数-模和模-数转换

1、第九章 A/D与D/A转换器 自然界中存在的物理量大都是模拟量，如温度、时间、自然界中存在的物理量大都是模拟量，如温度、时间、角度、速度等。随着数字技术的迅速发展，尤其是计角度、速度等。随着数字技术的迅速发展，尤其是计算机的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非算机的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非常普遍。常普遍。 模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量A/DA/D转换（转换（Analog to DigitalAnalog to Digital）数字量变换为模拟量数字量变换为模拟量D/AD/A转换（转换（Digital to AnalogDigital to Analog）衡量衡量A/

2、DA/D和和D/AD/A转换器性能的两个主要指标：转换器性能的两个主要指标：转换精度转换精度转换速度转换速度9.1导论导论 9.2 D/A转换器转换器 D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数D转换为与之成比例的模拟量，转换为与之成比例的模拟量，n位二进制数位二进制数D可以写成可以写成 ： 112012002222nnninniiD dddd而输出应当是与输入的数字量而输出应当是与输入的数字量D成比例的模拟量成比例的模拟量A：102niiiAK DKdK为一个常量，单位为伏特。为一个常量，单位为伏特。电阻解码网络是电阻解码网络是D/A转换器的主

3、要组成部分。转换器的主要组成部分。 D/A转换器的组成转换器的组成: 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于存放用于存放在数字寄在数字寄存器中的存器中的数字量的数字量的各位数码各位数码由输入由输入数字量数字量控制控制产生权产生权电流电流将权电流相加产将权电流相加产生与输入成正比生与输入成正比的模拟电压的模拟电压 D/A转换器的分类转换器的分类:ECL电流开关型电流开关型DAC T型电阻网络

4、型电阻网络DAC按解码网络按解码网络结构分类结构分类 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 D/A 转转换换器器 9.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器 由电阻解码网络由电阻解码网络、电子开关和运放组成。电子开关和运放组成。Sn-1S0是是n个个电子开关，受输入代码电子开关，受输入代码d n-1d 0控制，当该位的值为控制，当该位的值为“1”时，开关将电阻接至参考电压源时，开关将电阻接至参考电压

5、源VREF；当该位为；当该位为“0”时，开关将电阻接地。时，开关将电阻接地。 11REFREF0ii00 22222nninnniiVVRRUiIdD 优点：优点：所用电阻数少所用电阻数少缺点：缺点：阻值分散，阻值分散，集成电路制作集成电路制作困难困难 D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数转转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数转换为与之成比例的模拟量，转换输出可以写成换为与之成比例的模拟量，转换输出可以写成 ：9.2.29.2.2 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 倒倒T型电阻网络是集成型电阻网络是集成D/A转换器中采用最多的一种转换器中采用最多的一种与

6、权电阻网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。与权电阻网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。RRRRAABBCCDD/,/2/4/8/16REFRIVRIIII、向左看过去的等效电阻都是 ，故各支路的电流依次为、和则输出电压为：1022niREFoiniVUd DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFD9.2.39.2.3 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器 为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用恒流源，转换器的转换精度，可采用恒流源，每个支路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响，每个支路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响，从

7、而降低了对开关电路的要求从而降低了对开关电路的要求常用的集成常用的集成DACDAC有有AD7520AD7520、DAC0832DAC0832、DAC0808DAC0808、DAC1230DAC1230、MC1408MC1408、AD7524AD7524等。等。例例1. 1. D/A转换器转换器AD7520 ( (倒倒T T型电阻网络型电阻网络) ) AD7520 AD7520是是1010位的位的D/AD/A转换集成芯片，与微处理转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。通用性好、性能

8、价格比高等特点得到广泛的应用。 9.2.39.2.3 集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用 该芯片只含倒该芯片只含倒T T形电阻网络、电流开关和反形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时需要具体使用时需要外接外接集成运算放大器和基准集成运算放大器和基准电压源。电压源。D0D9：数据输入端：数据输入端Rf：10K反馈电阻引出端反馈电阻引出端IOUT1：电流输出端：电流输出端1IOUT2：电流输出端：电流输出端2Vcc：电源输入端：电源输入端UREF：基准电压输入端：基准电压输入端GND：地。：地。1010位

9、二进制加法计数器从全位二进制加法计数器从全“0”0”加到全加到全“1”1”，电路的模，电路的模拟输出电压拟输出电压u uo o由由0V0V增加到最大值。增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯电路的输出端得到周期性的锯齿波。齿波。 应用举例应用举例 （组成锯齿波发生器）（组成锯齿波发生器） 例例2. D/A转换器转换器DAC0808（ 8位权电流型位权电流型D/A转换器转换器） 当当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：77O88001102222fREFiiiiiiR VvDDR56789101112DDD

10、DDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（ LSB）（ MSB）141524163Rf1R使用时，需要使用时，需要外接运放和产外接运放和产生基准电流用生基准电流用的电阻的电阻R1。9.2.49.2.4转换精度与转换速度转换精度与转换速度转换精度：转换精度：1 .分辨率分辨率当输入数字量的最低位（当输入数字量的最低位（LSB）发生变化）发生变化引起的输出电压的变化量。常用输入数字量的位数表引起的输出电压的变化量。常用输入数字量的位数表示分辨率。示分辨率。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多

11、个模拟输出电压。位数越多D/A转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。电压之比给出。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：121n转换精度：转换精度：2. 转换误差转换误差转换器实际能达到的转换精度。转换误差转换器实际能达到的转换精度。转换误差用用LSB的倍数表示。转换误差分静态误差和动态误差。的倍数表示。转换误差分静态误差和动态误差。产生原因：产生原因：由于由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定、运算放大器的

12、零漂、模拟开关不够理想、不够稳定、运算放大器的零漂、模拟开关不够理想、电阻网络中电阻阻值的偏差等各种因素的影响。电阻网络中电阻阻值的偏差等各种因素的影响。几种转换误差：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有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等转换速度：转换速度：1建立时间建立时间 输入数字量各位由全输入数字量各位由全0变为全变为全1、或由全、或由全1变为全变为全0，输出电压达到某一规定值所需要的时间。，输出电压达到某一规定值所需要的时间。2转换速率转换速率输入数字量的各位由全输入数字量的各位由全0变为全变为全1、或由、或由全全1变为变为0时，输出电压的变化率。这个参数与运算

13、放大时，输出电压的变化率。这个参数与运算放大器的压摆率类似。器的压摆率类似。 9.3 A/D转换器转换器9.3.1、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 A/D转换一般包括采样、保持、量化、编码四个步骤。转换一般包括采样、保持、量化、编码四个步骤。 CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（ t）vI（ t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）一一 取样取样保持电路保持电路取取Ri=Rf当当vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经经Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。vO=vI=vC。当当vL返回低电平后，返回低电平后，T截止。截止。Ch无放电回路，无

14、放电回路，vO保存。保存。RRIvLvTAChvofituiusO采样频率的选择应满足采样定理：采样频率的选择应满足采样定理：fs2 fi(max)。A1A2LR1R2SCh30030k1D2DiuLuo uou典型的采样保持电路典型的采样保持电路LF398 iHiRTCR输入电压经和 向电容充电，限制了取样速度；但又不能减小来提高速度，这必然降低电路的输入阻抗。LF398：在输入端加隔离放大器：在输入端加隔离放大器二、量化与编码二、量化与编码对模拟信号幅值的离散化对模拟信号幅值的离散化量化量化：用：用最小数量单位最小数量单位度量模拟信号。量化单位，也就是最低有效位（度量模拟信号。量化单位，也

15、就是最低有效位（LSB）所代表数值。）所代表数值。 把量化的结果用代码（二进制码或其他编码）表示把量化的结果用代码（二进制码或其他编码）表示出来，称为出来，称为编码编码。这些代码就是。这些代码就是A/D转换的结果。转换的结果。量化过程不可避免地会引入误差量化过程不可避免地会引入误差量化误差量化误差。位数。位数越多，量化误差越小；同时也与量化方法有关。越多，量化误差越小；同时也与量化方法有关。划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小 9.3.2 A/D9.3.2 A/D转换器的分类转换器的分类 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标转换精度与转换速度转换精度与转换速度 A/D转换

16、器直接型并行比较型反馈比较型逐次逼近型计数型间接型电压-时间型（VT）型-双积分型电压-频率型（VF）型CCCCCCC4CCCCO 4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O 7O 1O 2O 6O 5O 31762531234567IIIIIII76543219.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器（直接型）转换器（直接型） 优点：优点：转换速度最快，完成一次转换所需要的时间只包括一转换速

17、度最快，完成一次转换所需要的时间只包括一级触发器的翻转时间和三级门电路的传输延迟时间。级触发器的翻转时间和三级门电路的传输延迟时间。并联比较型并联比较型A/D转换器：转换器：缺点：缺点：电路复杂，电路复杂，n位转换器，所用的比较器和触发器的个位转换器，所用的比较器和触发器的个数为数为2n-1。 转换精度主要取决于量化电平的划分转换精度主要取决于量化电平的划分一一. .计数型计数型A/DA/D转换器转换器 9.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器（直接型）转换器（直接型） 计数型计数型A/DA/D转换器：转换器： nn2 -1缺点：转换时间太长当输出为 位二进制数码时，最长的转换时间可达倍时

18、钟信号周期优点：优点：电路非常简单，在对转换速度没有严格要求时仍是电路非常简单，在对转换速度没有严格要求时仍是一种可取的方案。一种可取的方案。二二. .逐次渐近型逐次渐近型A/DA/D转换器转换器 先用一个先用一个800mV的电压与的电压与ui比较，由于比较，由于ui800mV，将将800mV的电压砝码去掉，加的电压砝码去掉，加400mV的砝码，的砝码，ui400mV，于是保留，于是保留400mV的电压砝码。再加的电压砝码。再加200mV的的电压砝码，电压砝码，ui400mV+200mV，200mV的电压砝码的电压砝码保留，如此一直进行下去，可获得一组二进制码保留，如此一直进行下去，可获得一组

19、二进制码 0110 0111 0011按照按照BCD8421码划分，相当码划分，相当673mV。mV6731mV2mV4mV8mV10mV20mV40mV80mV100mV200mV400mV/VUo/Vt0mV800iu101100110011工作原理工作原理 2Q3Q4Q5Q&11&+-2d12dd0DAC)2(2)2(1)2(0+-AQBQAFBFCQC1R1S1C1R1S1C1R1S1CF1G2G3G4G5G6G7G8GAU1DC11DC11DC11DC11DC1LU9GiuBU(LSB)MSB)(CPC1Q1F2F3F4F5F3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

20、电路原理图转换速度比并联比较型转换速度比并联比较型A/D转换器低，但比计数型转换器低，但比计数型A/D转换器速度要高得多转换器速度要高得多逐次渐近型逐次渐近型A/DA/D转换器：转换器： 对对n位输出的位输出的A/D转换器，完成一次转换所需时间为转换器，完成一次转换所需时间为n+2个时钟信号周期个时钟信号周期在输出位数较多时，电路规模要比并联型小得多，因在输出位数较多时，电路规模要比并联型小得多，因此逐次渐近型此逐次渐近型A/D转换器是目前集成转换器是目前集成A/D转换器产品转换器产品中用得最多的一种电路。中用得最多的一种电路。实例：实例： 逐次逼近型集成逐次逼近型集成A/DADC0809 9

21、.3.5 双积分型双积分型A/D转换器转换器 一、一、工作原理工作原理 采样阶段采样阶段定时积分阶定时积分阶段段i10i1o1d)(1URCTtRUCUT比较转换阶段比较转换阶段定电压积分阶段定电压积分阶段 21REFi TTVURCRC12iRRFTTUV12CiCREFTNTTNDUTV取，ttt1T2T1t2t2t2T2iiUu 2iiUu 1OU1OU1iiUu tGu2iiUu GuouOOOO采样：采样：定时积分阶段定时积分阶段1o1iTUURC 比较：比较：定电压积分阶段定电压积分阶段 iRRF12UVTT iREFNDUV 抗干扰能力强抗干扰能力强：积分采样对交流噪声有很强的抑

22、：积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间制能力；如果选择采样时间T T1 1为为20ms20ms的整数倍时，则的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。可有效地抑制工频干扰。缺点：缺点： 转换速度较慢转换速度较慢: :完成一次完成一次A/DA/D转换至少需要（转换至少需要（T T1 1T T2 2）时间，因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换时间，因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。速度要求不高的场合。 良好的稳定性良好的稳定性，可实现，可实现高精度高精度：由于在转换过程：由于在转换过程中通过两次积分把中通过两次积分把U UI I和和U UREFREF之比

23、变成了两次计数值之之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与比，故转换结果和精度与R R、C C无关。无关。双积分型双积分型A/DA/D转换器：转换器： 优点：优点：例如，输入模拟电压满量程为例如，输入模拟电压满量程为10V10V，若用，若用8 8位位ADCADC转换转换时，其分辨率为时，其分辨率为10V/210V/28 839mV39mV，1010位的位的ADCADC是是9.76mV9.76mV，而而1212位的位的ADCADC为为2.44mV2.44mV。 9.3.6 A/D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 一一. 转换精度转换精度1.分辨率分辨率说明说明A/D转换器

24、对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高单位愈小，分辨率愈高2.2.转换误差转换误差表示表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。例如，相对误差例如，相对误差LSB/2LSB/2，就表明实际输出的数字，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最量和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。低位的半个字。 完成一次完成一次A/DA/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。转换时间越短，则转换速度越快。二二. 转换精度转换精度并联比较并联比较A/D转换器转换速度最高：转换器转换速度最高：10ns；逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之：转换器次之：10100us；间接间接A/D转换器的速度最慢：转换