第12章 数模与模数转换器

1、12.1 引言引言 数模与模数转换器是一种连接模拟电路和数字电路的数模与模数转换器是一种连接模拟电路和数字电路的信号变换电路，它是能将模拟、数字这两类电路联系在一信号变换电路，它是能将模拟、数字这两类电路联系在一起的接口电路。起的接口电路。本章主要讨论：本章主要讨论：第第12章章 数模与模数转换器数模与模数转换器(1) 模数与数模转换器的基本概念模数与数模转换器的基本概念(2) 倒倒T型电阻解码网络型电阻解码网络DAC的结构和工作原理的结构和工作原理；集成集成DACAD7524的典型应用电路的典型应用电路(3) 模数转换器的种类、结构、原理模数转换器的种类、结构、原理(4) 模数与数模转换器的

2、性能指标模数与数模转换器的性能指标(5) 模拟多路开关的原理与常用集成产品模拟多路开关的原理与常用集成产品(6) 简单的多路数据采集系统简单的多路数据采集系统传感器放大器功率放大器执行部件A/D转换器D/A转换器数 字电 路一般测控系统框图一般测控系统框图12.2 数模与模数转换器的基本概念数模与模数转换器的基本概念模拟电路模拟电路模拟电路模拟电路数字电路数字电路接口电路接口电路接口电路接口电路 将模拟量转换为数字量的装置称为将模拟量转换为数字量的装置称为A/D转换器转换器(ADC) 将将数字数字量转换为量转换为模拟模拟量的装置称为量的装置称为D/A转换器转换器(DAC) D/A转换器是利用转

3、换器是利用电阻网络电阻网络和和模拟开关模拟开关将多位二进制数将多位二进制数转换为与之转换为与之成比例成比例的模拟量的一种转换电路的模拟量的一种转换电路。12.3 D/A转换器转换器121012102222nnnnnDdddd1210n12102222nnnnAKDK dddd1210nnDddd dn位二进制数位二进制数对应十对应十进制数进制数与之成比例的模拟量与之成比例的模拟量12.3.1 倒倒T型电阻解码网络的型电阻解码网络的D/A转换器转换器2II2I4I4I8I8I16I16IIREFVIR321012342222IIIIIdddd3210REFo3210321012344222222

4、222VIIIIuRIRdddddddd VREF=10V，n=4时时12.3.2 集成集成D/A转换器转换器AD7524 AD7524是美国模拟器件公司是美国模拟器件公司(Analog Device)生产的基生产的基于倒于倒T型电阻网络结构的型电阻网络结构的CMOS低功耗低功耗8位位D/A转换器。转换器。内部结构内部结构封装管脚封装管脚内部结构内部结构封装管脚封装管脚7610REFO7610822222VuDBDBDBDB 12.3.3 D/A转换器的转换精度与转换速率转换器的转换精度与转换速率分辨率：分辨率：1. D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 用输入二进制数码的位数来表示用输入二

5、进制数码的位数来表示。输入数字量的位数输入数字量的位数越多，输出电压可分离的等级越多，其分辨能力也越高。越多，输出电压可分离的等级越多，其分辨能力也越高。 用用D/A转换器所能分辨的最小输出电压转换器所能分辨的最小输出电压ULSB与最大输与最大输出电压出电压Um之比之比来表示。来表示。REFLSBREFm11221212nnnnVUVU分辨率例如：某例如：某10位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为000978. 01023112110转换误差：转换误差： 用输出电压满度值的百分数表示。用输出电压满度值的百分数表示。 用最小输出电压用最小输出电压ULSB的倍数表示的倍数表示。2. D/A转

6、换器的转换转换器的转换速度速度建立时间：建立时间：它是在输入数字量各位由全它是在输入数字量各位由全0变为全变为全1，或由全，或由全1变为全变为全0，输出电压完全进入与稳态值相差，输出电压完全进入与稳态值相差 范围范围内所需要的时间内所需要的时间。LSB12U转换速率：转换速率：输入数字量的各位由全输入数字量的各位由全0变为全变为全1，或由全，或由全1变变为为0时，输出电压时，输出电压uo的最大变化率。的最大变化率。12.3.4 由计数器驱动由计数器驱动D/A转换器的转换器的Multisim仿真仿真 字发生器字发生器(XWG1)被设置为被设置为16进制加法计数器，对内进制加法计数器，对内部时钟的

7、上升沿计数。部时钟的上升沿计数。D/A转换器的输出由虚拟示波器转换器的输出由虚拟示波器XSC1测量并显示测量并显示。仿真电路仿真电路仿真波形仿真波形12.4 A/D转换器转换器12.4.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理1. 采样和保持采样和保持 通常每经过一个时间间隔通常每经过一个时间间隔Ts采样一次，采样一次，Ts称为称为采样周期采样周期，其倒数其倒数fs称为称为采样频率采样频率。模拟信号的采样模拟信号的采样 为了保证能从采样信号中将原信号恢复，采样频率必为了保证能从采样信号中将原信号恢复，采样频率必须满足条件须满足条件fs2 fimax。其中其中fimax为模拟信号中最高次谐波分量为

8、模拟信号中最高次谐波分量的频率。的频率。采样保持电路采样保持电路 开关闭合时开关闭合时运放运放A1反相端虚断反相端虚断运放运放A1输入端虚短输入端虚短Iu运放运放A2输入端虚短输入端虚短Iu采样保持电路采样保持电路 开关打开开关打开， Ch上电压不变，从而上电压不变，从而uO不变，输出保持。不变，输出保持。 二极管二极管VD1和和VD2的作用。的作用。若去掉若去掉VD1和和VD2(视作开路视作开路)，当开关当开关S断开时，运放断开时，运放A1开环开环工作工作状态，状态，uI的微小变化也可的微小变化也可能导致运放能导致运放A1的输出饱和，闭合开关的输出饱和，闭合开关S时，开关两端承受的时，开关两

9、端承受的电压可能过大，容易对其造成损坏。加入电压可能过大，容易对其造成损坏。加入VD1和和VD2后，当后，当开关开关S断开时，二极管导通，断开时，二极管导通，uO=uIUD，运放，运放A1的输出不的输出不至于过大，可以保护开关至于过大，可以保护开关S。2. 量化和编码量化和编码 首先，用一个最小度量首先，用一个最小度量对整个模拟输入量的幅度范围对整个模拟输入量的幅度范围进行划分，这个过程称为进行划分，这个过程称为量化量化，该最小度量称为，该最小度量称为量化单位量化单位。之后对每一个宽度为之后对每一个宽度为的模拟电压区域进行的模拟电压区域进行编码编码，就得到了，就得到了模拟电压对应的数字模拟电压

10、对应的数字。3位位ADC的两种不同量化编码方式的两种不同量化编码方式12.4.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器三位并行三位并行A/D转换器转换器(1) 电阻分压器电阻分压器(2) 电压比较器电压比较器(3) 寄存器寄存器(4) 编码器编码器 并行并行A/D转换器的优点是转换时间短，可小到几十纳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，如一个秒，但所用的元器件较多，如一个n位转换器，所用的比位转换器，所用的比较器的个数为较器的个数为 2n-1个。个。并行比较型并行比较型A/D转换器的输入输出关系转换器的输入输出关系 单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器产

11、品很多，如转换器产品很多，如AD公司公司的的AD9012(8位位)、AD9002(8位位)和和AD9020(10位位)等。等。12.4.3 逐次逼近逐次逼近型型A/D转换器转换器1. 工作原理工作原理8位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器结构简图转换器结构简图逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARD/A转换器转换器比较器比较器 通过将通过将 的电位转换成低电平将的电位转换成低电平将SAR清零，清零， 变变为高电平开始转换，为高电平开始转换，SAR首先在首先在D7脚产生一个高电平输入脚产生一个高电平输入给给D/A转换器，使得转换器，使得D/A转换器输出其最大输出的一半。如转换器输出其最大输出的一半。

12、如果果D/A转换器的输出电压转换器的输出电压uO高于模拟输入高于模拟输入uI，SAR将使将使D7返回低电平；如果返回低电平；如果D/A转换器的输出低于转换器的输出低于uI，SAR将保持将保持D7高电平，于是高电平，于是D7的状态被确定下来。的状态被确定下来。 STRTSTRT 接下来确定接下来确定D6，如果在，如果在D6上的高电平引起上的高电平引起D/A转换器转换器的输出高于的输出高于uI，D6将回到低电平，否则它仍保持高电平。将回到低电平，否则它仍保持高电平。这个过程一直进行，直到这个过程一直进行，直到SAR输出一个有效的输出一个有效的8位二进制数。位二进制数。此时，此时， 输出变为低电平，

13、转换过程完成。输出变为低电平，转换过程完成。 的下降沿将的下降沿将D0D7的数据送到输出寄存器的输出端，从而在的数据送到输出寄存器的输出端，从而在Q0Q7端得端得到与到与uI对应的数字量。对应的数字量。DRDR例例12.4.1：在图在图12.4.6的逐次逼近型的逐次逼近型A/D转换器中，转换器中，uI=5.27V，VREF=- -8V，求其转换的结果。，求其转换的结果。解：解：转换后的数字量为转换后的数字量为101010002. 逐次逼近型集成逐次逼近型集成A/D转换器转换器ADC0809内部结构内部结构逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARD/A转换器转换器比较器比较器8路模拟开关路模拟开关地址

14、锁存与译码器地址锁存与译码器控制电路控制电路三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器封装管脚封装管脚IN0IN7：模拟信号输入模拟信号输入ADDA、ADDB、ADDC：地址输入地址输入ALE：地址锁存输入：地址锁存输入START：启动脉冲输入：启动脉冲输入EOC：转换结束输出：转换结束输出OE：输出允许标志：输出允许标志2-12-8：数字量输出：数字量输出CLOCK：时钟输入：时钟输入+VREF、- -VREF：参考电压输入：参考电压输入12.4.4 双积分双积分型型A/D转换器转换器1. 工作原理工作原理 把待转换的输入模拟电压先转换为中间变量时间把待转换的输入模拟电压先转换为中间变量时间T，然

15、，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种A/D转换器转换器称为称为电压电压-时间变换型时间变换型(简称简称VT型型)。双积分型双积分型A/D转换器的框图转换器的框图初始化：初始化：将计数器清零，接通将计数器清零，接通S0使电容使电容C完全放电。转换开完全放电。转换开始，断开始，断开S0。定时积分：定时积分：开关开关S1连接连接输入信号输入信号UI。积分器对。积分器对UI进行固定进行固定时间时间T1的积分。的积分。T1 =N1Tcp，N1为计数器的计数长度。为计数器的计数长度。tUO10T1 1I1O1I01()dTUTUtUCRRC 定速率积分：

16、定速率积分：S1连接连接- -VREF。积分器。积分器反向反向积分。积分。 经过时间经过时间T2，UO1=0，与门，与门G关闭，计数停止。关闭，计数停止。tUO10T1 T2 21REFITTVURCRCT1=N1TCP=2nTCPT2=DTCPIREF2nDUV2. 集成双积分集成双积分A/D转换器转换器ICL7107 位位BCD码码A/D转换器转换器。213213完整的三个数位完整的三个数位取值取值09最高位数码最大为最高位数码最大为1最高位只有最高位只有0、1两个数码两个数码ICL7107典型应用电路典型应用电路CREF一般取一般取0.1F；CINT一般取一般取0.22F；RINT在量程

17、在量程2V时取时取470k， 在量程在量程0.2V时取时取47k；CAZ在量程在量程2V时取时取0.047F， 在量程在量程0.2V时取时取0.47F；ROSC通常取通常取100k；COSC可以用时钟频率公式可以用时钟频率公式计算：计算：OSCOSC10.45fRCICL7107的的A/D转换结果为转换结果为：IREF1000uDV12.4.5 流水线流水线型型A/D转换器转换器1. 结构原理结构原理 由多个称为由多个称为“阶段阶段”的基本单元构成，模拟信号所包含的基本单元构成，模拟信号所包含的信息在经过每个阶段时，依次产生转换后的各个数字位。的信息在经过每个阶段时，依次产生转换后的各个数字位

18、。 每个阶段的内部包含一个每个阶段的内部包含一个1位并行比较位并行比较A/D转换器、一转换器、一个个1位位D/A转换器、一个求和单元和一个增益为转换器、一个求和单元和一个增益为2的放大器。的放大器。 以以某某4位位流水流水线型线型A/D转换器为转换器为例例。其中设其中设uI=0.7V，1位位A/D转换器和转换器和1位位D/A转换器的参考电压转换器的参考电压VREF=1V。 残差残差的计算公式的计算公式为为： DA21R nR nun0.7V数字数字输出输出1 DAREF110.5V2uVR(1)=2R(0)-uDA(1)=0.4V 0.4V 阶段阶段10V1V0.5V 阶段阶段20.5V 0

19、以以某某4位位流水流水线型线型A/D转换器为转换器为例例。其中设其中设uI=0.7V，1位位A/D转换器和转换器和1位位D/A转换器的参考电压转换器的参考电压VREF=1V。 残差残差的计算公式的计算公式为为： DA21R nR nun0.7V数字数字输出输出10.4V 阶段阶段10V1V0.5V 阶段阶段20.5V 0阶段阶段30.5V DAREF020V2uVR(2)=2R(1)-uDA(2)=0.8V 0.8V 1 以以某某4位位流水流水线型线型A/D转换器为转换器为例例。其中设其中设uI=0.7V，1位位A/D转换器和转换器和1位位D/A转换器的参考电压转换器的参考电压VREF=1V。

20、 残差残差的计算公式的计算公式为为： DA21R nR nun0.7V数字数字输出输出10.4V 阶段阶段10V1V0.5V 阶段阶段20.5V 0阶段阶段30.5V0.8V 1 DAREF130.5V2uVR(3)=2R(2)-uDA(3)=0.6V 0.6V 阶段阶段40.5V 1 以以某某4位位流水流水线型线型A/D转换器为转换器为例例。其中设其中设uI=0.7V，1位位A/D转换器和转换器和1位位D/A转换器的参考电压转换器的参考电压VREF=1V。 残差残差的计算公式的计算公式为为： DA21R nR nun0.7V数字数字输出输出10.4V 阶段阶段10V1V0.5V 阶段阶段20

21、.5V 0阶段阶段30.5V0.8V 10.6V 阶段阶段40.5V 1转换转换的结果为二进制的结果为二进制1011，即，即十进制十进制11，对应的模拟量为，对应的模拟量为41V110.6875V2 在工作过程中，每个阶段上依次产生的数字量信息分在工作过程中，每个阶段上依次产生的数字量信息分别属于不同的采样点，所以同一采样点的对应的不同阶段别属于不同的采样点，所以同一采样点的对应的不同阶段的输出数字量需要按照时间顺序存到移位寄存器中，而后的输出数字量需要按照时间顺序存到移位寄存器中，而后再依次输出。对于再依次输出。对于4位位流水线型流水线型A/D转换器，在输出端得到转换器，在输出端得到的数字转

22、换结果对应的数字转换结果对应4个时钟周期之前的采样点。个时钟周期之前的采样点。2. 数据延迟数据延迟流水流水线型线型A/D转换器的数据延迟转换器的数据延迟 AD9224是单片集成是单片集成12位流水线型位流水线型A/D转换芯片，采样转换芯片，采样率可达率可达40MSPS(Million Samples per Second，兆次采样，兆次采样/秒秒)。3. 集成流水线型集成流水线型A/D转换器转换器AD9224引脚排布引脚排布引脚功能引脚功能输入信号接口输入信号接口差分输入方式差分输入方式单端输入方式单端输入方式仿真电路仿真电路(Vin=1.0V)12.4.6 A/D转换器转换器的的Multi

23、sim仿真仿真 A/D转换器为虚拟转换器为虚拟8位位A/D转换器。使用两个电位器分转换器。使用两个电位器分别对输入模拟信号进行粗调和微调别对输入模拟信号进行粗调和微调。输入。输入模拟电压分别被模拟电压分别被设置为设置为1.0V和和0.5V，转换为，转换为16进制数分别为进制数分别为33H和和19H(对对应十进制数应十进制数51和和25)。仿真电路仿真电路(Vin=0.5V) A/D转换器为虚拟转换器为虚拟8位位A/D转换器。使用两个电位器分转换器。使用两个电位器分别对输入模拟信号进行粗调和微调别对输入模拟信号进行粗调和微调。输入。输入模拟电压分别被模拟电压分别被设置为设置为1.0V和和0.5V

24、，转换为，转换为16进制数分别为进制数分别为33H和和19H(对对应十进制数应十进制数51和和25)。 模拟模拟开关是通过数字量来控制传输门的接通和断开以开关是通过数字量来控制传输门的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、速度快、传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上可以用来代替继电器度上可以用来代替继电器。12.5 多路模拟开关多路模拟开关12.5.1 模拟开关的功能及电路组成模拟开关的功能及电路组成ADG211 / 212管脚图管脚图ADG506管管脚图脚

25、图 将将双向模拟开关适当地双向模拟开关适当地组合，组合，可实现单刀单掷、单刀可实现单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关功能功能。12.5.2 模拟开关的模拟开关的各种工作模式各种工作模式单刀单掷单刀单掷等效机械开关等效机械开关模拟开关连接方式模拟开关连接方式 将将双向模拟开关适当地双向模拟开关适当地组合，组合，可实现单刀单掷、单刀可实现单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关功能功能。12.5.2 模拟开关的模拟开关的各种工作模式各种工作模式单刀单刀双掷双掷等效机械开

26、关等效机械开关模拟开关连接方式模拟开关连接方式 将将双向模拟开关适当地双向模拟开关适当地组合，组合，可实现单刀单掷、单刀可实现单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关功能功能。12.5.2 模拟开关的模拟开关的各种工作模式各种工作模式双双刀单掷刀单掷等效机械开关等效机械开关模拟开关连接方式模拟开关连接方式 将将双向模拟开关适当地双向模拟开关适当地组合，组合，可实现单刀单掷、单刀可实现单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关双掷、双刀单掷和双刀双掷等多种等效的机械开关功能功能。12.5.2 模拟开关的模拟开关的各种工作