第九章数模、模数转换电路

1、9.1 概述 模数转换（模数转换（A/DA/D）模拟信号到数字信号的转换模拟信号到数字信号的转换 A/DA/D转换器或转换器或ADCADC（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter）实现实现A/DA/D转换的电路。转换的电路。 数模转换（数模转换（D/AD/A）数字信号到模拟信号的转换数字信号到模拟信号的转换 D/AD/A转换器或转换器或DACDAC（Digital to Analog ConverterDigital to Analog Converter） 能实现能实现D/AD/A转换的电路。转换的电路。数字控制系统原理框

2、图数字控制系统原理框图非电模拟量非电模拟量电模拟量电模拟量模数转换模数转换计算机或计算机或数字系统数字系统传感器传感器开关控制开关控制数模转换数模转换模拟控制模拟控制温度温度压力压力流量流量速度速度 电流电流电压电压 数据传输系统原理框图数据传输系统原理框图电模拟量电模拟量模数转换模数转换存储、传存储、传输、处理输、处理声音或图像声音或图像声音或图像声音或图像 传感器传感器数模转换数模转换9.29.2 数模（数模（D/AD/A）转换转换 一、一、 D/A转换器的结构转换器的结构 数字输入数字输入数码锁存器数码锁存器电子开关电子开关电阻网络电阻网络求和电路求和电路模拟输出模拟输出 VOD0D1D

3、n-1VREF数码锁存器数码锁存器完成输入数字的锁存并为转换保留一定时间完成输入数字的锁存并为转换保留一定时间电子开关电子开关完成基准电压完成基准电压VREF和地之间的倒换和地之间的倒换电阻网络电阻网络根据输入数字产生不同的电流或电压根据输入数字产生不同的电流或电压求和电路求和电路产生模拟输出电压产生模拟输出电压1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 （1）电路结构）电路结构（2）工作原理）工作原理当输入数字当输入数字D0=1时时 )2(22200REF01REF00REF0DRVDRVDRVInn)2(22211REF12REF11REF1DRVDRVDRVInn当输入数字当输入数字D

4、1=1时时 当输入数字当输入数字Di=1时时 )2(22REFREFiiniiiDRVDRVII0S0S1Sn-1数码锁存器数码锁存器D0D1Dn-1数字输入数字输入VREFR0=2n-1RR1=2n-2RRn-1=20R模拟输出模拟输出 VORfAIIn-1I10111100111100110)2(22)2.22(22)2(22.)2(22)2(22.niiinREFnnnREFnnnREFnREFnREFnDRVDDDRVDRVDRVDRVIIII10REFf)2(22niiinfODVRRRIV设设n=4，Rf = R/2，VREF=-5V，则，则:)2222(25)2(252/2001

5、1223341404DDDDDRRViiiO401234min012325)21202020(250001OOVVDDDD时当) 12(25)21212121 (2511114401234max0123OOVVDDDD时当 VOVOt01211212/ ) 12(52/54444maxminnOOVV分辨率25511218n8 时：分辨率当1023112110n10时：分辨率当因此：时，因为：,1)2(min10OOOniiiVVVD10)2(/niiiOODVVAD转换器输出的通式为：【例例】已知某已知某8位位D/A转换器的输入为转换器的输入为11010001时时，输出，输出VO=2.09V

6、，求输入为求输入为00111100时的输出电压时的输出电压值。值。VDVVniiiOO01. 0)11010001(09. 2)2(/2101解：)(6 . 06001. 0)2(102VDVVniiiOO权电阻网络权电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点：（1 1）电路结构比较简单；电路结构比较简单；（2 2）电阻网络中各个电阻的阻值相差太大；）电阻网络中各个电阻的阻值相差太大；（3 3）容易产生输出尖峰现象。）容易产生输出尖峰现象。2. 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 （1）电路结构（）电路结构（AD7520、CB7520）I 模拟输出模拟输出 VORfA2R I/16

7、2R I/82R I/4 2R I/22RRRRVREFII/2I/4I/8I/16S0S1S2S3D0D1D2D3（2）工作原理）工作原理)2222(2168420011223340123DDDDIDIDIDIDII)( ; )2(2)2222(2304001122334RVIDRRVDDDDRIRIVREFiiiFREFFFO)2(2)/10niiinREFOFDVVRRADn转换（取位对于倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点：（1 1）电路结构比较简单；电路结构比较简单；（2 2）电阻网络中的种类少（仅）电阻网络中的种类少（仅R R和和2R2R两种）。两种）。二

8、、二、 电子开关电子开关 1. CMOS电压开关电压开关2. CMOS电流开关（电流开关（CB7520）1RiIiDi-VREFVDDVSS2RRRIout1Iout2VDDVSSDi三、三、 集成集成D/A转换器转换器DAC0832 8位数模转换器位数模转换器1. DAC0832的内部结的内部结1）8位输入寄存器位输入寄存器第一级数据锁存器第一级数据锁存器2）8位位DAC寄存器寄存器第二级数据锁存器第二级数据锁存器3）8位位D/A转换器转换器完成数模转换完成数模转换8位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器DI7DI7 DI0DI0ILEILECSCSWR1W

9、R1WR2WR2XFERXFERV VREFREFI IOUT2OUT2I IOUT1OUT1RBFRBFAGNDAGNDVCCVCCDGNDDGNDIE1IE1IE2IE2&CS片选信号，用于芯片寻址；片选信号，用于芯片寻址；ILE允许锁存信号；允许锁存信号；WR1写信号写信号1；当；当LE1（内部输入锁存信号内部输入锁存信号1）=CSWR1 ILE=1时，将数据锁存于输入锁存器；时，将数据锁存于输入锁存器；WR2写信号写信号2；XFER通道控制信号，当通道控制信号，当LE2（内部输入锁存信号内部输入锁存信号2）=WR2 XFER=1时，时，8位位DAC寄存器可作为数据通道；寄存器可

10、作为数据通道；2. 信号线信号线DI7DI08位数据输入位数据输入IOUT1模拟电流输出模拟电流输出1，当，当DI7DI0为为FFH时，时， IOUT1最大，最大，当当DI7DI0为为0时，时， IOUT1=0（最小）最小）IOUT2模拟电流输出模拟电流输出2， IOUT2=常数常数- IOUT1RFB反馈电阻引出端；反馈电阻引出端；VREF参考电压输入，范围：参考电压输入，范围：+10V-10V；VCC芯片电压，范围：芯片电压，范围：+5V+15V，最佳最佳15V；AGND模拟地；模拟地；DGND数字地；数字地；3. 使用说明使用说明（1）双缓冲器方式）双缓冲器方式特点：转换速度快，但控制电

11、路复特点：转换速度快，但控制电路复杂。杂。（2）单缓冲器方式）单缓冲器方式特点：转换速度慢，但控制电路简特点：转换速度慢，但控制电路简单（常用方式）。单（常用方式）。4. DAC0832应用举例应用举例DAC0832采用单缓冲器方式采用单缓冲器方式四、四、 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1. 转换精度（分辨率或位数转换精度（分辨率或位数n）121n分辨率取样取样用周期性的取样脉冲用周期性的取样脉冲fS，对输入模拟对输入模拟信号的幅度定时取出样值，将其变成一连串信号的幅度定时取出样值，将其变成一连串等距而不等幅的脉冲的过程。等距而不等幅的脉冲的过程。 保持保持把取样电压保持一段时

12、间，保证完把取样电压保持一段时间，保证完成成A/D转换转换 。 1、取样保持、取样保持-+UL取样时间取样时间保持时间保持时间0tVI0tVO波形表示波形表示1. 量化量化把取样电平规范到某个最小单位把取样电平规范到某个最小单位 电电压的若干倍的过程。压的若干倍的过程。0tVO12345678 量化方法量化方法（1）只舍不取法）只舍不取法量化误差量化误差 = （2）有舍有取法）有舍有取法量化误差量化误差 = /2二、二、 量化、编码量化、编码2. 编码编码编码编码把量化后把量化后 的倍数用二进制数表示的过程的倍数用二进制数表示的过程0000010100111001011101110 1 2 3

13、 4 5 6 7 0123456780000010100111001011101110 1 2 3 4 5 6 7 0123456789.3.2 A/D转换器的类型转换器的类型直接型直接型A/D转换器转换器间接型间接型A/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器 双积分型双积分型ADC一、直接型一、直接型A/D转换器转换器 1、逐次逼近型、逐次逼近型A/D转换器转换器（2）工作原理：）工作原理：第一步送出第一步送出Qn-1=1（最大砝码）将产生的最大砝码）将产生的D/A电压与输入电压电压与输入电压VI比较。比较。第二步根据比较结果决定第二步根

14、据比较结果决定Qn-1的去留，并加入的去留，并加入Qn-2与与VI比较。比较。依此类推直至加入依此类推直至加入Q0。最后一步根据比较结果决定最后一步根据比较结果决定Q0的去留，并输出转换结果。的去留，并输出转换结果。-+A逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器D/A转换器转换器控制控制逻辑逻辑输输出出缓缓冲冲器器Qn-1 Qn-2 Q0Qn-1(MSB)Qn-2Q0(LSB)数数字字输输出出时钟脉冲时钟脉冲CP启动脉冲启动脉冲模拟输入模拟输入VI基准电压基准电压VREF电压电压比较器比较器完成转换时间：完成转换时间： (n+1)TCP2 2、并联比较型、并联比较型A/DA/D转换器转换器 -+C6-+C

15、5-+C4-+C3-+C2-+C1-+C7DDDDDDDRRRRRRRR/2VREF模拟模拟输入输入VIVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/15&FF1FF7FF3FF4FF5&D2(MSB)D0(LSB)D1CP电压比电压比较器较器锁存器锁存器编码器编码器FF6FF2输入模拟电压输入模拟电压 VI 寄存器状态寄存器状态（编码器输入）（编码器输入）Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 数字量输出数字量输出（编码器输出）（编码器输出）D2 D1 D0 （01/15）VREF（1/153/15）VREF（

16、3/155/15）VREF （5/157/15）VREF（7/159/15）VREF（9/1511/15）VREF（11/1513/15）VREF（13/151）VREF 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 42QD 2462462461QQQQQQQQQD1345671234567123456702QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ

17、D二、二、 间接型间接型A/D转换器转换器电压电压频率变换（频率变换（VF变换）；电压变换）；电压时间变换时间变换（VT变换）变换）（VT变换）变换）（2） 工作原理工作原理下降；次积分），使第积分接通，积分器开始对与复位，启动BIIAnDVVVVQQR1(0) 1 (0上升；次积分），使积分（第开始对的积分，结束对接于，脉冲后，个当输入BREFIREFAnnVVVVVQCP212)2(。转换，读出转换结果结束本次，停止计数，（过零）使脉冲后，个当输入01/00)3(DDDAVVCPMnCB-+A-+AFF2Q2D2FF1Q1D1FF0Q0D0FFn-1Qn-1Dn-1FFnQnRD启动启动&

18、amp;CPRC积分器积分器过零过零比较器比较器VAVBVCVDV I-VREFGCPnTT21M（3） 工作波形工作波形（4） 波形分析波形分析0tQn0tVA0tVC0tVB0tVD-VREFVIt1t20 0t t1 1阶段积分器对阶段积分器对V VI I积分：积分：CPnIItIBTRCVTRCVdtVRCV211101t t1 1t t2 2阶段积分器对阶段积分器对-V-VREFREF积分：积分：CPREFREFttREFBTMRCVTRCVdtVRCV2212)(1nREFICPREFCPnICPREFCPnIBBVVMTMRCVTRCVTMRCVTRCVVV2202021即：低速低速ADC;最小转换时间最小转换时间=2nTCP最大转换时间最大转换时间=2n+1TCP三、三、 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1.1. 转换精度转换精度 （阶梯电压）分辨率（分解度）naxV2Im【例例】已知已知8位位A/D转换器的基准电压转换器的基准电压VREF=5.12V，求当输入为求当输入为VI=3.