成倒两种，并构成倒T型电阻网络。型电阻网络。当当di=1时，相应的开关时，相应的开关Si接到求和点；当接到求和点；当di=0时，相应的开关时，相应的开关Si接地。但由于接地。但由于虚短虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻电阻2R总是与地相连总是与地相连。流经。流经2R电阻上的支路电流与开关状态电阻上的支路电流与开关状态无关。无关。求和点求和点虚地虚地 V2、工作原理、工作原理求和点求和点虚地虚地 从每个节点向左看，等效电阻均为从每个节点向左看，等效电阻均为2R；整个网络的等效输入电阻为整个网络的等效

11、输入电阻为R。RVIREF iniiIdI 2流入求和点的各支路电流为：流入求和点的各支路电流为：)2(2iinREFdRV 10iniII流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：运算放大器的输出电压为：运算放大器的输出电压为： 10O22niiiFnREFFdRRVIRv 10)2(2niiinREFdRV 10)2(2niiinREFdRVBKN 即输出的模拟电压即输出的模拟电压uO正比正比于输入的数字量于输入的数字量NB，从而实现，从而实现了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。V应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用

12、较多的一种，如较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒 T型电阻网络。型电阻网络。3、倒、倒T型电阻网络型电阻网络DAC的特点：的特点：优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；，提高了制造精度； 而且支路电流同时流入求和点，不存在时间差，因而提而且支路电流同时流入求和点，不存在时间差，因而提 高了转换速度。高了转换速度。 四、权电流型四、权电流型D/A D/A 转换器转换器各支路恒流源的大小与对各支路恒流源的大小与对应数字量的权重成正比。应数字量的权重成正比。+- -uORF- -VREFS0S1S2S3i D0D1D2D31

13、6I8I4I2I若若Di=0， Si接地，接地，Ii不能加到运放输入端不能加到运放输入端若若Di=1， Si将对应的恒流将对应的恒流源加到运放输入端源加到运放输入端 iiiDII216 iIi)2222(1600112233DDDDI FORiu )2222(2001122334DDDDIRF BFNIR42 对于对于n位的位的DAC：BnFONIRu2 BNK 五、五、D/A D/A 转换器转换器的主要技术指标的主要技术指标DAC的主要技术指标有：的主要技术指标有：转换精度转换精度、转换速度转换速度。1 1、分辨率、分辨率分辨率用于表征分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转

14、换器对输入微小量变化的敏感程度。 定义为定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。05/75001 010 011 100 101 110 111vo/VD000n位位DAC有有2n个不同的模拟量个不同的模拟量输出值，即分辨率为输出值，即分辨率为2n，实际中通常用实际中通常用输入数字量的有输入数字量的有效位数效位数表示表示DAC的分辨率，的分辨率，显然位数越多，分辨率越高。显然位数越多，分辨率越高。如如10位、位、8位等。位等。另外也用另外也用DACDAC的最小非零输出电压与的最小非零输出电压与最大输出电压最大输出电压之比之比来表示分辨率来表示

15、分辨率: :121maxmin nooVV分辨率分辨率 DAC的转换精度通常用的转换精度通常用分辨率分辨率、转换误差转换误差来描述。来描述。2 2、转换误差、转换误差用最低有效位的倍数表示。用最低有效位的倍数表示。如：某个如：某个DAC的转换误差为的转换误差为1/2LSB，表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等于输入数字代码为于输入数字代码为001时输出电压的一半。时输出电压的一半。用输出电压满刻度的百分数表示。用输出电压满刻度的百分数表示。（1）造成转换误差的主要原因）造成转换误差的主要原因 ：参考电压参考电压 VREF的波动的波动 比例系数

16、误差比例系数误差运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移 失调误差失调误差模拟开关的导通内阻和导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压电阻网络中的电阻值偏差等电阻网络中的电阻值偏差等转换误差指输出模拟电压的转换误差指输出模拟电压的实际值与理想值之差实际值与理想值之差的最大值。的最大值。 非线性误差非线性误差（2）转换误差的表示方法）转换误差的表示方法 ：如：如：1（FSR）建立时间建立时间 tSet ：输入由全输入由全0变为全变为全1，输出电压与稳，输出电压与稳态值相差（态值相差（LSB/2)LSB/2)所需的时间。所需的时间。一般一般DAC的的tset0， 000 000 011 101 100

17、 001 |maxV8/1 （2）四舍五入法）四舍五入法当当vI的尾数的尾数 /2时，舍尾取整。时，舍尾取整。这种方法这种方法可正可负，可正可负，当当vI的尾数的尾数 /2时，舍尾入整。时，舍尾入整。2/|max 01V1/153/155/157/159/1511/1513/1501234567000001010011100101110111V15/2 000 001 100 110 100 010 A/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换

18、成数字量。其特点是工作较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有转换器有并行比较型并行比较型、逐次比较型逐次比较型等。等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间间t或频率或频率f, 然后再将然后再将t或或f转换成数字量。其特点是工转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接强。间接A/D转换器有转换器有单次积分型单次积分型、双积分型双积分型等。等。- -

19、11DC1Q1- -21DC1Q2- -31DC1Q3- -41DC1Q4- -51DC1Q5- -61DC1Q6- -71DC1Q7VREFVICPI1I2I3I4I5I6I7D0D1D2RRRRRRRR/2二、并行比较型二、并行比较型ADC优优先先编编码码器器寄存器寄存器比较器比较器1315VREF1115VREF 915VREF 715VREF515VREF315VREF115VREFREFV152 REFV151|max 输入输出关系表输入输出关系表P449表表9.2.1例：设例：设VREF=10V，当输入为当输入为6V时，时，输出的数字量？输出的数字量？0 00 00 01 11 1

20、1 11 1901570155015301510151101513015100100（1）优点优点：转换速度很快，故又称高速转换速度很快，故又称高速A/D转换器。转换器。含有寄存器的含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。可以不用附加取样保持电路。（2）缺点缺点：电路电路复杂，对于一个复杂，对于一个n位二进制输出的并位二进制输出的并行比较型行比较型A/D转换器，需转换器，需n- -1个电压比较器和个电压比较器和2n - -1个个触发器，编码电路也随触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压

21、网络和电压比较器灵敏度的限制。换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。 （3）应用应用：适用于高速，适用于高速， 精度较低的场合精度较低的场合。 并行比较型并行比较型A/D转换器的特点：转换器的特点：设待秤重量设待秤重量 Wx = 13克，克，逐次比较型逐次比较型ADC的工作原理可用天平秤重过程来说明：的工作原理可用天平秤重过程来说明：若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，克， 每个重量分别为每个重量分别为 8、4、2、1克克 。可以用下表步骤来秤量可以用下表步骤来秤量 ：第第1次次加加8克克 砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8 克克第第2次次加加4克克砝码总重砝码总重 待测重

22、量待测重量Wx ，12 克克第第4次次砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，加加1克克13 克克故故保留保留故故保留保留故故撤除撤除故故保留保留砝码重砝码重暂时结果暂时结果 结结 论论（一）电路组成（一）电路组成n位位ADC完成一次完成一次A/D转换所需的时间为转换所需的时间为nTCP。（二）（二）A/D转换过程转换过程转换前寄存器清零；转换前寄存器清零；将寄存器最高位置将寄存器最高位置1 1；输出数据为输出数据为1001000 0，该数码经该数码经DACDAC转换成转换成vO，将将vI与与vO进行比较，进行比较， vO vI ，最高位的，最高位的1清除；清除；将寄存器次高位置将寄存器次高

23、位置1 1；输出数据为输出数据为10100 0， 重复重复。比较完毕后，将寄存器中的比较完毕后，将寄存器中的数据送到输出端。数据送到输出端。复位，回到转换前的初始状态。复位，回到转换前的初始状态。D/A转换器转换器vI+- -vO数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器D7D0启动启动脉冲脉冲控控制制逻逻辑辑VREFCPvI=6.84V时时的详细转换过程的详细转换过程D/A转换器转换器vI+- -vO数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器D7D0启动启动脉冲脉冲控控制制逻逻辑辑VREFCP10V57.56.256.8756.56256.718756.796875D7D6D5D4D3D2D1D

24、0CP启动启动脉冲脉冲123 4567896.8359375输出的数字量为：输出的数字量为：10101111。（三）逐次比较型（三）逐次比较型ADC的特点的特点 双积分型双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其转换成与其大小成正比的时间间隔大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器，再利用基准时钟脉冲通过计数器将将T变换成数字量。变换成数字量。 下下降降；次次积积分分），使使第第积积分分开开始始对对接接通通，积积分分器器与与复复位位，启启动动OIISnDVVVVQQR1(0)1(10 上上升升；次次积积分分），使使积积分分（第第开开始始对对的的积积

25、分分，结结束束对对接接于于，脉脉冲冲后后，个个当当输输入入BREFIREFAnnVVVVVQCP212)2( 。转转换换，读读出出转转换换结结果果结结束束本本次次，停停止止计计数数，（过过零零）使使脉脉冲冲后后，个个当当输输入入01/00)3(DDDAVVCPMnCB -+A-+AFF2Q2D2FF1Q1D1FF0Q0D0FFn-1Qn-1Dn-1FFnQnRD启动启动&CPRC积分器积分器过零比较器过零比较器VS1VOVCVDV I-VREFG（1）性能稳定，转换精度高。）性能稳定，转换精度高。 其转换结果与时间常数其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波无关，从而消除了由于

26、斜波 电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围 内变化，而不影响转换结果。内变化，而不影响转换结果。（2）电路简单，抗干扰能力强。）电路简单，抗干扰能力强。 由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而，而 T2正比于输入信号在正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输内的平均值，这对于叠加在输 入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。（3）这种）这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要 求时钟源在一个转换周期

27、（求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。）内保持稳定即可。 这种转换器被广泛这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要应用于要求精度较高而转换速度要 求不高的仪器中求不高的仪器中。 1、分辨率、分辨率mVVV44. 2409610102112 分辨率分辨率= 例如，例如，A/D转换器的输出为转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟位二进制数，最大输入模拟信号为信号为10V，则其分辨率为：，则其分辨率为： 分辨率指分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个讲，一个n位二进制数输出的位二进制数输出的A/D转换器应能区分

28、输入模拟电转换器应能区分输入模拟电压的压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的（满量程输入的1/2n）。）。 naxV2Im分分辨辨率率（分分解解度度）ADC的主要技术指标有转换精度和转换速度。的主要技术指标有转换精度和转换速度。 2. 转换误差转换误差 它表示它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用字量之间的差别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出

29、数字量之间的误差小于最低位的半个字。理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21 3、转换时间、转换时间 转换时间转换时间是指是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型类型A/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型ADC的转换速度的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式ADC的转换速度的转换速度较快较

30、快，需，需几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型ADC的转换速度的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒。 1.ADC0809特性参数特性参数 分辨率：分辨率： 8 8位位精度：精度： 8 8位位转换时间：转换时间： 100100 s s增益温度系数：增益温度系数： 20ppm/20ppm/输入电平：输入电平： TTLTTL功耗：功耗： 15mW15mWADC0809是是CMOS工艺制成的工艺制成的8位位八通道八通道逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器。转换器。2.ADC08092.ADC0809引脚功能引脚功能D/AD/A转换器转换器3.ADC08093.ADC0809工作原理工作原理输入输入3 3位地址信号，在位地址信号，在ALEALE脉冲的脉冲的上升沿上升沿将将地址锁存地址锁存，经，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；发出发出A/DA/D转换转换启动信号启动信号STARTSTART，在，在STARTSTART的的上升沿上升沿将将SARSAR清清0 0，转换结束标志转换结束标志EOCEOC变为低电平变为低电平( (表示转换正在进行表示转换正在进行BUSYBUSY），），在在STARTSTART的的下降沿开始转换下降沿开始转换；D