第八章 数-模和模-数转换

1、五邑大学五邑大学第八章第八章数数- -模和模模和模- -数转换数转换概述概述1D/A转换的基本原理转换的基本原理2A/D转换的基本原理转换的基本原理3五邑大学五邑大学思思 考考 题题1为什么要为什么要进行进行A/D和和D/A转转换换2D/A转换转换的原理和的原理和主要参数主要参数3A/D转换转换的原理和的原理和主要参数主要参数五邑大学五邑大学8.1 概述概述模拟信号是表示模拟量的信号，模拟量是在模拟信号是表示模拟量的信号，模拟量是在时间时间和和数值数值上都是上都是连续连续的的物理量。的的物理量。数字信号是表示数字量的信号，数字量是在数字信号是表示数字量的信号，数字量是在时间时间和和数值数值上都

2、是上都是离散离散的。实现数字信号的产生、传输和的。实现数字信号的产生、传输和处理的电路称为数字电路。处理的电路称为数字电路。数字信号与模拟信号可以相互转换。（数字信号与模拟信号可以相互转换。（A/D与与D/A）五邑大学五邑大学一、用途及要求一、用途及要求传感器放大器A/D转换转换微型计算机微型计算机控制对象D/A转换转换温度时间电加热炉热电偶执行机构8.1 概述概述五邑大学五邑大学二、分类二、分类8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理按解码网络按解码网络权电阻网络权电阻网络DAC R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 权电流型网络权电流型网络DAC T型电阻网络型电阻网络DAC按电子

3、开按电子开关类型关类型CMOS开关型开关型DAC（速度低）（速度低） 电流开关型电流开关型DAC（速度高）（速度高） ECL电流开关型电流开关型DAC （速度最高）（速度最高）双极型双极型DAC （速度高）（速度高）DAC0808、DAC0807 CB7520、DAC0832 五邑大学五邑大学 对于有权码，先将每位代码对于有权码，先将每位代码按其权的大小按其权的大小转换成相应的转换成相应的模拟量，然后模拟量，然后相加相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字从而实现数字/ /模拟转换。模拟转换。D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出0123456

4、7001010011100101110111vo/VD0008.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 图是图是4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是由权电阻网转换器的原理图，它是由权电阻网络、络、4个电子模拟开关和个电子模拟开关和1个求和放大器组成。个求和放大器组成。权电阻网络模拟开关求和放大器8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学（1）S3S0:为电子开关为电子开关，其状态受输入数码，其状态受输入数码d3d0的取值控制。当的取值控制。当di1时开关接到参考电压时开关接到参考电压VREF上，有支路电流上，有支路电流Ii流流向求和放

5、大器；当向求和放大器；当di0时开关接地，支路电流时开关接地，支路电流Ii为零。为零。RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流：图图8.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学（2）求和放大器）求和放大器A：为一个接成负反馈的为一个接成负反馈的理想运算放大器。即理想运算放大器。即：AV，iI0，Ro0。由于负反馈，存。由于负反馈，存在在虚短和虚断，即虚短和虚断，即VV0， iI0。（3）VREF：基准电压基准电压图图8.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学2.输出电压的计算：输

6、出电压的计算：)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0，故各电流为故各电流为001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF，输出电压为输出电压为图图8.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学取取RFR / 2，则输出电压为，则输出电压为)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo图图11.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量上式标明，输

7、出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。成正比。的最大变化范围是故输出电压时，当时，当REFnnREFnnVVvv2120,2121111D; 00000D0n0n 注：注：1.若若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将出电压为正值，可以将VREF取负值。取负值。)2222(2001122334ddddVvREFo2. 此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。

8、越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学解：解：输出电压值为输出电压值为图图11.2.2在下图权电阻网络在下图权电阻网络D/A转换器中，若取转换器中，若取VREF=10V，试，试求当输入数字量为求当输入数字量为d3d2d1d0=1010时输出电压的大小？时输出电压的大小？VddddVvREFo25. 6)02120212(210)2222(2012340011223348.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 为了克服权电阻网络为了克服权电阻网络D/A转换器

9、电阻阻值相差太大转换器电阻阻值相差太大的缺点，改进电路为倒的缺点，改进电路为倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，如图转换器，如图所示。所示。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 根据根据“虚虚短短”“”“虚地虚地”，有，有VV，无论开关打在无论开关打在哪一面，流过每个支哪一面，流过每个支路的电流始终不变。路的电流始终不变。故可等效成图所示电故可等效成图所示电路。路。RRRR8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学则总的电流为则总的电流为RRRR图图11.2.5)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端

10、时，流入时，RVIREF8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学由于由于故故输出电压为输出电压为DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdiRVIREF8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学解：解：输出电压值为输出电压值为P206：8-5在下图倒在下图倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器中，若取转换器中，若取VREF=5V，R=1k试求当输入数字量为试求当输入数字量为d3d2d1d0=0101时输出时输出电压的大小？并计算各个电流与输入数字量之间的关系。电压的大

11、小？并计算各个电流与输入数字量之间的关系。VddddVvREFo5625. 1) 12021202(25)2222(2012340011223348.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 )16()8()4()2(0123IdIdIdIdi五邑大学五邑大学引脚图引脚图 DAC0832是采用是采用CMOS工艺制成的单工艺制成的单片直流输出型片直流输出型8位数位数/模转换器。单电源供模转换器。单电源供电，从电，从+5+l5V均可正常工作。基准电压均可正常工作。基准电压的范围为的范围为10V，电流建立时间为，电流建立时间为ls，低，低功耗功耗20mW。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本

12、原理 五邑大学五邑大学1.转换精度转换精度 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率分辨率用于表示分辨率用于表示D/A转换器转换器对输入微小量变化对输入微小量变化敏感程度敏感程度的，定义为的，定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从级数，从0000到到1111全部全部2n个不同的状态，给出个不同的状态，给出2n个不个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往用所以在实际应用中，往往用输入数字量的位数输入数字量的位数表示表示D/A转换转换器的分辨

13、率。器的分辨率。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 121)212()22(A/D0nREFnnnREFVV转换器的分辨率 另外也用另外也用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率，即电压之比表示分辨率，即如如10位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为001. 01023112110五邑大学五邑大学（2）转换误差）转换误差（实际精度）（实际精度）: 由于由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如和理论值存在着差异，如基准电压不够稳定基准电压不够稳定、运算放大器的运算放大器的零点漂移

14、零点漂移、模拟开关的导通内阻、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等等因素，都会使得实际精三极管特性不一致等等因素，都会使得实际精度与转换误差有关系。度与转换误差有关系。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标，它表示实际的性的指标，它表示实际的D/A转换器特性和理论转换特转换器特性和理论转换特性之间的最大偏差，如图性之间的最大偏差，如图11.2.16所示所示图图11.2.16 *转换误差一般用转换误

15、差一般用最最低有效位的倍数低有效位的倍数表示，表示，如如1LSB，即为输出的模，即为输出的模拟电压和理论值之间的拟电压和理论值之间的绝对误差小于等于绝对误差小于等于输入输入为为0001时的输出电压。时的输出电压。有时也用绝对误差与输有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数出电压满刻度的百分数来表示来表示8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.转换速度转换速度（2）转换速率（转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的在大信号工作状态下模拟电压的变化率。变化率。（1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时

16、，输出当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。电压变化到相应稳定电压值所需时间。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学一一A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为： 取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（ t）vI（ t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 所以所以A/D转换过程是

17、首先对输入模拟电压信号进行转换过程是首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。定的编码形式给出转换结果。 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。散的模拟量。 图为对某个输入信号图为对某个输入信号进行采样的波形。其中进行采样的波形。其中vs为为取样信号，取样信号，vI 表示输入的表示输入的模拟信号。模拟信号。8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样为了使得取样信号能逼近输

18、入模拟信号，则取样信号应该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取信号应该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。 若若fs为取样信号的频率，为取样信号的频率， fi（max）为输入模拟信号为输入模拟信号的最高频率分量的频率，则它们必须满足的最高频率分量的频率，则它们必须满足(max)2isff 一般取一般取(max)53(isff 注：在取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号时都需要注：在取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号时都需要一定的时间一定的时间,而且为了给后续的量化编码提供一个稳定值，则每而且为了给后续

19、的量化编码提供一个稳定值，则每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样和保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。和保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。最小数量单位的整数倍。将采样电压表示为最小数量将采样电压表示为最小数量单位（单位（）的整数倍，称为量化）的整数

20、倍，称为量化。所取得最小数量单位。所取得最小数量单位叫做量化单位，用表示，它是数字信号最低位叫做量化单位，用表示，它是数字信号最低位（LSB）为）为1,其它位为其它位为0时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1LSB。如图如图11.2.3所示所示8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学 将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是也是A/D转换器的输出数字量。转换器的输出

21、数字量。 由于模拟电压是连续的，那么不可能所有的电压由于模拟电压是连续的，那么不可能所有的电压都能被量化单位整除，所以量化过程不可避免地会都能被量化单位整除，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误差就叫做引入误差，这种误差就叫做量化误差量化误差。量化误差属于。量化误差属于原理性误差，无法消除。原理性误差，无法消除。A/D转换器的位数越多，各转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。2.编码：编码：8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学8.2.2 8.2.2 不同类型不同类型ADCADC的特点的特点 模数转

22、换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接接ADC和直接和直接ADC。1. 1.间接间接ADC ADC 先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用是双积分型量转换成数字量，常用是双积分型ADC。 双积分型双积分型ADCADC： 先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（隔内，用计数器对标准时

23、钟脉冲（CLK）计数，计数器输）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。出的计数结果就是对应的数字量。特点：特点：工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作点是工作速度低速度低。 常用的集成芯片有常用的集成芯片有CB7106CB7127 8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学2.2.直接直接ADC ADC 直接直接ADC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较型并联比较型ADC和逐次逼近型和逐次逼近型ADC 。 并联比较型并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码同时

24、并行产生，采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。n位位输出的输出的ADC，需要，需要2n个电阻、（个电阻、（2n1）个比较器和）个比较器和D触发器，以及复杂的触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适适用于要求用于要求高速、低分辩率高速、低分辩率的场合。的场合。 并联比较型并联比较型ADC ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC的比

25、较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次每次转换都要逐位比较，需要（转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型联比较型ADC 的转换速度慢，比双分积型的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于要快得多，属于中速中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成所以它是集成ADC中，应用较广的一种。中，应用较

26、广的一种。 常用的集成芯片有常用的集成芯片有ADC0804ADC0809 8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学并联比较型并联比较型A/D转换器转换器图为并联比较型图为并联比较型A/D转换器的电路结构图转换器的电路结构图. 并联比较并联比较型型A/D转换器是转换器是由电压比较器、由电压比较器、寄存器和代码寄存器和代码转换电路三部转换电路三部分组成。分组成。图图8.3.68.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器工作原理：工作原理： 逐次渐近就如称重逐次渐近就如称重物，如物，如13g的重物，有的重物，有砝码砝码

27、8g、4g、2g、1g。比较过程如表所示比较过程如表所示次就够了只要比较 n8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图所示。转换器的工作原理框图如图所示。它由比较器它由比较器C、D/A转换器、寄存器、时转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑钟脉冲源和控制逻辑等。等。工作原理：工作原理：a.逐次渐近寄存逐次渐近寄存器清零；器清零；b. 先设寄存器状态为最高位为先设寄存器状态为最高位为1,其他位为其他位为0（如（如4位位A/D转转换器为换器为1000），经过），经过D/A转换器后，送到比较器比较。转换器后，送到比较器比较。8.3

28、 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学若若vo vI ，则去掉，则去掉这个这个1;若若vo vI ，则保留这个则保留这个1.然后然后再将次高位设置成再将次高位设置成1,再进行比较，逐再进行比较，逐位比较下去，直到位比较下去，直到最低位为止。这是最低位为止。这是寄存器所存的数码寄存器所存的数码即为输出的数字量即为输出的数字量。特点：电路不太复杂，速度较快特点：电路不太复杂，速度较快8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学ADC0809ADC0809引脚及使用说明引脚及使用说明 ADC0809采样频率为采样频率为8位，以位，以CMOS集成工艺制成。单个集

29、成工艺制成。单个5V电源供电，模拟输入电压范围电源供电，模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻，不需零点和满刻度校准，输出电压范围为度校准，输出电压范围为05V，转换时间为，转换时间为100s。功耗低，。功耗低，约为约为15mW 。管脚图管脚图8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学ADC0809ADC0809的典型应用的典型应用8通道数据采集系统通道数据采集系统8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 五邑大学五邑大学A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。分辨率愈高。1. 转换精度转