数电 第十一章 数模和模数转换改

1、11.1 概述概述11.2 D/A 变换器变换器11.3 A/D 变换器变换器第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 数数-模与模模与模-数转换器是计算机与外部设备的重要数转换器是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 能将数字量转换为模拟量的装置称为能将数字量转换为模拟量的装置称为数数-模转换模转换器器( 简称简称D/A转换器转换器 )；能将模拟量转换为数字量的装；能将模拟量转换为数字量的装置称为置称为模模-数转换器数转换器( 简称简称A/D转换器转换器 )。模模-数转换：数转换：A/D转换器转换器A

2、DC数数-模转换：模转换：D/A转换器转换器DAC转换精度：保证准确性转换精度：保证准确性转换速度：保证速度性转换速度：保证速度性权电阻网络型权电阻网络型倒倒T型电阻网络型型电阻网络型权电流型权电流型直接直接A/D转换器转换器间接间接A/D转换器转换器D/AD/A转换器转换器A/DA/D转换器转换器 由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权权”，因此，因此为为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权权”转转换换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加

3、即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的转换器的基本思想基本思想。11.2.1 权电阻网络权电阻网络 D/A转转换器换器MSB：最高位：最高位 LSB：最低位：最低位0121.ddddDnnn 1 1、权电阻网络、权电阻网络 D/A D/A 转换器转换器0123IIIIi 00112233303122130222222222 ddddRVdRVdRVdRVdRVREFREFREFREFREF 00112233422222 ddddVREF20RRRivFF 取取推广：对于推广：对于 n 位的权电阻网络位的权电阻网络 D/A 转换器：转换器：

4、00112211122.222 ddddRVinnnnnREF nnREFnnnnnREFDVddddV222.22200112211 输出的模拟电压输出的模拟电压 正比于输入的数字信号正比于输入的数字信号 。0vnD优点优点：结构比较简单，所用的电阻元件数很少。：结构比较简单，所用的电阻元件数很少。缺点缺点：各个电阻的阻值相差很大。：各个电阻的阻值相差很大。Riv 2102、双级权电阻网络、双级权电阻网络 D/A 转换器转换器 001166778022.222 ddddVvREFnREFDV82 RRS8 取取11.2.2 倒倒 T 型电阻网络型电阻网络 D/A 转换器转换器 0011223

5、3401232222216842 ddddVdIdIdIdIRREFRVIREF 从参考电压输入端流进的总电流是固定不变的：从参考电压输入端流进的总电流是固定不变的：图图11.2.4 计算倒计算倒T型型电阻网络支路电流的等效电电阻网络支路电流的等效电路路Riv 0图图11.2.6 CB7520中的中的CMOS模拟开关电路模拟开关电路图图11.2.5 CB7520（AD7520）的电路原理）的电路原理图图11.2.3 权电流型权电流型 D/A 转换器转换器 问题：模拟开关都存在一定的导通电阻和导通压降，而问题：模拟开关都存在一定的导通电阻和导通压降，而 且每个开关的情况又不完全相同。将引起转换误

6、且每个开关的情况又不完全相同。将引起转换误 差，并影响转换精度。差，并影响转换精度。一、权电流型一、权电流型 D/A 转换器转换器电流大小近似为电流大小近似为:输出电压为输出电压为:图图11.2.8 权电流权电流型型D/A转换器中的恒流转换器中的恒流源源二、利用倒二、利用倒 T 型电阻网络的权电流型型电阻网络的权电流型 D/A 转换器转换器RRTARR,1组成了基准电流发生电路。组成了基准电流发生电路。图图11.2.9 利用倒利用倒T型型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型D/A 转换器转换器IRVIRREFREF OFiRv 0 44001122334012322222216842DRVRd

7、dddRVRdIdIdIdIRRREFFRREFFF 推广：对于推广：对于 n 位的二进制数码位的二进制数码三、集成块三、集成块 DAC0808正电源输入端正电源输入端 负电源输入端负电源输入端供外接补偿电容之用。供外接补偿电容之用。求和电流的输出端。求和电流的输出端。8位数字量的输入端。位数字量的输入端。基础电流发生电基础电流发生电路中路中运放的反相运放的反相输入端输入端同相输入端同相输入端图图11.2.11 DAC0808的典型应用的典型应用nRnREFFDRVRv20 11.2.6 具有双极性输出的具有双极性输出的 D/A 转换器转换器 把输入的正、负数的补码分别转换成正、负极性的模拟电

8、压。把输入的正、负数的补码分别转换成正、负极性的模拟电压。不考虑符号时：不考虑符号时：02REFnnVvD图图11.2.15 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的 D/A 转换器转换器RVIRVREFBB22 100 nD使使00 v1、增设了由、增设了由 和和 组成的偏移电路组成的偏移电路BVBR2、补码的符号位求反、补码的符号位求反11.2.5 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1、分辨率、分辨率一、一、D/A 转换器的转换精度转换器的转换精度分辨率用输入二进制数码的位数分辨率用输入二进制数码的位数 n 给出。给出。2、转换误差（线性误差）、转换误差（线性误差

9、） 用最低有效位的倍数表示（用最低有效位的倍数表示（LSB）121 n用用D/A转换器能分辨出来最小输出电压与最大输出电转换器能分辨出来最小输出电压与最大输出电 压之比给出分辨率：压之比给出分辨率：3、造成、造成 D/A 转换器转换器 转换误差的原因转换误差的原因 ：参考电压：参考电压 的波动的波动REFV1Ov ：运算放大器的零点漂移：运算放大器的零点漂移2Ov ：模拟开关的导通内阻：模拟开关的导通内阻 和导通压降和导通压降3Ov ：电阻网络中电阻阻值的偏差：电阻网络中电阻阻值的偏差4Ov D/A转换器的转换特性曲线转换器的转换特性曲线总误差：总误差：4321OOOOOvvvvv nnREF

10、ODVv2例例11.2.1 在图在图11.2.5 的倒的倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器中转换器中,外接参考外接参考电电 压压 .为保证为保证 偏离标准值引起的误差小偏离标准值引起的误差小于于 ,试计算试计算 的相对稳定度应取多少的相对稳定度应取多少.REFVVVREF10REFVLSB2110221REFOVv 的相对稳定度为：的相对稳定度为：REFV001105. 021 REFREFVV解：只有解：只有 LSB=1 而其余各位均为而其余各位均为0 时的输出电压为：时的输出电压为：nREFnnnnnREFOVddddVv222.22200112211故与故与 相对应的输出电压绝对值

11、为相对应的输出电压绝对值为LSB2112221 nREFnREFVV101012OREFvDV由于由于 VREF 变化变化 ，所引起的输出变化，所引起的输出变化REFV 1110102122REFREFVV 允许参考电压的变化量为：允许参考电压的变化量为：mVVVREFREF51222101011 输入数字量最大时输入数字量最大时 最大：最大：Ov REFOVv 1010212二、二、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度 建立时间建立时间sett 从输入的数字量发生从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差进入与稳态值相差范围内的这段时间，称为范围内的这段

12、时间，称为建立时间建立时间 。settLSB21 图图11.2.20 D/A转换器转换器的建立时间的建立时间注注 ：一般产品说明给出的时间是输入全：一般产品说明给出的时间是输入全0变为全变为全1的建立时间的建立时间 A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量，它是模拟转换器的任务是将模拟量转换成数字量，它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。11.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理 在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样取样，取样结束后进入取样结束后进入保持保持时间，在这段时间内将取

13、样的时间，在这段时间内将取样的电压电压量化量化为数字量，并按一定的为数字量，并按一定的编码编码形式给出转换形式给出转换结果。结果。max2isff ：为采样频率，：为采样频率， ：为模拟信号：为模拟信号 最高最高频率分量的频率。频率分量的频率。sfmaxifIv对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样 由于工作速度的要求，由于工作速度的要求，通常取：通常取：max)53(isff 1、量化、量化： 采样电压化为某个规定的最小数量单位的整数倍。采样电压化为某个规定的最小数量单位的整数倍。这个转化过程叫做量化。这个转化过程叫做量化。2、编码、编码： 把量化的结果用代码表示出来。把量化的结果用代码表

14、示出来。所取的最小数量单位叫做量化单位，用所取的最小数量单位叫做量化单位，用 表示表示。 由于模拟电压是连续的，不一定能被由于模拟电压是连续的，不一定能被 整除，所以量整除，所以量化过程不可避免地会引入误差。这种误差称为量化误差。化过程不可避免地会引入误差。这种误差称为量化误差。 3、量化误差：、量化误差：4、划分量化电平的两种方法：、划分量化电平的两种方法：方法一：方法一：取取V81 则有：则有：1117187.001182810000810 VVV量化误差为量化误差为V81 方法二：方法二：取取V152 将每个二进制代码所将每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为代表的模拟电压值规定为它所对

15、应的模拟电压范围它所对应的模拟电压范围的的中点中点。最大量化误差为最大量化误差为V15121 11.3.2 采样采样保持电路保持电路1 1、当采样、当采样 为高电平时，为高电平时，T T 导通导通LvICORRvvvf 1对电容对电容 CH 充电充电2、当、当 返回低电平后，返回低电平后， T T 截止截止LvIOvv 3、因为不能指望用减小电阻的办法提高采样速度，、因为不能指望用减小电阻的办法提高采样速度，所以不实用所以不实用CvCH 上电压保持不变上电压保持不变 一、基本形式一、基本形式二、集成采样二、集成采样保持电路保持电路 LF1981、采样：、采样： 时，时，S 闭合闭合1 LvIO

16、Ovvv 电容电压的稳态值是电容电压的稳态值是 。Iv2、采样结束时、采样结束时 回到低电平回到低电平 上电压基本不变上电压基本不变LvHC失调调整输入端失调调整输入端 ：调整输出：调整输出电压的零点，使电压的零点，使 时时OSV00 OIvvL：控制：控制 S 状态的逻辑单元状态的逻辑单元THREFLVVv S 接通接通THREFLVVv S 断断开开3、 D1、 D2 的作用的作用 在在S闭合情况下，闭合情况下， ，D1 和和 D2 都不导通。都不导通。IOvv 比比 vO 所保持的电压高出所保持的电压高出 VD1 时，时，D1 导通，导通， 被钳位于被钳位于 vI+VD1OvOv比比 v

17、O 所保持的电压低所保持的电压低 VD2 时，时，D2 导通，导通， 被钳位于被钳位于 vI-VD2OvOv 在在 S 再次闭合以前的这段时间里如果再次闭合以前的这段时间里如果 vI 变化了，则变化了，则 D1和和 D2 组成保护电路，防止开关电路承受过高电压。组成保护电路，防止开关电路承受过高电压。一、并联比较型一、并联比较型 A/D 转换器转换器11.3.3 直接直接 A/D转换器转换器 输入为采输入为采样保持电路的输样保持电路的输出模拟信号：出模拟信号：iV012ddd 输出为三输出为三位二值代码：位二值代码：代码转换器的真值代码转换器的真值表表12345670246142QQQQQQQ

18、dQQQdQd 1、转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细，精度越高。、转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细，精度越高。CP一级触发器的翻转时间一级触发器的翻转时间三级门电路的传输延迟时间三级门电路的传输延迟时间 3、缺点：需很多触发器和比较器、缺点：需很多触发器和比较器 输出输出 n 位位 用用 个比较器。个比较器。12 n讨论讨论2、最大优点、最大优点：转换速度快转换速度快 另外，不用附加取样另外，不用附加取样-保持电路，因为比较器和寄存器保持电路，因为比较器和寄存器这两部分也兼有取样这两部分也兼有取样-保持功能。保持功能。二、反馈比较型二、反馈比较型 A/D 转换器转换器 基本

19、思想：基本思想：取一个取一个数字量加到数字量加到 D/A 转换器上，转换器上，得到得到一个对应的输出一个对应的输出模拟电压模拟电压。将这个模拟电压和。将这个模拟电压和输输入的模拟电压相比较入的模拟电压相比较。如果。如果两者不相等两者不相等，则调整，则调整所取的所取的数字量数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。所取的这个数字量就是所求的转换结果。 1、计数型、计数型 A/D 转换器转换器清零，令清零，令 vL=0 。 vL 下降沿到来时，计数器输出的数字量置入输出寄存器中。下降沿到来时，计数器输出的数字量置入输出寄存器中。当当

20、vO= vI 时，计数器中所存的数字就是欲求的输出数字信号。时，计数器中所存的数字就是欲求的输出数字信号。 vL=1 开始转换。开始转换。缺点：转换时间太长。缺点：转换时间太长。优点：电路简单，直观。优点：电路简单，直观。 输出为输出为n 位二进制代码，最长转换时间为位二进制代码，最长转换时间为 2n-1 倍时钟信号周期。倍时钟信号周期。2、逐次渐近型、逐次渐近型 A/D转换器转换器转换开始前，转换开始前，先将寄存器先将寄存器清零。清零。 vL=1 ： 开始转换。开始转换。再让次高位置再让次高位置 1 ，. . .首先将寄存器的最高位置成首先将寄存器的最高位置成 1若若 vOvI ，将这个，将

21、这个 1 清除。清除。若若 vOvI ，将这个，将这个 1 保留。保留。01000000转换转换开始前开始前: vL=03 位逐次渐进型位逐次渐进型 A/D 转换器的电路原理图转换器的电路原理图环形计环形计数器数器111000000转换控制信号转换控制信号 vL 变成高电平以后，转换开始。变成高电平以后，转换开始。第一个第一个CP：100001nQ001CBAFFFFFF1？10100100第二个第二个CP：000011nQ010110CBBBAFFFFvvFF确定置留1确确定定01？01001第三个第三个CP：000101nQ10110CBBBAFFvvFFFF确定置留确定1确确定定0确确定

22、定1000？1第四个第四个CP：001001nQ确定置留确定确定0110BBCBAvvFFFFFF第五个第五个CP:100001010001nQ封锁87650GGGQ 11.3.4 间接间接 A/D 转换器转换器 V T 变换型变换型 A/D 转换器（电压转换器（电压时间变换型）：时间变换型）：先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。 V F 变换型

23、变换型 A/D 转换器（电压转换器（电压频率变换型）：频率变换型）：先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定时间间隔里对得到的频率信号计数，所得然后在一个固定时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。到的计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。一、双积分型一、双积分型 A/D 转换器转换器 计数器清零，计数器清零，接通接通 ，电容放电，电容放电0Lv0s 开始转换，将开始转换，将 合合到输入电压到输入电压 ， 固定时间固定时间 T1 内积分的结果内积分的结果1Lv1sIvIT

24、IOvRCTdtRvCv1011 01102 ITREFOvRCTdtRVCvIREFvVTT12 在在 T2 内对固定频内对固定频率率 fC 的时钟脉冲计数的时钟脉冲计数 IREFCCvVTTTTD12 若若 T1=NTC IREFvVND 将将 转置参考电压转置参考电压 ， 反向积分的结果至反向积分的结果至 vO=0 所用所用时间为时间为 T2 1sREFV双积分型双积分型 A/D 转换器的控制逻辑电路转换器的控制逻辑电路 ，计数器、，计数器、FFA清零，清零， 接通，电容充分放电接通，电容充分放电0Lv0s 开始转换，将开始转换，将 合到输入电压合到输入电压 ， 固定时间固定时间 T1 内内积分的结果积分的结果1Lv1sIvIOvRCTv110门打开，计数开始门打开，计数开始双积分型双积分型 A/D 转换器的控制逻辑电路转换器的控制逻辑电路00门门 封锁，转换结束封锁，转换结束 计满计满2n个脉冲以后，触发器全部