第七章_数模和模数转换器 傅大丰

1、第七章第七章数数/ /模和模模和模/ /数转换器数转换器江苏省精品课程江苏省精品课程南京航空航天大学南京航空航天大学自动化学院自动化学院7-1第七章第七章 模模/数和数数和数/模转换器模转换器7.1 概述概述7.2 D/A转换器转换器7.3 A/D转换器转换器7-2一一. 用途用途 Analog - Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。 Digital - Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。 7.1 概述概述7-3二二. . 分类分类 DACDACDACTDACD/A双极极性输权电流型型电电阻网络倒权电阻网

2、络 变换型变换型变换型变换型间接型间接型反馈比较型反馈比较型并联比较型并联比较型直接型直接型FUTUA/D7-47.2 D/A转换器转换器 D/A转换器的工作原理转换器的工作原理 7.2.1 D/A转换器工作原理转换器工作原理 7.2.2 权电阻网络权电阻网络D/A 转换器转换器 7.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A 转换器转换器 7.2.4 权电流型权电流型D/A 转换器转换器 7.2.5 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A 转换器转换器二二. D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数三三. 典型集成典型集成D/A转换器转换器7-57.2.1 D/A转换器工作原理转换器工作

3、原理nOO)(KDiu 其中其中K为常数为常数001122n11nn2222 ddddDnn D/A转换器的一般结构框图转换器的一般结构框图7-67.2.2 权电阻网络权电阻网络DAC权电阻网络求和放大器一一. . 电路结构和工作原理电路结构和工作原理基准电压基准电压7-7REFiiii100Uudud 时，时，时，时，RUdiRUdiRUdi0REF1n1n1REF2n2n1nREF00222 权电流权电流求和放大器0 uuREFiiUdu 7-82FRR 求和放大器 iiF由由虚虚断断得得F012n1nFO)(RiiiiRiu 故故输输出出电电压压)2222(2001122n11n1FRE

4、F ddddRRUnnnnREF2DUn 7-9（1）优点：电路简单（2）缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部二二. . 优缺点优缺点7-107.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC希望用较少类型的电阻，仍希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流然能得到一系列权电流7-11RRR从各端口向左看去，各端口对地的等效电阻均为从各端口向左看去，各端口对地的等效电阻均为 R。 由于运放由于运放A工作在线性区，其反相输入端虚地，工作在线性区，其反相输入端虚地，故无论开关故无论开关Si接至何种位置，与其相连的接至何种位置，与其相连的2R电阻电阻上端总是接地的，即流经每条上

5、端总是接地的，即流经每条2R电阻支路的电流电阻支路的电流与开关状态无关。与开关状态无关。 7-12)2222(01122n11nREFnnd dddRUi nFREFFO2DRRURiun RUI/REF nREF2 DRUn 7-13 各支路电流是同时直接流入到运算放大器的各支路电流是同时直接流入到运算放大器的反相输入端，转换速度快、便于集成，是目前反相输入端，转换速度快、便于集成，是目前D/A转换器中使用最多的电路转换器中使用最多的电路 。7-147.2.4 权电流型权电流型DACnFFO2DRIRiun 用恒流源来代替电阻网络，各支用恒流源来代替电阻网络，各支路权电流不受开关导通电阻和电

6、路权电流不受开关导通电阻和电压的影响，故转换精度高。压的影响，故转换精度高。7-157.2.5 具有双极性输出的具有双极性输出的DAC补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V设输入为三位二设输入为三位二进制补码。最高进制补码。最高位为符号位，正位为符号位，正数为数为0，负数为，负数为1一一. .基本原理基本原理7-16原码输入对应的输出偏移后的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2

7、V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/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100100时，输出为时，输出为0 017-17二. 电路实现V7111V4100V1001V0000)222(28V8. 1OOOO0120011223OFREF uuuudddddduRRU则则则则，且，且设设0 0 0组成的偏移电路组成的偏移电路和和加入加入时，时，使输入使输入偏移

8、偏移令令BBOO0100,V4. 2URuu 7-180 0 1即可即可故令故令时，时，输入输入RUIRUiIRUIi2222100. 3REFBBBREF 7-194.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0 0 00V0o uB2IIi 0F i7-204 4.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0 0 1-4V-4VFFo Riu0 iRUIi2REFBF 7-214 4.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1 1 03V3VFFo RiuIIIIi87248 IIii83BF 输入输入d2d1d0为补码，输出为补码，输出uo为对应的正负极性

9、的电压。为对应的正负极性的电压。 补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V7-227.2.6 DAC的主要技术参数的主要技术参数一一. . 分辨率（理论精度）分辨率（理论精度）（1）定义：分辨率为D/A转换器对输入量微小变化的敏感程度的描述。（2）表示方法 1)用输入数字量的二进制数码位数给出 2)用输入数字量中最低位（LSB）d0变化所引起的输出电压变化量与满刻度输出电压之比给出 121mLSB nuu7-23nREFOnREFOREF22. 1DUuDUuUnn

10、 引起的误差引起的误差二二. . 转换误差（实际精度）转换误差（实际精度） 用最低有效位的倍数来表示；有时也用绝对误差与用最低有效位的倍数来表示；有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示。输出电压满刻度的百分数来表示。7-24移移零零点点漂漂移移导导致致的的曲曲线线漂漂由由漂漂移移误误差差OpA. 27-25，电电阻阻网网络络的的偏偏差差引引起起为为模模拟拟开开关关的的压压降降内内阻阻不不非非线线性性误误差差0. 3对对值值相相加加总总误误差差：几几种种误误差差的的绝绝*7-2611REF10REFOnnREFO2LSB2121,2LSB21UUuDDUun产生的输出电压为：产生的输出电

11、压为：）时，时，（在输出端产生的电压为在输出端产生的电压为 解：解：(1)REF1010OnnREFOOREF2)12(12,2UuDDUuuUnn 最大误差时对应最大误差时对应为为产生的产生的由由(2)例例7.2.1 10位倒位倒T型型DAC中，若保证由中，若保证由UREF偏差偏差引起的误差小于引起的误差小于0.5LSB，试求，试求UREF的相对稳定度。的相对稳定度。7-27%05. 021122212212211101011REFREF11REFREF101011REFOUUUUUu故即要求（3）7-28三. 转换时间（1）建立时间tS -输入数据变化量是满度值（输入由全0变为全1或全1变

12、为全0）时，其输出电压量达到距终值0.5LSB时所需的时间。 （2）转换速率）转换速率SR -输出电压的变化率输出电压的变化率 。7-297.2.7 典型集成典型集成DAC1. DAC08328位位DAC两级缓冲两级缓冲倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC电流输出，需外接运电流输出，需外接运算放大器算放大器7-30DAC0832的典型应用接线图的典型应用接线图7-312. DAC121012位位DAC两级缓冲两级缓冲三个寄存器：三个寄存器：8位、位、4位、位、12位位电流输出，需外接运电流输出，需外接运算放大器算放大器7-327.3 A/D转换器转换器 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 7.

13、3.1 A/D转换器工作原理转换器工作原理 7.3.2 并联比较型并联比较型A/D 转换器转换器 7.3.3 逐次渐近型逐次渐近型A/D 转换器转换器 7.3.4 双积分型双积分型A/D 转换器转换器 7.3.5 -型型A/D 转换器转换器二二. A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数三三. 典型集成典型集成A/D转换器转换器7-337.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理A/D转换器的一般框图转换器的一般框图7-34(max)iS(max)iS)53(,2ffff 一一般般取取采采样样定定理理IuSu7-35一. 采样保持电路（S/H电路 Sample-Hold）IuSu7-3

14、6二. 量化和编码量化：将取样电压表示为最小数量单位（）的整数倍编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）1. 量化误差：当采样电压不能被整除时，将引入量化误差最大量化误差最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)V7-377.3.2 并联比较型并联比较型ADC00000001510REFU0000001153151REFREFUU0000011155153REFREFUU0000111157155REFREFUU0001111159157REFREFUU00111111511159REFREFUU011111115131511REFRE

15、FUU111111115151513REFREFUU一一. .工作原理工作原理REF151UREF153UREF155UREF157UREF159UREF1511UREF1513U量化量化7-38输入输入量化量化 编码编码11111010110001101000100000000001510REFU0000001153151REFREFUU0000011155153REFREFUU0000111157155REFREFUU0001111159157REFREFUU00111111511159REFREFUU011111115131511REFREFUU111111115151513REFREF

16、UU7-39二. 电路特点（1）快，CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十ns（2）精度，受参考电压、分压网络等因素影响（3）有存储器，不需要S/H电路（4）电路规模，n位需要2n-1比较器，触发器。7-407.3.3 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器次次就就够够了了只只要要比比较较 n电路不太复杂电路不太复杂转换速度较快转换速度较快反馈比较型反馈比较型一一. .工作原理工作原理.1)2(01,1,1)1(IOIOnuuuu”再将次高位置“再将次高位置“”，改为“”，改为“则去掉“则去掉“则保留则保留若若”高位先置“高位先置“ 7-411 0 0 0 03位：位：5个个CPn位位: (

17、n+2)个个CP二二. .实现电路实现电路7-427.3.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器先将U转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数闭闭合合充充分分放放电电后后断断开开。起起始始状状态态：计计数数器器清清零零2S,. 1一一. .工作原理工作原理7-43的的积积分分，积积分分器器作作固固定定时时间间1I1S, 0. 2Tut 设设UI为为T1时间内时间内uI的平均值的平均值IO0I1IO11UuURCTdtRuCuT 即即uI0uO0时，比较器的输出时，比较器的输出uC =1； uB 0时，时， uC =0。比较器将积分器的输出进行了量化，。比较器将积分器的

18、输出进行了量化，得到一个串行的数据流即位串。得到一个串行的数据流即位串。 uC =1时，时，D/A转换器的输出转换器的输出uD =UREF； uC =0时，时， uD =-UREF 。7-49 设uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始电压为零，则可得各点采样输出结果如表所示。CuDu采采样样（V）(V)(V)10.60.6112-0.40.2113-0.4-0.20-141.61.4115-0.41116-0.40.6117-0.40.2118-0.4-0.20-17-50 设uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始电压为零，则可得各点采样输出波形如图所示。mmUmU

19、u2REF1REFD ）（式中式中m1为为1的个数，的个数，m2为为0的的个数。个数。7-51二. 电路特点（1）电路简单，不需要有采样）电路简单，不需要有采样-保持电路，易于保持电路，易于集成集成 。（2）采用过采样频率，且闭环负反馈回路有噪）采用过采样频率，且闭环负反馈回路有噪声抑制作用，其信噪比远大于其他声抑制作用，其信噪比远大于其他A/D转换器。转换器。 7-527.3.6 ADC的主要技术参数的主要技术参数一. . 转换精度1. 分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，表征A/D转换器对输入信号的分辨能力。2. 转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应

20、有的输出数字量之间的差别。二. . 转换速度-取决于电路结构类型并联比较型：1uS逐次逼近型：几100uS/次双积分型：几十mS/次7-537.3.7 典型集成典型集成ADC1. ADC08098位逐次渐近型位逐次渐近型ADC8路模拟通道输入路模拟通道输入三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 7-542. AD574A12位逐次渐近型位逐次渐近型ADC，也可用作，也可用作8位位ADC输入模拟电压可以是单极性、双极性输入模拟电压可以是单极性、双极性 7-553. MC144333+1/2位双积分型位双积分型ADC速度较慢速度较慢BCD码数据输出码数据输出7-56本章小结（1）本章主要内容）本章主

21、要内容 本章主要介绍数本章主要介绍数/模转换和模模转换和模/数转换的基本原理、数转换的基本原理、主要技术指标及几种常用集成电路。主要技术指标及几种常用集成电路。 7-57（2）D/A 转换原理转换原理 D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。比的模拟电量。 倒倒T型电阻网络型型电阻网络型D/A转换器中，电阻网络只转换器中，电阻网络只有有R和和2R两种阻值的电阻，适合集成工艺，因此两种阻值的电阻，适合集成工艺，因此在集成在集成D/A转换器中应用得较多，如转换器中应用得较多，如DAC0832。权电流型权电流型D/A转换器中由于使用了恒流源，因此转换

22、器中由于使用了恒流源，因此具有精度高、转换速度快的优点，在双极型单片具有精度高、转换速度快的优点，在双极型单片集成集成D/A转换器中用得较多。转换器中用得较多。7-58（3） A/D 转换原理转换原理 A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。的数字量。 并联比较型并联比较型ADC属于直接转换型，其转换速度最属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型快，但价格贵；双积分型ADC属于间接转换型，其属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。中，因而被广泛采用。-型型A/D转换器采用过采样转换器采用过采样频率，不仅取得了高精度，还能平滑模拟输入电压频率，不仅取得了高精度，还能平滑模拟输入电压的噪声，在数字音频领域得到了广范应用。的噪声，在数字