第7章数模与模数转换电路

1、(7-1)肖合九肖合九 教授教授数字逻辑电路数字逻辑电路 (7-2)第第7 7章章 数模与模数转换电路数模与模数转换电路 (7-3)第第7章章 数模与模数转换电路数模与模数转换电路概述概述7.1 D/A 转换器转换器7.2 A/D 转换器转换器(7-4)一、数模、模数转换器是模拟、数字系统间的桥梁一、数模、模数转换器是模拟、数字系统间的桥梁概概 述述 能将模拟量能将模拟量(温度、湿度、压力、流量、速度等温度、湿度、压力、流量、速度等)转转换为数字量的电路称为模数转换器，简称换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器转换器或或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，能将数字量

2、转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称简称D/A转换器或转换器或DAC。 ADC和和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。也可称之为两者之间的接口。 二、性能指标二、性能指标 转换精度和转换速度转换精度和转换速度是衡量是衡量ADC和和DAC转换性能转换性能的主要指标。的主要指标。 (7-5) 三、常见数模、模数转换器应用系统举例三、常见数模、模数转换器应用系统举例(7-6)7.1.1 D/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理一、对一、对D/A转换器的基本要求转换器的基本要求01234567001010011100101110111

3、uo/VD000DACuO或或iO输输入入输出输出dn-1d1d0 1、输入、输出关系框图、输入、输出关系框图 如左下图所示，如左下图所示，d0dn-1是输入的是输入的n位二进制数，位二进制数，uO或或iO是与是与输入二进制数成比例的输出电压或电流。输入二进制数成比例的输出电压或电流。 2、转换特性、转换特性 右下图所示是输入为右下图所示是输入为3位二进制数时位二进制数时DA转换器的转换特性，转换器的转换特性，它具体而形象地反映了对它具体而形象地反映了对DAC的基本要求。的基本要求。(7-7) 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相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，

4、然后将代表各位的模拟量相加，所得的应的模拟量，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。到模拟量的转换。uo或 io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnuD/A转换的基本原理转换的基本原理)2222(00112211oddddKinnnni或或Ku或或Ki是比例系数是比例系数(7-8)DAC的类型的类型 在常见的在常见的DAC中，主要有如下几种类型：中，主要有如下几种类型： 权电阻网络权电阻网络DAC；2. 倒梯形（倒梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DA

5、C； 3. 权电流型权电流型DAC； 4. 开关树型开关树型DAC等；等； 5. 权电容网络权电容网络DAC。(7-9)uo二、电路组成二、电路组成 倒梯形（倒梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DAC如下图所示。图中如下图所示。图中S0S3为模拟为模拟开关，由输入数码开关，由输入数码di控制，当控制，当di=1时，时，Si接运算放大器反相输入接运算放大器反相输入端（虚地），电流端（虚地），电流Ii流入求和电路；当流入求和电路；当di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地（地或虚地）。或虚

6、地）。倒倒T形形电阻解电阻解码网络码网络 模拟模拟开关开关求和集成运求和集成运算放大器算放大器 基准参基准参考电压考电压 (7-10)计算倒计算倒T型电阻网络支路电流的等效电路型电阻网络支路电流的等效电路分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻都是处向左看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是到地，也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。(7-11)uo(7-12) （1）分辨率）分辨率 分辨率是指对输出电压的分辨能力

7、。分辨率定义为最小分辨分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率定义为最小分辨电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位量最低位(LSB)为为1，其余位均为，其余位均为0时的输出电压，记为时的输出电压，记为ULSB。最。最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记时的输出电压，记为为UFSR。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。

8、越大，分辨率越高。用输入二进制数的有效位数表示用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为。在分辨率为n位的位的D/A转转换器中，输出电压能区分换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给个不同的输入二进制代码状态，能给出出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。用用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：00101023112110 转换精度转换精度三、三、DAC的主要性能指标的主要性能指标(7-13) （2）转换误差：）转换误差： 是指输出模拟电压的实际

9、值与理想值之差。有各种因素引起：是指输出模拟电压的实际值与理想值之差。有各种因素引起： 比例系数误差比例系数误差它是参考电压它是参考电压VREF的偏离而引起的误差，的偏离而引起的误差，因因VREF是比例系数，是比例系数， 故称之为比例系数误差，如左下图所示。故称之为比例系数误差，如左下图所示。 漂移误差漂移误差它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入数字量为数字量为 0 时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并不为不为 0。这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移，。这使输出电压特性与理想电压特性

10、产生一个相对位移，如右下图中的虚线所示。如右下图中的虚线所示。 非线形误差非线形误差它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数来表示。偏差产生的，常用满刻度的百分数来表示。(7-14) 转换误差的表示：转换误差的表示： 用输出电压满刻度用输出电压满刻度FSR的百分数表示。的百分数表示。 也可用最低有效位（也可用最低有效位（ LSB）的倍数表示。）的倍数表示。例如：给出转换误差的例如：给出转换误差的1/2LSB，这就表示输出模拟电，这就表示输出模拟电压与理想值之间的绝对误差小于等于当输入为压与理想值之间的绝对误差小于等于当输入为

11、001时的输出电压的一半。时的输出电压的一半。(7-15) 2. 转换速度：转换速度： D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换时间，它决定出电压所需要的时间称为转换时间，它决定D/A转换转换器的转换速度。器的转换速度。 描述描述D/A转换器转换速度的参数是：转换器转换速度的参数是： 建立时间建立时间ts 从数字信号输入从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度。目前小决定了转换速度。目前1012

12、位单片集成位单片集成D/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间可以在器（不包括运算放大器）的建立时间可以在 1 微秒微秒以内。以内。 转换速率转换速率SR(7-16)作业题作业题P446 题题7.1 题题7.2 一、填空题一、填空题 1、D/A转换器是把转换器是把( )量转换为量转换为( )量的转换器。量的转换器。 2、( )和和( )是衡量是衡量D/A转换器性能转换器性能优劣的主要指标。优劣的主要指标。 (7-17)作业题作业题P446 题题7.1 题题7.2 一、填空题一、填空题 1、D/A转换器是把转换器是把(数字数字)量转换为量转换为(模拟模拟)量量的转换器。的转换器。 2、(转换

13、精度转换精度)和和(转换速度转换速度)是衡量是衡量D/A转换转换器性能优劣的主要指标。器性能优劣的主要指标。 (7-18)7.2.1 A /D 转换的一般步骤和取样定理转换的一般步骤和取样定理模拟量模拟量数字量数字量量化编码量化编码取样：取样：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：保持取样信号保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。使有充分时间将其变为数字信号。取样保持取样保持 A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。时间离散、幅值也离散的

14、数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。四个步骤：采样、保持、量化、编码。 7.2 A/D转换器转换器(7-19)奈奎斯特取样定理：奈奎斯特取样定理：设取样脉冲设取样脉冲s(t)的频率的频率为为fS，输入模拟信号，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的最高频率分量的频率为的频率为fmax，必须，必须满足满足 fs 2fmaxy(t)才可以正确的反才可以正确的反映输入信号映输入信号(从而能不从而能不失真地恢复原模拟信失真地恢复原模拟信号号)。(7-20)当满足当满足 fs 2 fimax 时时, 取样信号可恢复原信号。取样信号可恢复原信号。fs 取样频率。取样频率。 fimax 信号的最高频率

15、分量。信号的最高频率分量。 tO OuIfO O)( fAfs fimax fimaxuI tO O(7-21)二、量化和编码二、量化和编码数字量所规定的最小数量单位叫做数字量所规定的最小数量单位叫做量化单位量化单位，用，用表表示。显然，数字信号最低有效位中的示。显然，数字信号最低有效位中的1所表示的数量大所表示的数量大小，就等于小，就等于 。由于数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上由于数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必也是离散的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整数倍，这个转化过程须把它化成这个最小

16、数量单位的整数倍，这个转化过程就叫做就叫做量化量化。把量化的数值用二进制代码表示，称为把量化的数值用二进制代码表示，称为编码编码。既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被整整除，因而不可避免地会引入误差，把这种误差称为量除，因而不可避免地会引入误差，把这种误差称为量化误差。化误差。 一个一个n位二进制数只能表示位二进制数只能表示2n个量化电平个量化电平，量化过程量化过程中不可避免会产生量化误差。中不可避免会产生量化误差。量化级分得越多（量化级分得越多（n越越大），量化误差越小。大），量化误差越小。 (7-22)划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法

17、01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111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 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110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 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化误差最大量化误差

18、 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V取量化单位为取量化单位为1/8V取量化单位为取量化单位为2/15V(7-23)7.2.2 取样取样 - 保持电路保持电路一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理 当当 uL 为为高高电平：电平： T 导通，导通，Ch 充电至：充电至： uO = uI = uCRfChRiuIuOuLTRf = Ri 当当 u uL L 为为低低电平：电平：T 截止，截止，Ch 基本不放电。基本不放电。 uO 保持保持：为使为使 Ch 充电快，充电快，Ri 越越小小越越好；好；为使电路输入电阻高，为使电路输入电阻高，Ri 越越大大越越好。好。 由于

19、由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。需要把采样电压保持一段时间。 (7-24)二、改进电路二、改进电路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu u O O300 30 k D1D2S 当当uL= 1 时，时，S 接通，接通，A1、A2 组成电压跟随器，组成电压跟随器，uO = u O = uI；当；当uL= 0 时，时，S 断开，由于断开，由于A2 接成电压跟随接成电压跟随器，且输入阻抗极高，使器，且输入阻抗极高，使Ch上的电压保持不变，输出上的电压保持不变，输出电压也不变，电压也不变，uO =

20、uI 。D1 、D2的作用的作用：限制：限制 u O 在在 uI + uD以内，起保护作用以内，起保护作用。6 2145387uOuIuLChLF198(7-25)7.2.3 逐次渐进型逐次渐进型A/D转换器转换器一一 、基本工作原理电路、基本工作原理电路D/Au uI I逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器比较器比较器参考参考电源电源MSBLSBMSBLSB并行数字输出并行数字输出转换控制信号转换控制信号时钟时钟信号信号 转换开始前先将寄存器清零。开始转换后转换控制信号首先将寄存器的最高有效位置为1 使输出数字为1000 。这个数码被DA 转换器转换成相应的模拟电压uO，送到比较器中与uI相比较。若

21、uO uI，说明数字过大了故将最高位的l 清除；若uO uI ，说明数字还不够大应将这一位保留。 然后再按同样的方法把次高位置成1 ，且经过比较以后确定这个1 是否应该保留。这样逐位比较下去一直到最低位为止。比较完毕后寄存器中的状态就是所要求的数字输出。(7-26)D/Au uI I逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器比较器比较器参考参考电源电源时钟时钟信号信号MSBLSBMSBLSB并行数字输出并行数字输出转换控制信号转换控制信号10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V00011(7-27)读出控制读出控制控制逻辑控制逻辑电路电路逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器

22、比比较较器器 二、转换过程举例二、转换过程举例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC C5位环行移位寄存器位环行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2输出偏移输出偏移(7-28)Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不许不许CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1

23、065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 0(7-29)7.2.4 双积分型双积分型 A/D 转换器转换器S2CS1uI逻辑逻辑控制门控制门比较器比较器定时器定时器n 位二进制位二进制计数器计数器&dn1d0uCP基准电压基准电压 UREFR积分器积分器时钟输入时钟输入控制门控制门GCOCO1(uO0)0(uO0)输入电压输入电压 一、电路组成一、电路组成 双积分型双积分型AD转换器由积分器，比较器，时钟控制门转换器由积分器，比较器，时钟控制门G逻辑控制门和计数

24、器等部分构成。逻辑控制门和计数器等部分构成。(7-30)二、工作原理二、工作原理 1、起始状态起始状态 在积分转换开始之前，控制电路使计数器清零、电子开关在积分转换开始之前，控制电路使计数器清零、电子开关S2闭闭合，电容合，电容C放电，放电，C 放电结束后放电结束后S2再断开。再断开。 2、第一次积分（取样阶段）：第一次积分（取样阶段）：积分器对积分器对uI进行定时积分进行定时积分 转换开始（转换开始（t=0）时，控制电路使电子开关）时，控制电路使电子开关S1合向合向uI， 积分器积分器对对 uI 进行积分进行积分 。给定给定uI0 ，uO(t) 逐次比较型逐次比较型 双积分型双积分型(7-39)7.2.7 几种几种A/D转换器的性能比较转换器的性能比较一、一、A/D类型：类型：直接直接 A/D反馈比较型：反馈比较型：逐次比较型逐次比较型，计数