第10章 模数转换器和数模转换器

1、第10章 模数转换器和数模转换器本章主要介绍了（1）数模转换器DAC的基本原理及多种数模转换器DAC的转换原理。（2）数模转换器DAC的主要性能。（3）模数转换器ADC的基本原理及多种模数转换器ADC的主要性能指标。（4）常用集成DAC、ADC芯片及其使用方法。教学基本要求掌握D/A和A/D转换器的主要性能指标。理解D/A和A/D转换器的工作原理。了解常用集成芯片的使用方法。重点与难点本章重点：D/A和A/D转换器的基本概念和主要性能指标。本章难点：D/A和A/D转换器的工作原理。主要教学内容10.1   数模转换器的基本原理10.1.1   数模转换器

2、的概念 10.1.2   数模转换原理 10.1.3   数模转换器的构成及不同类型数模转换器的特点10.2   DAC的转换精度与转换速度10.2.1   转换精度 10.2.2   转换速度 10.3   模数转换器的基本原理10.3.1   模数转换器的基本原理10.3.2   实现模数转换的步骤10.3.3   模数转换器的构成及不同类型模数转换器的特点10.4   模数转换器的主要技术指

3、标10.4.1   转换精度10.4.2   转换速度10.1   数模转换器的基本原理 数模转换器的概念经数字系统处理后的数字量，有时又要求再转换成模拟量以便实际使用，这种转换称为“数模转换”。完成数模转换的电路称为数模转换器，简称DAC（Digital to Analog Converter）。 数模转换原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，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。其中为二进制数按位权展开转换成的十进制数值。 数模转换器的构成及不同类型数

4、模转换器的特点DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成。用存于数字寄存器的数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1 的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值。根据位权网络的不同，可以构成不同类型的DAC，如权电阻网络DAC、R2R倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等。权电阻网络DAC 的转换精度取决于基准电压VREF，以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同，位数多时，其阻值相差甚远，这给保证精度带来很大困难，特别是对于集成电路的制

5、作很不利，因此在集成的 DAC 中很少单独使用该电路。它由若干个相同的R、2R网络节组成， 每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒T形网络。R2R倒T形电阻网络DAC是工作速度较快、 应用较多的一种。和权电阻网络比较，由于它只有R、2R两种阻值，从而克服了权电阻阻值多，且阻值差别大的缺点。电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当于开路，所以连同电子开关在内，对它的转换精度影响都比较小，又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路，使这种DAC可以实现高速转换，转换精度较高。10.2   DAC的转换精度与转换速度 转换精度在DAC中一般用分辨率和转换

6、误差来描述转换精度。1. 分辨率一般用 DAC 的位数来衡量分辨率的高低，因为位数越多，其输出电压vO的取值个数就越多（2n个），也就越能反映出输出电压的细微变化，分辨能力就越高。 此外，也可以用DAC能分辨出来的最小输出电压1 LSB与最大输出电压FSR之比定义分辨率。即该值越小，分辨率越高。2. 转换误差转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。常用这个最大偏差与FSR之比的百分数或 若干个LSB表示。实际上它是三种误差的综合指标。 转换速度转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在FSR±½ LSB范围（或以FSR±

7、;xFSR指明范围）内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。 10.3   模数转换器的基本原理 模数转换器的基本原理将模拟量转换成数字量的过程称为“模数转换”。完成模数转换的电路称为模数转换器，简称ADC（Analog to Digital Converter）。 实现模数转换的步骤模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。采样定理：当采样频率大于模拟信号中最高频率成分的两倍时，采样值才能不失真的反映原来模拟信号。 模数转换器的构成及不同类型模数转换器的特点模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接

8、ADC。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型ADC。直接ADC则直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC。并联比较型ADC：由于并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码也是同时并行产生，所以转换速度快是它的突出优点，同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。因为n位输出的ADC，需要2n个电阻，（2n1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC

9、是另一种直接ADC，它也产生一系列比较电压VR，但与并联比较型ADC不同，它是逐个产生比较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC 的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。双积分型ADC：属于间接型ADC，它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP）计数，计数器输出的计数结果就是对应的

10、数字量。双积分型ADC优点是抗干扰能力强；稳定性好；可实现高精度模数转换。主要缺点是转换速度低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于多位高精度数字直流电压表中。10.4   模数转换器的主要技术指标 转换精度集成ADC用分辨率和转换误差来描述转换精度。1. 分辨率 通常以输出二进制或十进制数字的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位越小，对输入信号的分辨能力就越高。例如：输入模拟电压的变化范围为05 V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5 V×2820 mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5 V&

11、#215;2121.22 mV。2. 转换误差 它是指在零点和满度都校准以后，在整个转换范围内，分别测量各个数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其中的最大偏差作为转换误差的指标。通常以相对误差的形式出现，并以LSB为单位表示。例如ADC0801的相对误差为±¼ LSB。 转换速度完成一次模数转换所需要的时间称为转换时间。大多数情况下，转换速度是转换时间的倒数。ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型ADC的转换速度最高（转换时间可小于50 ns），逐次逼近型ADC 次之（转换时间在10100s 之间），双积分型ADC 转换速度最低（转换时间在几十毫秒至数百毫秒之间）。 自我检测题1. 如果要将一个最大幅值为5.1 V的模拟信号转换成数字信号，要求模拟信号每变化20 mV能使数字信号最低位（LSB）发生变化，那么应选用多少位转换器？2. 在双积分型ADC中，（1）若被测电压VI（max）=2 V，要求分辨率0.1 mV，则二进制计数器的计数容量N应大于多少？（2）需要多少位二进制计数器？（3）若时钟频率fCP=200 kHz，则采样保持时间至少是多少？ 思考