第8章数模和模数转换器

1、 数模和模数转换器数模和模数转换器概述概述第第 8 章章数模和模数转换器数模和模数转换器 本章小结本章小结A/D 转换器转换器D/A 转换器转换器 数模和模数转换器数模和模数转换器8.1 概述概述 主要要求：主要要求： 理解理解数模和模数转换器的概念和作用。数模和模数转换器的概念和作用。 数模和模数转换器数模和模数转换器一、数模和模数转换的概念和作用一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量( (电压或电电压或电流流) )，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器实现数模

2、转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。 模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 Analog - Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。 数模和模数转换器数模和模数转换器为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？ 数模和模数转换器数模和模数转换器二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应

3、用举例压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象DACADC二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例 数模和模数转换器数模和模数转换器主要要求：主要要求： 了解了解数模转换的基本原理。数模转换的基本原理。 了解常用了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。转换器的类型和主要参数。 了解了解 R - - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器的转换

4、器的电路与工作原理。电路与工作原理。 8.2 D/A 转换器转换器 数模和模数转换器数模和模数转换器一、数模转换的基本原理一、数模转换的基本原理 输出模拟电压输出模拟电压 uO = D = (Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 ) 可见，可见，uO D，uO 的大小反映了数字量的大小反映了数字量 D 的大小。的大小。DACD0D1Dn- -2Dn- -1uO一、数模转换的基本原理一、数模转换的基本原理 LSB Least Significant Bit 输入数字量输入数字量 D = (Dn- -1 Dn- -2 D1 D0 ) 2 =

5、 Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 是是 DAC 能输出的最小电压值，称为能输出的最小电压值，称为 DAC 的单的单位量化电压位量化电压，它等于，它等于 D 最低位最低位( (LSB) )为为 1、其余各位均、其余各位均为为 0 时的模拟输出电压时的模拟输出电压( (用用 ULSB 表示表示) )。 数模和模数转换器数模和模数转换器S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR ( (一一) ) 电路组成与转换原理

6、电路组成与转换原理 二、二、R - - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 由倒由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路( (简称简称 I/U 转换电路转换电路) )组成。组成。模拟开关模拟开关 Si 打向打向“1”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接虚接虚地地；打向打向“0”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接地接地。故无论开。故无论开关打向哪一侧，倒关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：型电阻网络均可等效为下图： 数模和模数转换器数模和模数转换器II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRR

7、ABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可见，支路电流值可见，支路电流值 Ii 正好代表了正好代表了二进制数位二进制数位 Di 的权值的权值 2i 。即即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 RVI 4REF422 数模和模数转换器数模和模数转换器模拟开关模拟开关 Si 受相应

8、数字位受相应数字位 Di 控制。当控制。当 Di = 1 时，开时，开关合向关合向“1”侧，相应侧，相应支路电流支路电流 Ii 输出输出；Di = 0 时，开关时，开关合向合向“0”侧，侧， Ii 流入地而不能输出。流入地而不能输出。S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRRu0 = - - i RF = - - D I0 RF = - - D RRV 4FREF2i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 +

9、D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0对对 n 位位 DAC， uO= - - D RRVn 2FREF若取若取 RF = R， 则则uO= - - D nV2REF n 位位 DAC 将参考电压将参考电压 VREF 分成分成 2n 份，份，uO 是是每份的每份的 D 倍。调节倍。调节 VREF 可调节可调节 DAC 的输出电压。的输出电压。uO= - - D RRV 4FREF2 数模和模数转换器数模和模数转换器三、常用三、常用 DAC 的类型和主要参数的类型和主要参数 ( (一一) ) 常用常用 DAC 的类型的类型 常用常用 DAC 主要有权电阻网络主要有权电阻网络 DAC、

10、 R - - 2R T 形电阻网络形电阻网络 DAC、R - - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC和权电流网络和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换转换精度高，性能最佳。精度高，性能最佳。 数模和模数转换器数模和模数转换器 ( (二二) ) 主要参数主要参数 1. 分辨率分辨率 DAC 的最小输出电压变化量，的最小输出电压变化量，也即也即 DAC 的最小输出电压值的最小输出电压值121FSRLSB- - nUU分分辨辨率率 表示满度输出电压值，表示满度输出电压值，FS

11、R 即即 Full Scale Range指指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。小电压变化量与满刻度输出电压之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均为位均为 1例如，一个例如，一个 10 位的位的 DAC，分辨率为，分辨率为 0.000 978。DAC 的位数越多，分辨率值就越小，的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的能分辨的最小输出电压值也越小。最小输出电压值也越小。 数模和模数转换器数模和模数转换器要获得较高精度的要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用转换结果，除了正确选用 D

12、AC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。大器。 3. 转换时间转换时间指指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。转换时间越小，转换速度就越高。2. 转换精度转换精度 指指 DAC 实际输出模拟电压与理实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂度有关，而

13、且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。移以及转换器的位数有关。 通常要求通常要求 DAC的误差小于的误差小于 ULSB / 2。 数模和模数转换器数模和模数转换器四、集成四、集成 DAC应用举例应用举例四、集成四、集成 DAC 应用举例应用举例1. 集成集成 DAC 简介简介 常用集成常用集成 DAC 有两类：一类内部仅含有电阻有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入

14、控还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。系统中。 数模和模数转换器数模和模数转换器2. 8 位位 CMOS 集成集成 D/A 转换器转换器 CDA7524 简介简介数据锁存器数据锁存器20 k 20 k 20 k 20 k 20 k10 k 10 k 10 k 10 k VDDVREF151213CSWR45611D7( (MSB) )D6D5D0( (LSB) )S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端基准电压输入端 VREF 可正可负可正可负 片选控制端片选控

15、制端 电源电压范围电源电压范围 + 5 V + 15 V 8 位数据输入端，位数据输入端，其电平与其电平与 TTL 电平兼电平兼容。容。MSB 表示最高位，表示最高位，LSB 表示最低位。表示最低位。接地端接地端 内部反馈电阻内部反馈电阻 RF 的引出端的引出端 两个输出端，一般将两个输出端，一般将 OUT2 接地，接地，OUT1 接运放反向端。接运放反向端。 写信号控制端写信号控制端 数模和模数转换器数模和模数转换器 例例 右图为右图为 CDA7524 的单极性的单极性输出应用电路。图输出应用电路。图中电位器中电位器 R1 用于调用于调整运放增益，电容整运放增益，电容 C 用以消除运放的用以

16、消除运放的自激。已知自激。已知 ULSB = VREF / 256，试求满，试求满度输出电压及满度度输出电压及满度输出时所需的输入输出时所需的输入信号。信号。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+- -OUT1OUT2uOC2 k R2R11 k 15 pFWR 961. 9256550225625512REFLSB8 - - VUU解：解： 当当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。时，输出为满度值。uO = - - UFSR - - 9.961 V。

17、数模和模数转换器数模和模数转换器主要要求：主要要求：了解了解模数转换的基本原理。模数转换的基本原理。了解了解 转换器的主要参数。转换器的主要参数。 了解常用了解常用 转换器。转换器。8.3 A/D 转换器转换器 数模和模数转换器数模和模数转换器一、一、A /D 转换转换的基本原理和一般步骤的基本原理和一般步骤 “ ”“ ”表示取整。表示取整。 基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI可见，输出数字量可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI 。 称为称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是 ADC 的最小分辨电压。的最小分辨电压。

18、uD 数模和模数转换器数模和模数转换器采样：采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持：保持采样信号保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。使有充分时间转换为数字信号。量化：量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。整数倍表示。编码：编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。A /D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn- -1D1D0uI (t)S采样保持电路采样保持电路 数模和模数转换器数模和模数转换器采样信号是否会

19、丢采样信号是否会丢失原信号的信息呢？失原信号的信息呢？对信号进行量化会对信号进行量化会引起误差吗？引起误差吗？量化误差大小量化误差大小与与 ADC 的位数、的位数、基准电压基准电压 VREF 和量化方法有关。和量化方法有关。 采样定理：采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。不失真地恢复为原模拟信号。 量化误差：量化误差：因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 ULSB 整除，整除， 量化时舍去余数而引起的误差。量化时舍去余数而引起的误差。 数模和模数转换器数模和模

20、数转换器划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法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)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3

21、 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V000000000

22、0uI电阻构成分压器电阻构成分压器 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000001001uI 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC

23、REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000011010uI 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000111011uI 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (L

24、SB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0001111100uI 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0011111101uI 数模和模数转换器数模和模数转换器V

25、REFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0111111110uI 数模和模数转换器数模和模数转换器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157

26、VREF159VREF1511V1111111111uI 数模和模数转换器数模和模数转换器三、常用三、常用 ADC 的类型和主要参数的类型和主要参数 ( (一一) )常用常用 的类型的类型 常用常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但转换速度最快，但价格贵；双积分型价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但精度高、抗干扰能力强，但速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。因而被广泛采用。 数模和模数转换器数

27、模和模数转换器指指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。的倍数来表示。 ( (二二) ) 主要参数主要参数 2. 相对精度相对精度( (又称转换误差又称转换误差) ) 指指 ADC 输出数字量的最低位变化一输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。个数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率分辨率 例如例如 最大输出电压为最大输出电压为 5V 的的 8 位位 ADC 的分辨率为：的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用分辨率也可用 A

28、DC 的位数表示。位数越多，能的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。分辨的最小模拟电压值就越小。 例如例如 转换误差不大于转换误差不大于 1/2 LSB，即说明，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过之间的最大误差不超过 1/2 LSB。 数模和模数转换器数模和模数转换器3. 转换时间转换时间 转换速度比较：并联比较型转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型逐次逼近型 双积分型双积分型 数十数十 ns 数十数十 s 数十数十 ms 指指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。转换时间越小，转换速度越高。 数模和模数转换器数模和模数转换器D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。的模拟电量。常用的常用的 DAC 主要有权电阻网络主要有权电阻网络 DAC、R - - 2R T 形电阻网络形电阻网络 DAC、R - - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 和权电流网络和权电流网络 DAC。其中，。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络权