10数模和模数转换器

1、10数模和模数转换器在数字系统的应用中，通常要将一些被测量的物理量通过传感器送到数字系统进行加工 处理；经过处理获得的输出数据又要送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。传感器输出的模拟电信号首先要转换成数字信号，数字系统才能对模拟信号进行处理。这种模拟量到数字量的转换称为模-数(A/D)转换。处理后获得的数字量有时又需转换成模拟量，这种转 换称为数4H(D/A)变换。A/D转换器简称为 ADC和D/A转换器简称为 DAC是数字系统和 模拟系统的接口电路。一、D/A转换器D/A转换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。输入 n位数字量D (=Dn-iD1D0) 分别控制这些电子开关， 通过变换

2、网络产生与数字量各位权对应的模拟量，通过加法电路输出与数字量成比例的模拟量。1、倒T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻解码D/A转换器是目前使用最为广泛的一种形式，其电路结构如图d0 d1 d2d n-2 d n-1R2R R10.1.1 所示。R 2R图10.1.1 倒T型电阻网络D/A转换电路当输入数字信号的任何一位是“1”时，对应开关便将 2R电阻接到运放反相输入端，而当其为“ 0”时，则将电阻2R接地。由图7.2可知，按照虚短、虚断的近似计算方法，求 和放大器反相输入端的电位为虚地，所以无论开关合到那一边，都相当于接到了 “地”电位 上。在图示开关状态下，从最左侧将电阻折算到最右侧，先是

3、 2R/2R并联，电阻值为 R, 再和R串联，又是2R, 一直折算到最右侧，电阻仍为R,则可写出电流I的表达式为I VREFR只要Vref选定，电流I为常数。流过每个支路的电流从右向左， 分别为4、2、。 212223当输入的数字信号为“ 1”时，电流流向运放的反相输入端，当输入的数字信号为“0”时,电流流向地，可写出I的表达式 I z I zI 2dn 17dn 2在求和放大器的反馈电阻等于R的条件下，输出模拟电压为Uo RI R(2dn1 4dn25 d1 Ad0)Vref2n(dn-12 n-1dn-2 2 n-2d1 21d020)U0VREF(dn 1 2n 1 dn 22nd1 2

4、1d0 20)2、权电流型D/A转换器倒T型电阻变换网络虽然只有两个电阻值，有利于提高转换精度，但电子开关她非理想器件，模拟开关的压降以及各开关参数的不一致都会引起转换误差。采用恒流源权电流能克服这些缺陷，集成D/A转换器一般采用这种变换方式。图10.1.2给出了四位权电流型 D/A转换器的示意图。高位电流是低位电流的倍数，即各二进制位所对应的电流为其权乘最低位电流。vo图10.1.2权电流D/A转换器3、D/A转换器的输出方式D/A转换器大部份是数字电流转换器，实用中通常需增加输出电路， 实现电流电压变换。在变换网络中，电流是单方向的，即在0和正满度值或负满度值之间变化，是单极性的。为了能使

5、输出在正负满度值之间变化，也即双极性输出方式，也需要增加输出电路。在单极性输出方式时， 数字量采用自然二进制码表示大小，输出电路只要完成电流一电压的变换即可。双极性输出方式时，数字量是双极性数。二进制双极性数字的负数可采用：2的补码、偏移二进制码或符号数值码（符号位加数值码）。表10.1.1列出了部分四位双极性二进制码。表10.1.1部分四位双极性二进制码十进制数补码偏移码符号数值码二十进制数补码偏移码符号数值码0000010000000-11111011110011000110010001-21110011010102001010100010-311010101101130011101100

6、11-41100010011004010011000100-51011001111015010111010101-61010001011106011011100110-71001000111117011111110111-810000000注：符号数值码头1000表示（-0）由表10.1.1可见，偏移二进制码是在自然二进制码的基础上偏移而成的，四位偏移二进制码的偏移量为 1000 （8H）。因此，按自然二进制码进行D/A变换后，只要将输出模拟量也进行相应偏移（减去1000对应的模拟值）即可获双极性输出。数字量以2的补码表示时，需先将2的补码转换成偏移二进制码（2的补码加1000）,然后送D/A

7、转换器，可得双极性 输出。4、D/A转换器的主要技术指标（1）转换精度D/A转换器转换精度用分辨率和转换误差描述。分辨率分辨率是用以说明 D/A转换器在理论上可达到的精度。用于表征D/A转换器对输入微输出电压可分离的等级越多，即分辨率越DA转换器的分辨率。此外，D/A转换ULSB与最大输出电压 Um之比来表示，即小量变化的敏感程度， 显然输入数字量位数越多， 高。所以实际应用中，往往用输入数字量的位数表示 器的分辨率也定义为电路所能分辨的最小输出电压Vref八U LSB2n2UmVref (2n 1)2n分辨率越小，分辨能力越高，例如,5G7520十位上式说明，输入数字代码的位数 n越多, D

8、A转换器的分辨率为1210110.0009781023转换误差是用以说明D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用输出电压满度值的百分数表示，也可用LSB的倍数表示。例如，转换误差为【LSB,用以表示输出模拟电压的2绝对误差等于当输入数字量的 换误差又分静态误差和动态误差。LSB为1,其余各位均为 0时输出模拟电压的二分之一。转产生静态误差的原因有，基准电源的零点漂移，模拟开关导通时的内阻和压降以及电阻网络中阻值的偏差等。转换的动态过程中产生的附加误差，它是由于电路中的分布参数的影响,到达解码网络输出端的时间不同所致。VREF的不稳定，运放动态误差则是在 使各位的电压信号(2)转换速度建

9、立时间tset它是在输入数字量各位由全0变为全1,或由全1变为全0,输出电压达到某一规定值(例如最小值取 LSB或满度值的0.01%)所需要的时间。目前，在内部只含有解码网络和 模拟开关的单片集成DA转换器中，tset< 0.1 s；在内部还包含有基准电源和求和运算放大器的集成DA转换器中，最短的建立时间在1.5 s左右。D/A转换器的所有电路。AD7520十位D/A转换器属于前一类集成D/A转换器。AD7520芯片内部只含 R-2R电阻网络、AD7520时必须外接参考电源和运算放大器。 图10.1.3所示，虚框中是 AD7520内部电路。CMOS电子开关和反馈电阻(Rf=10kQ)。应

10、用由AD7520内部反馈电阻组成的 D/A转换器如转换速率Sr它是在大信号工作时，即输入数字量的各位由全0变为全1,或由全1变为0时，输出电压uo的变化率。这个参数与运算放大器的压摆率类似。(3)温度系数5、集成D/A转换器及其应用单片集成D/A转换器产品种类繁多，按其内部电路结构一般可分为两类：一类集成芯 片内部只集成了转换网络和模拟电子开关；另一类则集成了组成应用：数字式可编程增益控制电路图10.1.4 数字式可控增益运算放大器二、A/D转换器将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行

11、的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。1、采样和保持采样是将时间连续的模拟量转换为时间上离散的模拟量，即获得某此时间点(离散时间)的模拟量值。因为，进行 A/D转换需要一定的时间，在这段时间内输入值需要保持稳定， 因此，必须有保持电路维持采样所得的模拟值。采样和保持通常是通过采样-保持电路同时完成的。为使采样后的信号能够还原模拟信号，根据取样定理，采样频率fs必须大于或等于 2倍输入模拟信号的最高频率 flmax,fs> 2flmax即两次采样时间间隔不能大于1/fs,否则将失去模拟输入的某些特征。图10.1.5给出了采样-保持电路的原理图和经采样、保持后的输出波形。图中

12、采样电子 开关S受采样信号S(t)控制，定时地合上 S,对保持电容Ch充放电。因A1、A2接成电压跟 随器，此时vo=vio S打开时，保持电容 Ch因无放电回路保持采样所获得的输入电压，输出 电压亦保持不变。VOVI图10.1.5采样-保持电路及输入输出波形2、量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在转换过程中还必须把采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一过程称为数值量化，简称量化。量化过程中的最小数值单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为1,其它位为

13、0时所对应的模拟量，即 1LSB。量化过程中，采样电压不一定能被整除，因此量化后必然存在误差。这种量化前后的不等(误差)称之为量化误差，用e表示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位 缩小量化误差。量化的近似方式有：只舍不入和四舍五入两种。 只舍不入量化方式量化后的电平总是小 于或等乎量化前的电平，即量化误差£始终大于0,最大量化误差为4,即emax=1LSB。采用四舍五入量化方式时，量化误差有正有负，最大量化误差为4/2,即I e max | =LSB/2。显然，后者量化误差小，故为大多数A/D转换器所采用。量化后的电平值为量化单位的整数倍，这个整数用二进制数表示即为编码。量

14、化和编码也是同时进行的。3、A/D转换器的种类按工作原理不同，A/D转换器可以分为：直接型 A/D转换器和间接型 A/D转换器。直 接型A/D转换器可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型 和逐次比较型 A/D转换器属于这一类。而间接型A/D转换器先将模拟信号转换成中间量(如时间、频率等)，然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型 A/D转换器 则属于间接型A/D转换器。(1)并行比较型 A/D转换器VREFUiCP(22)(MSB)D2(21)Di(20)(LSB)Do图7.7三位并行A/D转换器3位并行比较型 A/D转换器原理电路如图 10.1.5所示

15、。它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。 图中的八个电阻将参考电压 VREF分成八个等级，其中七个等级的电 压分别作为七个比较器 C1C7的参考电压，其数值分别为 VREF/15、3VREF/15、13VREF/15。输入电压为uI,它的大小决定各比较器的输出状态，例如，当 0 < ulv (VREF/15)时，C1C7 的输出状态都为 0;当(3VREF/15) vulv (5VREF/15) 时，比较器C1和C2的输出C01=C02=1,其余各比较器输出状态都为 0。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，C

16、P作用后，触发器的输出状态 Q7 Q1与对应的比较器的输出状态 C07 C01 相同。经代码转换网络（优先编码器）输出数字量D2D1D0。优先编码器优先级别最高是 Q7, 最低是Q1。设uI变化范围是0VREF ,输出3位数字量为D2、D1、D0, 3位并行比较型 A/D转换 器的输入、输出关系如表 10.1.2所示。通过观察此表，可确定代码转换网络输出、输入之间 的逻辑关系D2=Q4Di=Q6 Q4Q2Do Q7 QQ5 Q4Q3 Q2Q1在并行AD转换器中，输入电压uI同时加到所有比较器的输出端，从uI加入经比较器、D触发器和编码器的延迟后，可得到稳定的输出。 如不考虑上述器件的延迟，可认

17、为输出的数字量是与uI输入时刻同时获得的。并行 A/D转换器的优点是转换时间短，可小到几十纳 秒，但所用的元器件较多，如一个n位转换器，所用的比较器的个数为2n 1个。表10.1.2并行比较型AD转换器的输入输出关系模拟量输出比较器输出状态数字输出C07 C06 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1D2DiDo0< ui<Vref/150 0 0 0 0 0 0000Vref/150 ui<3Vref/150 0 0 0 0 0 10013Vref/15< ui<5Vref/150 0 0 0 0 1 10105Vref/15< ui<7Vref/1

18、50 0 0 0 11 10117Vref/15< ui<9Vref/150 0 0 1 11 11009Vref/15< ui<11Vref/150 0 1111110111 Vref/15 < ui<13Vref/150 11111111013Vref/15 < ui<Vref1111111111单片集成并行比较型 AD转换器产品很多， 如AD司的AD9012 （8位）、AD9002（8位） 和 AD9020 （10 位）等。（2）逐次比较型 A/D转换器逐次逼近型A/D转换器属于直接型 A/D转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输 出的数

19、字代码，而不需要经过中间变量。转换过程相当于一架天平秤量物体的过程，不过这里不是加减祛码，而是通过 D/A转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电 压平衡。这些标准电压通常称为电压祛码。逐次逼近型A/D转换器由比较器、环形分配器、控制门、寄存器与D/A转换器构成。比较的过程首先是取最大的电压祛码，即寄存器最高位为1时的二进制数所对应的D/A转换器输出的模拟电压，将此模拟电压uA与uI进行比较，当uA大于uI时，最高位置0;反之，当uA小于uI时，最高位1保留，再将次高位置 1,转换为模拟量与 uI进行比较，确 定次高位1保留还是去掉。依次类推，直到最后一位比较完毕，寄存器中所存的二进

20、制数即 为uI对应的数字量。以上过程可以用图10.1.6加以说明，图中表示将模拟电压uI转换为四位二进制数的过程。图中的电压祛码依次为800mV、400mV、200mV和100mV,转换开始前先将寄存器清零，所以加给DA转换器的数字量全为 0。当转换开始时，通过 DA转换器送出一个800mV的电压祛码与输入电压比较，由于uI800mV,将800mV的电压祛码去掉，再加400mV的电压祛码，uI>400mV,于是保留400mV的电压祛码，再加 200mV的 祛码，uI >400mV+200mV , 200mV的电压祛码也保留；再加 100mV的电压祛码，因 uIv 400mV+200

21、mV+100mV ,故去掉100mV的电压祛码。最后寄存器中获得的二进制码0110,即为uI对应的二进制数。Uiuo/mV800 mV100mV400mV01200mV1图10.1.6逐次逼近型A/D转换器的逼近过程示意图逐次逼近A/D转换器的工作原理下面结合图10.1.7的逻辑图具体说明逐次比较的过程。这是一个输出3位二进制数码的逐次逼近型 A/D转换器。图中的 C为电压比较器，当Ui UA时，比较器的输出 Ub 0 , 当ui UA时UB 1。fa、fb和FC三个触发器组成了 3位数码寄存器，触发器 F1F5构 成环形分配器和门 G1G9 一起组成控制逻辑电路。转换开始 前先将 FA、FB

22、、FC置零，同时将 F1F5组成的环型 移位寄 存器置 成 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 状态。转换控制信号UL变成高电平以后，转换开始。第一个 CP脉冲到达后，FA被置成“ 1”， 而FB、FC被置成“ 0”。这时寄存器的状态QAQBQC=100加到DA转换器的输入端上， 并在DA转换器的输出端得到相应的模拟电压UA (800mV)。UA和uI比较，其结果不外乎两种：若uI Ua，则Ub 0 ；若Ui Ua,则Ub 1。同时，移位寄存器右移一位，使 Q1Q2Q3Q4Q5=01000。第二个CP脉冲到达时FB被置成1。若原来的Ub 1 (ui Ua),则FA被置成“ 0”，此 时电压祛码为

23、400mV;若原来的Ub 0 (ui UA ),则FA的“ 1”状态保留，此时的电压 祛码为400mV加上原来的电压祛码值。同时移位寄存器右移一位，变为 00100状态。第三个CP脉冲到达时FC被置成1。若原来的Ub 1 ,则FB被置成“ 0” ；若原来的Ub 0 , 则FB的“ 1”状态保留，此时的电压祛码为200mV加上原来保留的电压祛码值。同时移位寄存器右移一位，变成00010状态。(MSB)(LSB)图10.1.7三位逐次逼近型 AD转换器逻辑图第四个CP脉冲到达时，同时根据这时 Ub的状态决定FC的“1”是否应当保留。这时 FA、FB、FC的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右

24、移一位，变为 00001状态。 由于Q5=1,于是FA、FB、FC的状态便通过门 G6、G7、G8送到了输出端。第五个CP脉冲到达后，移位寄存器右移一位，使得 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 ,返回初始 状态。同时，由于 Q5=0,门G6、G7、G8被封锁，转换输出信号随之消失。所以对于图示的 AD转换器完成一次转换的时间为 （n+2） TCP。同时为了减小量化误差， 令DA转换器的输出产生-/2的偏移量。另外，图 7.9中量化单位的大小依uI的变化范围和AD转换器的位数而定，一般取VREF/2no显然，在一定的限度内，位数越多，量化误差越小，精度越高。LoSo第n+1位计数器(MSB)(L

25、SB)CPVL图10.1.9 双积分型A/D转换器原理图（3）双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器属于间接型 A/D转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间 T;然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种 AD转换器 多称为电压-时间变换型（简称 VT型）。图10.1.10给出的是VT型双积分式AD转换器的 原理图。转换开始前，先将计数器清零，并接通So使电容C完全放电。转换开始，断开 So。整个转换过程分两阶段进行。第一阶段，令开关 Si置于输入信号 Ui一侧。积分器对 Ui进行固定时间Ti的积分。积 分结束时积分器的输出电压为：U O1T1o(Ui)dtRCU

26、i(7.4)可见积分器的输出 Uoi与Ui成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到满量程N时，计数器由全“ 1”复“0”，这个时间正好等于固定的积分时间Tio计数器复“ 0”时，同时给出一个溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号， 令开关Si转换至参考电压-Vref 一侧，采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将Uoi转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考电压-Vref的极性与Ui相反，积分器向相反方向积分。计数器由 0开始计数，经 过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关

27、闭计数门，计数器停止 计数，同时通过逻辑控制电路使开关Si与ui相接，重复第一步。如图10.1.11所示。因此得T2U RC-VREFRCT2式表明，反向积分时间 T2与输入模拟电压成正比。在T2期间计数门G2打开，标准频率为fCP的时钟通过 G2,计数器对UG计数，计数结 果为D,由于T1=NTcpT2=DTcp则计数的脉冲数为T1D1UiTCPVREFN1VREFUi计数器中的数值就是AD转换器转换后数字量，至此即完成了VT转换。若输入电压Ui1<Ui, UO1<UO1,则T2T2 ,它们之间也都满足固定的比例关系，如图10.1.11所示。, tOCPo图10.1.11双积分AD转换器波形图Uo1UO1* t双积分型A/D转换器若与逐次逼近型 A/D转换器相比较，因有积分器的存在，积分器 的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；由式以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等， 计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对 RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。双积 分型A/D转换器属于低速型 AD转换器，一次转换时间在12ms,而逐次比较型 A/D转换器可达到1 s。不过在工业控