第8章数模转换器与模数转换器

1、新编新编21世纪高等职业教育信息类规划教材世纪高等职业教育信息类规划教材数字电路电子教案主主 编编 徐新艳徐新艳第第8章章 数模转换器与模数转换器数模转换器与模数转换器l学习目标学习目标l1理解数理解数/模转换、模模转换、模/数转换的基本概念。数转换的基本概念。l2熟悉倒熟悉倒T形电阻网络数形电阻网络数/模转换器的电路形式，理模转换器的电路形式，理解其工作原理。解其工作原理。l3熟悉模熟悉模/数转换器的组成，每一部分的作用，理解数转换器的组成，每一部分的作用，理解其工作原理。其工作原理。l4能通过查阅集成电路手册，识读典型的集成数能通过查阅集成电路手册，识读典型的集成数/模模转换器和模转换器和

2、模/数转换器的引脚功能，并会使用。数转换器的引脚功能，并会使用。l5能用数字电压表检查集成数能用数字电压表检查集成数/模转换器和模模转换器和模/数转数转换器的转换特性。换器的转换特性。第第8章章 数模转换器与模数转换器数模转换器与模数转换器l8.1 DAC 8.1.1 D/A转换基本原理转换基本原理 8.1.2 DAC 8.1.3 DAC主要参数主要参数l8.2 ADC 8.2.1 A/D转换基本原理转换基本原理 8.2.2 ADC主要参数主要参数 8.2.3 ADC第第8章章 数模转换器与模数转换器数模转换器与模数转换器l将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换，完成模数转换的电路称为模数

3、转换器，简记为ADC。l将数字信号转换成模拟信号的过程称为数模转换，完成数模转换的电路称为数模转换器，简记为DAC。第第8章章 数模转换器与模数转换器数模转换器与模数转换器ADC与与DAC在工业控制系统中的作用举例。在工业控制系统中的作用举例。 传感器传感器模拟信号模拟信号ADC数字信号数字信号数字系统数字系统数字信号数字信号DAC模拟信号模拟信号执行机构执行机构非电模拟量非电模拟量8.1 DAC l8.1.1 D/A转换基本原理数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表示数值为“8”；第三位代码权是22，代码“0”表

4、示这一位没有数；第二位代码权是21，代码“1”表示数值为“2”；第一位代码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十进制数是8140211010。可见，数模转换只要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量，然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。 l8.1.1 D/A转换基本原理图示是一个k位DAC框图。首先将输入数字量存入输入寄存器，然后由寄存器输出控制模拟开关，模拟开关将根据寄存器输出各位取值，将译码网络相应部分接参考电压源（也称基准电压源）VREF或接地，产生与各位数值成正比的电流或电压，最后求和放大器将所有电流或电压相加放大，即得转换后的模拟电压输

5、出。这种转换器由于是将数字量的各位代码同时转换，所以又称为并行数模转换器。输入寄存器数字量输入k位k位模拟开关参考电压源VREF译码网络求和放大器模拟电压输出8.1 DAC l8.1.1 D/A转换基本原理数模转换器输出电压uo与输入数字量N之间的一般关系式为uo N 式中， 是与电路有关的比例常数；N表示k位二进制数，即102kiiidN8.1 DAC l8.1.1 D/A转换基本原理例如，3位二进制数模转换器的N值变化范围是0（231），若1V，可求得输出电压uo变化范围是07V。 8.1 DAC uo/V75643210010010011100101110111输入数字量输入数字量N3位

6、位DACuo输入数字量输入数字量N8.1 DAC l8.1.2 DAC数模转换的具体方法很多，倒T形电阻网络DAC（又称倒T形权电流DAC）是常用DAC之一。l1. 倒T形电阻网络DAC图示为4位倒T形电阻网络DAC原理电路，它由三部分组成。 o1I=uoRR3o2R3/ RI21VREFOREFiiSV高位 ( MSB )II低位 ( LSB )/162/ 22dR2R2SI2/ 4dR1R1SI2/ 8dR0R0SI2/16dOABCDI/ 8I/ 4I/ 2l1. 倒T形电阻网络DACl（1）电阻译码网络 电阻译码网络由R及2R两种电阻接成倒T形构成。由于网络两个输出端O1，O2都处于零

7、电位（O1点为虚地），所以从A、B、C任一节点向左看等效电阻都是2R，如图（b）所示，因此，基准源电流I为RVIREFo1uoRR3o2R3I21VOREFiiS高位(MSB)低位(LSB)22dR2R2S2dR1R1S2dR0R0S2dO(a)(b)3I2I1I0II=RR/RIVREFREFVII/162/22RRI2/4RRI2/8RRI2/163I2I1I0I2324ABCl1. 倒T形电阻网络DACl（1）电阻译码网络 Si（i0, 1, 2, 3）受输入数字信号di控制：di1时，Si接O1点；di0时，Si接O2点。由此得电阻网络输出电流 io1d3I3d2I2d1I1d0I0

8、将 代入，并适当变换上式得：NRVNRViREFREFo41216RVIREFo1uoRR3o2R3I21VOREFiiS高位(MSB)低位(LSB)22dR2R2S2dR1R1S2dR0R0S2dO(a)(b)3I2I1I0II=RR/RIVREFREFVII/162/22RRI2/4RRI2/8RRI2/163I2I1I0I2324ABCl1. 倒T形电阻网络DACl（2）模拟开关SiSi是能够传输电流信号的模拟开关，又称电流开关，用双极型管构成的电路如图中虚线框内所示，其中Ii（i0,1,2,3）表示权电流。输入数字信号di作用在V1基极，并与V2基极的基准电压比较。当di1时，V1导通

9、能力减弱，由于IEE为常数，相应V2导通能力加强，因此VB3下降，V3截止，而VB4升高，V4导通，权电流Ii由O1点通过V4流入电阻网络，即电阻网络接通O1点。当di0时，V1导通能力加强，相应V2导通能力减弱，使VB3升高，V3导通，而VB4下降，V4截止，权电流Ii由O2点通过V3流入电阻网络，即电阻网络接通O2点。EEi2V1CCEE2iVOORVVVVIdIRR基准电压Si1234+l1. 倒T形电阻网络DACl（3）运算放大器运算放大器的作用是将电阻网络的输出电流转换成与输入数字量成正比的模拟电压输出。输出电压uo为uoio1 R=（VREF/24）N将上式推广到k位，有 uoio

10、1 R=（VREF/2k）No1uoRR3o2R3I21VOREFiiS高位(MSB)低位(LSB)22dR2R2S2dR1R1S2dR0R0S2dO(a)(b)3I2I1I0II=RR/RIVREFREFVII/162/22RRI2/4RRI2/8RRI2/163I2I1I0I2324ABC8.1 DAC l8.1.2 DACl1. 倒T形电阻网络DACl2. 集成DAC将译码网络、模拟开关等集成在一块芯片上，再根据应用需要，附加一些功能电路，就构成具有各种特性，不同型号的集成DAC芯片。l2. 集成DAC（1）AD7524AD7524是单片CMOS 8位并行DAC，功耗20 mW，供电电压

11、5 V15 V。最大特点是参考电压极性可正可负，因而使输出电压相应改变极性。另一特点是片内有输入数据寄存器，可直接与数据总线相连。输出为电流型，要获得模拟电压输出，需要外加转换电路。符号名称说明VDD电源供电电压范围5 V15 V。DGND数字地接数字电路地，即工作电源地与数字逻辑地。O1电流输出1DAC中为“1”的各位权电流汇集输出端。当DAC各位全为1时，此电流最大；各位全为0时，此电流为0。O2电流输出2DAC中为“0”的各位权电流汇集输出端。当DAC各位全为0时，此电流最大；各位全为1时，此电流为0。RFB外接电阻端外部运算放大器反馈电阻连接端。VREF参考电压输入外接参考电压输入端，

12、取值范围10V10V。片选低电平有效。写入控制低电平有效。d0d7数据输入8路并行数据输入端。CSWR输入数据寄存器 d74567891011&12138位D/A转换器314211615 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 CS WR DGND VDD O2 O1 RFB VREF10 kl2. 集成DACl（1）AD7524AD7524实用电路如图。图（a）输出单极性，VREF取正值输出电压为负；VREF取负值输出电压为正。输出电压0V(255/256)VREF。R1、R2用来调整放大器增益。图（b）电路输出双极性电压。点经R3与VREF相连，由VREF向A2提供一与A1输出电

13、流相反的偏置电流。调整R3与R4比值，使偏置电流为A1输出电流的1/2，这样A2输出成为双极性。双极性输出时，输出电压范围为-(128/128)VREF +(127/128)VREF。如果放大器是高速运放，通常需要接补偿电容C，取值1015pF，以对放大器进行相位补偿，消除自激振荡。uoRR221O1 kO7ddddddddCSWR&EN001234567#/12345678910111213141516C+10 V+10 V10 V10 V2 kCF351VREF123467单极性模拟电压输出(a)(b)RR21 k7ddddddddCSWR&EN001234567#/123

14、45678910111213141516C+10 V6A10 V2 k5.1 kVREF1231A双极性模拟电压输出uo+10 V10 V85467RRR34510 k20 k20 kRAD7524AD752412CF35312CF35312l2. 集成DACl（2）DAC0832DAC0832是8位DAC，内部采用双缓冲寄存器，能方便地用于多个DAC同时工作，且在精度允许下，又可作12位DAC使用。它与12位D/A转换器DAC1230引脚兼容，可以互换使用。输入数据锁存器 d71314151645671918位D/A转换器1020121198 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 CS

15、WR1 DGND VDD O2 O1 RFB VREF& ILE2 WR218 XFER178位D/A寄存器3 AGND&l2. 集成DACl（2）DAC0832DAC0832为电流输出型DAC，要获得模拟电压输出需外加转换电路。如图所示是用两级运放组成的模拟电压输出电路，uo1为单极性电压，uo为双极性电压。uoDAC0832/15 k+5 V15 k7.5 k05 V5+5 VCF353CF3531212AAVREFRFBO1O2uo121l2. 集成DACl（2）DAC0832DAC0832有两级锁存功能，能实现多通道D/A同步转换输出。对于多片DAC0832要求同时进行

16、转换的系统，可使各芯片片选信号不同，由片选信号与/WR1分时将数据输入到每片输入锁存器中，而各片/XFER与/WR2接在一起，共用一组信号，在/XFER与/WR2同为低电平时，数据同一时刻由输入锁存器传送到D/A寄存器，各个D/A转换芯片同时开始转换，如图所示是两片DAC0832、同步转换输出的时序图。数据总线d0d7数据1锁存到输入锁存器(CS1)(WR1)数据1输入输入锁存器数据2输入输入锁存器数据2锁存到输入锁存器D/A寄存器锁存刷新模拟输出(WR1)WR2(XFER)ILE1(CS2)8.1 DAC l8.1.3 DAC的主要参数l1. 静态参数l（1）分辨率指输入数字量发生单位数码变

17、化时，所对应输出模拟量的变化量。因此，它反映了DAC分辨输出最小模拟电压的能力。规定分辨率用输出模拟电压最大值Uo max与最大输入码个数（2k1）之比衡量。输入数字量位数越多，分辨能力越强，分辨率越高。实际中，更常用的方法是用输入数字量位数表示分辨率。l（2）转换精度转换精度与DAC芯片的结构和接口配置电路有关。一般说来，不考虑其它数模转换误差时，DAC的分辨率即为其转换精度。8.1 DAC l8.1.3 DAC的主要参数l1. 静态参数l（3）失调误差失调误差是指输入全为0码时，模拟输出值与理论输出值的偏差。单极性DAC，模拟输出理论值为0 V；双极性DAC，理论值为负满量程值。一定温度下

18、，失调误差可通过调整措施进行补偿。有些DAC芯片设计有调零端；有些DAC无调零端，要求用户外接校正偏置电路加到运算放大器求和端以消除失调。l（4）满值误差满值误差又称增益误差，是指输入数码全1时，实际输出电压不等于满值的偏差值。满值误差可以通过调整运算放大器的反馈电阻值加以消除。8.1 DAC l8.1.3 DAC的主要参数l2. 动态参数建立时间ts是描述DAC转换速度的重要参数，一般指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内所经历的时间。DAC的译码网络、模拟开关等均非理想器件，各种寄生参量及开关延迟等都会限制转换速度。实际建立时间长短不仅与转换器本身转换速度有关，还与数字量变化大

19、小有关。输入数字从全0变到全1（或从全1到全0）时，建立时间最长，称为满量程变化建立时间。手册上给出的一般都是满量程变化建立时间。根据建立时间ts长短，DAC分为以下几种类型：低速ts100s；中速ts10100s；高速ts110s；较高速ts100ns1s；超高速ts100ns。选用DAC时，考虑的主要指标是转换速度与精度。 8.1 DAC l 8.1.4 DAC应用举例 l1波形发生器l（1）锯齿波发生器把计数器输出送给DAC，便可得到锯齿波，如图所示。计数器所计数值按时钟脉冲频率不断增加，使DAC输出一个阶梯电压，再经低通滤波器滤波，便形成线性锯齿波。待计数器计满值后，自动回到全零状态，

20、再开始下一个锯齿波。计数器DAC低通滤波器时钟8.1 DAC l8.1.4 DAC应用举例 l1波形发生器l（2）任意波形发生器把计数器计数值作为地址码送到只读存储器地址输入端，再把只读存储器读出数据送给DAC，便可得到任意形状的波形。波形形状取决于只读存储器的存储数据，改换存储不同数据的只读存储器，便可得到不同形状的波形。8.1 DAC l8.1.4 DAC应用举例 l2. 乘法器 uoio1 RF （ ui/16R ）N RF ui N 式中，RF /16R 图9-14 乘法器Vd3d0RFuod1d2N倒T形电阻网络uiREFio18.2 ADC l8.2.1 A/D转换基本原理l将模拟

21、量转换为数字量，通常分为取样、保持、量化、编码四个步骤。这些步骤往往合并进行，取样和保持用同一电路完成，量化和编码用同一电路完成。 8.2 ADC l8.2.1 A/D转换基本原理l1. 取样l取样就是对一个时间上连续变化的模拟量定时进行检测，得到一个时间上断续、幅度上连续变化的模拟量。 X111uiuS(t)O t twui tS(t)O tg TsO tu8.2 ADC l8.2.1 A/D转换基本原理l2取样与保持l为便于对取样信号量化和编码，每次取样后应在一定时间内保持取样信号不变，即电路应具有取样-保持功能。 （a）（b）X111uiuAS(t)uCCHA1A2取样保持O tuiuA

22、8.2 ADC l8.2.1 A/D转换基本原理l2取样与保持l集成取样-保持电路LF398的结构框图及典型接线图。偏置调节输入控制参考电源23456178D1D230 k300VVX1输出正电源负电源接保持电路123456781 k2 k 1 0003 000 pFuuVVS tLF398iA-+( )(b)(a)11CH458.2 ADC l8.2.1 A/D转换基本原理l3量化与编码l在保持期间uA不变，电路对uA进行量化-编码。量化就是将uA按要求划分成某个最小量化单位s的整数倍。编码就是把量化数值用二进制代码表示，这个二进制代码就是ADC输出。 量化与编码的两种方法：（1）只舍不入法

23、当0sui1s时，ui量化值取0s；当1sui2s时，ui量化值取1s；。如取s(1/8) V且采用三位二进制编码，则输入与输出代码的关系如图（a）所示。（2）有舍有入法当0sui0.5s时，ui量化值取0s；当0.5sui1.5s时，ui量化值取1s；当1.5sui2.5s时，ui量化值取2s；。此方法输入与输出代码关系见图（b）。量化输入模拟电压1 V7/8 V 6/8 V 5/8 V 4/8 V 3/8 V 2/8 V 1/8 V0 V s编码输出二进制代码111110101100011010001000（a）量化输入模拟电压1 V 13/15 V 11/15 V 9/15 V 7/15

24、 V 5/15 V 3/15 V 1/15 V0 V s编码输出二进制代码111110101100011010001000（b）8.2 ADC l8.2.2 ADC主要参数l1分辨率l分辨率又称分解度，是描述ADC转换精度的参数，习惯上用输出二进制数的位数或者BCD码的位数表示。对同一模拟电压，描述它的数字量位数越多，则量化单位越小，转换精度越高。例如ADC0809的分辨率为8位，即该转换器输出数据可用28个二进制数进行量化，分辨率为1s（手册上记作1LSB）。lBCD码输出的ADC用位数表示分辨率的方法举例说明如下：ICL7135双积分式ADC分辨率为4(1/2)位，意味着输出满度字为000

25、1 1001 1001 1001 1001BCD，对应十进制数为19 999。8.2 ADC l8.2.2 ADC主要参数l2量化误差l量化误差是由于用有限个数字量对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位的分辨率，即1LSB或1/2 LSB。提高分辨率可减少量化误差。 8.2 ADC l8.2.2 ADC主要参数l3转换时间与转换速率 转换时间定义为ADC完成一次完整转换所需要的时间，即从输入端加入信号到输出端出现相应数码的时间。 转换速率是转换时间的倒数。l目前转换时间最短的为全并行式，用双极型或CMOS工艺制作的高速型转换时间为550 ns，即速率达202

26、00 MHz。其次是逐次比较式，若采用双极型制造工艺，转换时间达到0.4 s，即速率为2.5 MHz。lADC按转换时间分类：转换时间在20300 s的为中速型；大于300 s的为低速型；小于20 s的为高速型。8.2 ADC l8.2.3 ADCA/D转换的方法主要有并行比较型、逐次逼近型和双积分型。l1并行比较型ADC图示是3位并行比较型ADC。图中，参考电压VREF经 电 阻 分 压 器 形 成 七 个 比 较 电 平 VR E F 、(7/8)VREF 、(1/8)VREF ，分别加到七个比较器反相输入端。输入电压ui同时加到七个比较器同相输入端，与各参考电平进行比较。当ui高于比较电

27、平时，比较器输出1，反之为0。比较器输出经编码器编码，输出三位二进制代码D2D1D0。ui、比较器输出及编码器输出之间的对应关系如表所示。RRRRRRRRVVVVVVVVREFREFREFREFREFREFREFREFiuCCCCCCC编码器DDD012(1/8)(2/8)(3/8)(4/8)(5/8)(6/8)(7/8)#1234567D输入电压ui比较器输出编码器输出C7C6C5C4C3C2C1D2D1D0 0 V ui VREF0000000000VREF ui VREF0000001001VREF ui VREF0000011010VREF ui VREF0000111011VREF

28、ui VREF0001111100VREF ui VREF0011111101VREF ui VREF0111111110VREF ui VREF1111111111l1并行比较型ADC图示是3位并行比较型ADC中编码器的逻辑电路。11&111DDDCCCCCC(2 )00(2 )1(2 )2121234567C14&l2逐次逼近型ADC基本组成如图所示，工作过程：启动转换后，控制电路首先将锁存器、逐次逼近逻辑寄存器SAR清零，同时时钟电路开始工作。当第一个时钟到达时，SAR最高位被置1，DAC输入为10000，DAC输出uoA（称为砝码电压）为满值输出电压EoA的一半，即uo

29、AEoA/2。ui与uoA比较，若uiuoA，比较器C输出1，SAR最高位保持1即留码；若C为0，则去码，SAR最高位变为0。设此次结果为留码。接着第二个时钟到达，使SAR次高位置1，DAC输入变为11000，于是uoA(EoA/2)(EoA/22)，ui与uoA比较结果决定次高位是留还是去码，依次类推，直到最末位，此时再来一时钟，SAR有溢出信号，此信号作为模数转换结束信号EOC，这时锁存器锁存结果就是模数转换结果。控制电路 uAEOC VREF时钟电路启动脉冲#去码/留码C逐次逼近逻辑寄存器SAR输出锁存器DAC uoA输出数据清零CPl3双积分型ADC双积分型ADC又名双斜率ADC，是一

30、种间接模数转换电路。基本原理是先将输入模拟电压通过积分器转换成与其平均值成正比的时间间隔，然后用计数器测量这一时间间隔，计数器输出数字量就是正比于输入模拟量的数字信号。l3双积分型ADC图示电路中，转换之前计数器清零。在t0时，开关S接模拟输入ui，电路进入取样阶段，由集成运放与RC组成的积分器对ui积分，积分器输出电压正比于对ui的积分，且使比较器输出1，G打开，计数器开始计数。当计数器值满并由最大值回到全0的t1时刻，产生溢出。溢出脉冲通过逻辑控制电路使S接参考电压VREF，积分器停止对ui积分，并开始对VREF积分，电路进入比较阶段。因ui与VREF极性相反，所以积分器输出从负值以固定斜

31、率向正方向回升。当uA0 V时，比较器输出0，G关闭，计数器停止计数，比较阶段结束。因在tt1时计数器已计满回零，因此，在t2时刻，计数器记下的数就是(t2t1)期间累计的脉冲数，记作N1。可以求得：N1 UI因此，计数值N1正比于输入电压UI，完成模数转换。 CPG比较器清零S#uACRVREF积分器ui&计数器逻辑控制电路IO2UUutIiOutAVREF 个N1OCPt1N个ttNTN+N TCPCP( )1l3双积分型ADC实际双积分型ADC，能够根据输入电压ui极性，自动改变参考电压极性，保证取样阶段与比较阶段积分器输出电压uA极性相反，如图所示。 OAtu定时定斜率为负ui

32、定时定斜率取样比较休止休止取样比较为正uil4集成ADC下面介绍两种常用的集成ADC芯片。l4集成ADC（1）12位逐次逼近式A/D转换器AD574AAD574A为28脚双列直插式封装，内部由两部分组成，一部分是模拟芯片，一部分是数字芯片，部分引脚如图所示。 REF INREF OUT20 V/INBIP OFF15 VAD574A +5 V+5 VAGND15 VDGND+15 V10 V/IN+5 V 1789101112131415REF INREF OUT20 V/INBIP OFF15 VAD574A +5 V+5 VAGND15 VDGND+15 V10 V/IN+5 V 1789101112131415零点