第九章---数模和模数转换

1、1第九章第九章 数模和模数转换数模和模数转换 本章的重点：本章的重点： 1D/A转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输入与输出关系的定量计算；入与输出关系的定量计算； 2A/D转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较；双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较； 3D/A，A/D转换器的转换速度与转换精度及影响它们转换器的转换速度与转换精度及影响它们的主要因素。的主要因素。 由于目前使用的由于目前使用的D/A、A/D期间都是期间都是LSI电路，所以讲授电路

2、，所以讲授的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内部详细的结构及工作过程。部详细的结构及工作过程。本章的难点：本章的难点： 本章的难点在一些本章的难点在一些A/D转换器内部电路结构和详细工作转换器内部电路结构和详细工作过程上，但这不是本章学习的重点。过程上，但这不是本章学习的重点。2第九章第九章 数模和模数转换数模和模数转换 第一节第一节 概述概述数模转换：将数字量数模转换：将数字量 (Digital)转换为模拟量转换为模拟量(Analog)。简称简称D/A 转换。转换。模数转换：将模拟量模数转换：将模拟量(Analog)转换为数字量

3、转换为数字量(Digital)。简称简称A/D转换。转换。被控对象被控对象传感器传感器A/D转换器转换器计算机计算机D/A转换器转换器驱动电路驱动电路3主要指标：转换精度；转换速度。主要指标：转换精度；转换速度。D/A转转换换器器权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器权电容网络权电容网络D/A转换器转换器权电流型权电流型D/A转换器转换器开关树型开关树型D/A转换器转换器A/D转转换换器器直接转换型直接转换型并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型间接转换型间接转换型双积分型（双积分型（VT变换型）变换型）VF变换型变换型计数型计数型逐次渐进型逐次渐

4、进型分类：分类：4一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器第二节第二节 D/A转换器转换器1.原理原理由四部分组成：由四部分组成：权电阻网络；权电阻网络；求和放大器；求和放大器；模拟开关；模拟开关；参考电源；参考电源；权电阻网络权电阻网络求和放大器求和放大器模拟开关模拟开关任务：求出输出模拟电压任务：求出输出模拟电压 与输入数字量与输入数字量d3d2d1d0间的关系。间的关系。oiRFo)(0123IIIIRF)2222(230211203ddddRVRREF)2222(2001122334ddddVREF)2222(200112211ddddVnnnnnREFo 2.特点：特点：1.电

5、阻数量少，结构简单；电阻数量少，结构简单；2.电阻种类多，差别大，不电阻种类多，差别大，不易集成。易集成。Least Significant BitMost Significant Bit输入数输入数字量字量DVnREF2输入数输入数字量字量5二、倒二、倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器1.原理：原理：电阻网络特点：电阻网络特点：模拟开关模拟开关Si不论接何不论接何位置，都相当于接地。位置，都相当于接地。任意节点向左看的任意节点向左看的等效电阻皆为等效电阻皆为R。RVIREFRio公式推导公式推导012316842dIdIdIdIi6Rio)2222(2001122334ddddVRE

6、F)2222(200112211ddddVnnnnnREFo RVIREF012316842dIdIdIdIi倒倒T型型)16842(0123ddddRVRREF7集成集成D/A转换器转换器CB7520简介：（十位）简介：（十位）电路特点：电路特点：1.电阻种类少，便于集成；电阻种类少，便于集成；2.开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。可外接反可外接反馈电阻馈电阻R需外接需外接运放运放模拟开关电路：模拟开关电路：8 在权电阻网络在权电阻网络D/A转换器和倒转换器和倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器中，转换器中，若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导

7、通压降将影响转换若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换精度。权电流型精度。权电流型D/A转换器可解决这一问题。转换器可解决这一问题。三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器FORi)(02122232432ddddRIIIIF)2222(2001122334ddddIRF 恒流源如图。但电阻恒流源如图。但电阻REi的种类多。因此，经常用倒的种类多。因此，经常用倒T型电阻网络的分流作用来实现。型电阻网络的分流作用来实现。9)2222(2001122334ddddRVRRREFF)2222(2001122334ddddIRFO10双极型电路；双极型电路；8位数字量输入；位数字量输

8、入；外接求和放大器；外接求和放大器；外接电阻。外接电阻。)2222(2001122334ddddRVRRREFFODRVRRREFFO82若取若取VREF=10V、RR=RF=5K则：则：DO8210输入数输入数字量字量此时，输出模拟电压范围为：此时，输出模拟电压范围为：09.96V。权电流型集成数模转换器权电流型集成数模转换器DAC0808简介简介参考四位时的公式：参考四位时的公式：有：有：11 带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器 当输入数字量是带符号数时，当输入数

9、字量是带符号数时，就需要双极性输出的就需要双极性输出的D/A转换器。转换器。当当d2=1时，对应输出电压为时，对应输出电压为4V。IB应等于应等于I/2因此：因此：RVIRVREFBB22DDDVREFO8823三位三位DAC的输出的输出取反取反12五、五、D/A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）转换精度（一）转换精度通常用通常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。1.分辨率：输出模拟电压应能区分分辨率：输出模拟电压应能区分02n-1共共2n个输入数字量。个输入数字量。表示方法：表示方法：(1)用输入二进制数的位数表示；如用输入二进制数的位数表示；如8位。位

10、。(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：该比值显然等于：121nnREFV2) 12(2nnREFV13 由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到的转换精度。的转换精度。 转换误差转换误差有时也称为有时也称为线线性误差性误差。它表示实际的。它表示实际的D/A转转换特性和理想转换特性之间换特性和理想转换特性之间的最大偏差。的最大偏差。转换误差的表示形式：转换误差的表示形式： （1）最低有效位的倍数。如：）最低有效位的倍数。如：1LSB。（2）输出电压满刻度）输出电压

11、满刻度FSR(Full Scale Range)的百分数。的百分数。如：如：0.1FSR。2.转换误差：转换误差：143.转换误差分析转换误差分析 D/A转换器的四个组成部分，均可引起转转换器的四个组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。换误差。但具有不同的特点。(1)参考电源引起的误差称为参考电源引起的误差称为比例系数误差比例系数误差。ODVnREF2O(2)运放零点漂移引起的误差称为运放零点漂移引起的误差称为漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差。15(3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为偏差引起的误差称

12、为非线性误差非线性误差。 非线性误差有时导致非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，转换特性局部非单调性，从而引起系统不稳定。从而引起系统不稳定。注意注意：运放和参考：运放和参考电源多为外接，电电源多为外接，电阻网络和模拟开关阻网络和模拟开关在集成在集成DAC内部。内部。16例：在例：在10位倒位倒T型电阻网络型电阻网络DAC中，中，VREF=-10V。为保证。为保证VREF偏离偏离标准值所引起的误差小于标准值所引起的误差小于1/2LSB，计算，计算VREF相对稳定度应取多少？相对稳定度应取多少？解：解：1.计算计算1/2LSB: 当输入数字量当输入数字量D=1时，输出电压为时，输出电压为LS

13、B。故：。故：2.计算当计算当VREF变化量为变化量为 时所引起的输出变化时所引起的输出变化 量的最大量的最大值值 :REFVOMREFnnREFOMVV) 12(2而：而：即：即：112REFREFVV1121REFREFVV=0.05%这里这里VREF=10V,允许的参考电源允许的参考电源变化量小于变化量小于5mV1/2LSB = 21210REFV21210REFV112REFV输入数字量的最大值输入数字量的最大值LSBOM2117（二）转换速度（二）转换速度用完成一次转换所需的时间用完成一次转换所需的时间建建立时间立时间tset来衡量。来衡量。 建立时间：从输入信号变化开始建立时间：从

14、输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB范围以内的时间。范围以内的时间。 输入信号由全输入信号由全0变为全变为全1所需时间所需时间最长。最长。不包含运放的不包含运放的DAC建立时间可达建立时间可达0.1 。s当外接运放时，转换时间还应加当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。上运放的上升（下降）时间。RsTRSVtT(max)0(max)转换时间转换时间建立时间建立时间输出模拟电输出模拟电压最大值压最大值运放输出转运放输出转换速率换速率18第三节第三节 A/D转换器转换器一、一、A/D转换的基本原理转换的基本原理 在在A/D转换器中，由于

15、输入转换器中，由于输入模拟信号在时间上是连续的，模拟信号在时间上是连续的，而输出数字信号是离散的，所而输出数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬以转换只能在一系列选定的瞬间对输入模拟信号采样，然后间对输入模拟信号采样，然后再把这些采样值转换成输出数再把这些采样值转换成输出数字量。字量。A/D转换的基本步骤：转换的基本步骤：采样（取样）；采样（取样）；保持；保持；量化；量化；编码。编码。由取样保持电路完成由取样保持电路完成由由A/D转换电路完成转换电路完成取取样样保保持持191.取样、保持取样、保持取样定理取样定理：为保证从取样信：为保证从取样信号恢复被取样信号，必须满号恢复被取样信号，

16、必须满足足取样信号频率取样信号频率在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样信号频率。信号频率。取样定理又称为香农定理取样定理又称为香农定理(Shannon)。下面通过取样信号的幅频特性与滤波器的幅频特性的关系说明下面通过取样信号的幅频特性与滤波器的幅频特性的关系说明取样定理。取样定理。(max)2isff 输入信号输入信号最高频率最高频率20 为低电平时，为低电平时，T截止。取样电截止。取样电容容CH上的电荷无泄放回路，上的电荷无泄放回路， 将将保持。保持。OL取样保持电路取样保持电路取样电路输出信号取样电路输出信号的

17、幅频特性的幅频特性滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性显然要满足显然要满足(max)(max)(max)2isiisfffffsf(max)isff IFIORRL 为高电平时，场效应管为高电平时，场效应管T导通导通,进进行取样行取样L 电路缺点：输入电阻电路缺点：输入电阻RI过大过大会降低取样速度；过小又加重会降低取样速度；过小又加重信号源负载。信号源负载。改进方法：在输入端加隔离放大器。改进方法：在输入端加隔离放大器。 下面通过集成取样保持电路下面通过集成取样保持电路LF198介绍改进的取样保持电路。介绍改进的取样保持电路。此时无法用滤波此时无法用滤波器恢复输入波形器恢复输入波形21集成取样保

18、持电路集成取样保持电路LF198调零调零输入模输入模拟电压拟电压取样控取样控制信号制信号外接保持电容外接保持电容 在取样阶段，开关在取样阶段，开关S接接通，运放通，运放AI,A2构成两级电构成两级电压跟随器压跟随器IO 在保持阶段，在保持阶段，S断开，电断开，电容容CH上电荷保持不变，使输上电荷保持不变，使输出电压出电压 保持不变。保持不变。O二极管二极管D1,D2和电阻和电阻R1构成保护电路。构成保护电路。在取样阶段，在取样阶段，S接通，接通，D1,D2截止，保护电路不起作用。截止，保护电路不起作用。 在保持阶段，在保持阶段，S断开，断开， 保持不变；但保持不变；但 在变，使在变，使 达达到

19、正（负）最大值，使开关到正（负）最大值，使开关S承受过高的电压。接上保护电承受过高的电压。接上保护电路后可使路后可使 基本等于输入电压基本等于输入电压 。IoOIo222.量化和编码量化和编码量化：量化： 把输出数字量为把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为时对应的输入模拟电压称为量化单元量化单元，记做记做 。当输出数字量为。当输出数字量为D时，对应的输入模拟电压应为时，对应的输入模拟电压应为D ，即量化单元的整数倍。，即量化单元的整数倍。 因此，对于任意输入模拟电因此，对于任意输入模拟电压压, 首先首先 应把它量化为应把它量化为 的整数倍。这就是量化。的整数倍。这就是量化。编码：编码：用二

20、进制代码表示量化后的输入模拟电压。用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。 量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量化方法：化方法：23当输入电压不为当输入电压不为 的整数倍时，必然产的整数倍时，必然产生误差，称为生误差，称为量化误差量化误差。量化误差量化误差2量化误差量化误差1/15V若用此范围表示若用此范围表示001会更准确会更准确24输入为双极性时：输入为双极性时：输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：=1V二二进进制制补补码码符号位符号位量化后输出的二进制补码量化后输出的二进制补码2

21、5二、直接二、直接A/D转换器转换器1.并联比较型并联比较型A/D转换器转换器将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。介绍并联比较型和反馈比较型两大类。介绍并联比较型和反馈比较型两大类。采用第二类量化方法，采用第二类量化方法，152REFV 转换过程：将要输入转换过程：将要输入模拟电压加在输入端，然模拟电压加在输入端，然后加一个后加一个CP脉冲，输出端脉冲，输出端就出现转换结果。就出现转换结果。编码情况可用下表说明。编码情况可用下表说明。特点：特点：速度快，转换时间小于速度快，转换时间小于50ns；电路复杂。电路复杂。不需取样保持电路；不

22、需取样保持电路；26d2 = Q4d1= Q6 + Q4Q2d0 = Q7 + Q6Q5 + Q4Q3 + Q2Q1公式化简过程请公式化简过程请同学自己解决。同学自己解决。272.反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器(1)计数型计数型A/D转换器转换器 思路：将一数字量加到思路：将一数字量加到D/A转换器上，再把转换器上，再把D/A转换器输出的转换器输出的模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。数字量由计数数字量由计数器提供。

23、器提供。启动转换启动转换B10OI0I=由于量化引起的误差为由于量化引起的误差为1LSB.（第一类量化方法）（第一类量化方法）特点：特点：1.电路简单；电路简单；2.速度慢。最长转换时间可达速度慢。最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期。倍时钟信号周期。28(2)逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器数字量由逐次渐近寄存器提供。数字量由逐次渐近寄存器提供。思路：思路：从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。）。以输出四位数字量以输出四位数字量a3a2a1a0为例为例:1.输入输入1000到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a3的

24、值；的值；2.输入输入a3100到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a2的值；的值；3.输入输入a3a210到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a1的值；的值；4.输入输入a3a2a11到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a0的值；的值；可见，主要转换步骤只需可见，主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成。（实际转个时钟周期就可完成。（实际转换器还要增加两个时钟周期时间。）换器还要增加两个时钟周期时间。）下面结合具体电路说明工作过程。下面结合具体电路说明工作过程。28页29 时，该时，该位为位为1,否否则该位则该位为为0.OI27页30移位寄存器初始状态：移位寄

25、存器初始状态：Q1Q2Q3Q4Q5=10000IBO时，时，1CP1后后,移位寄存器为移位寄存器为01000，QAQBQC=100;CP2后后,移位寄存器为移位寄存器为00100，QAQBQC=d210;确定确定d2值。值。CP3后后,移位寄存器为移位寄存器为00010，QAQBQC=d2d11;确定确定d1值。值。CP4后后,移位寄存器为移位寄存器为00001，QAQBQC=d2d1d0;确定确定d0值。值。同时输出同时输出d2d1d0。CP5后后,移位寄存器为移位寄存器为10000，QAQBQCd2d1d0，但对下一步无影响。，但对下一步无影响。一般，当输出为一般，当输出为n位时，需位时，

26、需n+2个时钟周期可完成转换。个时钟周期可完成转换。特点：特点：速度较快；电路也不太复杂。速度较快；电路也不太复杂。因此，逐次渐近型因此，逐次渐近型A/D转换器是集成转换器是集成A/D转换器用的最多的一种。转换器用的最多的一种。第二种量化方法第二种量化方法31三、间接三、间接A/D转换器转换器1.双积分型双积分型A/D转换器转换器中间变量为时间中间变量为时间T的，称为的，称为V-T变换型（电压时间变换型）；变换型（电压时间变换型）；中间变量为频率中间变量为频率F的，称为的，称为V-F变换型（电压频率变换型）；变换型（电压频率变换型）；属于属于V-T变换型。变换型。第一次积分第一次积分:对输入模

27、拟电压对输入模拟电压定定时时积分，时间为积分，时间为T1,由控制逻辑由控制逻辑电路决定；电路决定；第二次积分第二次积分:对参考电源对参考电源VREF定定速速积分，积分， 的变化速度由的变化速度由VREF,R和和C决定。决定。OIdtCC1dtCRI电容电容C上电压上电压32t1时刻电容电压时刻电容电压 即即 值为：值为：coodtCRIIRCT1第二次积分结束时积分器输出第二次积分结束时积分器输出电压为电压为0，即，即0121IttRCVoRCTdtREFIREFRCTVRCT12故：故：IREFVTT1233IREFVTT12设时钟周期为设时钟周期为TC，输出数字量为，输出数字量为D，则，则

28、CnTT21CDTT2代入上式得：代入上式得：IREFnVD2可使可使T1=2nTC，T2=DTC的电路如的电路如下图：下图：至于至于T1，若满足，若满足34影响精度因素：影响精度因素： 计数器位数；计数器位数；比较器灵敏度；比较器灵敏度；比较器零点漂移；比较器零点漂移； 运放零点漂移；运放零点漂移； 积分电容漏电；积分电容漏电；TC瞬间波动。瞬间波动。35特点：特点： 性能稳定。转换结果与性能稳定。转换结果与R,C无关；也与时钟周期无关。这是无关；也与时钟周期无关。这是两次积分的结果。两次积分的结果。 抗干扰能力强。积分器对平均值为抗干扰能力强。积分器对平均值为0的干扰有很强的抑制能的干扰有很强的抑制能力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整数倍，理论上可完全抑制电网干扰。数倍，理论上可完全抑制电网干扰。缺点是速度慢。完成一次转换时间不小于缺点是速度慢。完成一次转换时间不小于2n+1TC。在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表等。在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表等。362.V-F变换型变换型A/D转换器转换器 压控振荡器输出脉冲频率于输入电压有很好的线性关系。压控振荡器