数字电子技术：计科第8章_A-D转换

1、第八章 数-模和模-数转换 本章讲授数-模转换（把数字量转换成相应的模拟量和模-数转换（把模拟量转换成相应的模拟量）的基本原理和常见的典型电路。目的：了解A/D、D/A转换电路的基本工作原理； 掌握A/D、D/A转换电路的基本使用方法； 8.1 概述权电阻网络D/A转换器；倒梯形电阻网络D/A转换器；权电流型D/A转换器；权电容网络D/A转换器；开关树型D/A转换器；D/A转换器类型A/D转换器类型直接A/D转换器并联比较型反馈比较型间接A/D转换器电压时间型(V-T型)电压频率型(V-F型)8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络D/A转换器结构：图9.2.1 是四位电阻网络D/A转换器，

2、它是由全电阻网络、4个模拟开关和1个求和放大器组成。 S3、S2、S1、S0是4个电子开关它们的状态分别受输入代码d3、d2、d1、d0的取值控制。代码为1时开关接到参考电压VREF上，有支路电流Ii流向求和放大器。代码为0时开关接地，该支路电流Ii为零。求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器（近似为理想放大器即输入电阻为无穷大，输出电阻为零）8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络D/A转换器原理：在认为运算放大器输入电流为零的条件下可得到：V0=RFi = RF(I0+ I1+I2+I3)由于V+=V0 RF=R/2 则得到，V0=8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络D/A转换器

3、对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式可写成V0= 上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量，从而实现了从数字量到模拟量的转换。 当 Dn=0 时 V0=0，当Dn=1111时 V0=V0的最大变化范围是0 说明：式中的参考电压VERF为正电压时，输出电压V0始终为负值。若想得到正的输出电压，则将VREF取为负值。8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络D/A转换器特点： 电路结构简单 电阻误差大 开关有导通电阻 转换时间短 电压范围8.2 D/A转换器8.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器 权电阻网络D/A转换器的优点是结构简单，所用电阻元件数目少。

4、缺点是各个电阻的阻值相差较大，尤其位数较多时这个问题就更加突出。为了克服这一缺点，又研制出了倒T形电阻网络D/A转换器。图8-2-2 倒T形电阻网D/A转换器原理：由上图可知，因求和放大器反相输入端V-的电位始终接近于零，所以无论开关S3S2S1S0合到哪一边，都相当于接到地电位上，流过每一支路的电流始终不变。因此，可将图8-2-2电阻网等效为图8-2-3。8.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器图8-2-2 倒T形电阻网络D/A转换器图8-2-23 倒T形电阻网络支路电流等效电路8.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器图8-2-2 倒T形电阻网络D/A转换器如果令di=0时开关Si接地，di=1

5、时Si接V(虚地），可求得I：输出电压为：对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，输出模拟电压为：特点： 电路结构简单 电阻误差较小 开关有导通电阻 转换时间短 电压范围8.2.3 权电流型D/A转换电路特点：电路结构较复杂转换时间短开关的导通电阻 影响不大转换电压精度高D0Dn-2_+vORFVREF(-)Dn-1II/2nI/22I/2II8.2.4 开关树型D/A转换电路特点： 结构简单 转换时间短 电阻单一 对开关内阻要求不高 易于集成RvORRRRRRRD0D0D1D1VREFD2D2 8.2.5 权电容型D/A转换电路特点： 输出的精度仅与电容的比例有关，与电容的绝对值无关。 输

6、出的稳定度不受开关内阻和参 考电源的影响。 稳态下，电容网络不消耗功 率。 容易集成（cmos可制作电容） 转换时间长 集成度不高D0Dn-1VREFvOD1S0S1Sn-120CXC0C0Cn-1C120CX21CX2n-1CXSD8.2.6 双极性权电阻型D/A转换电路D0Dn-2I2R2R2RI/2n2R_+vORI/2nI/2nI/2n-1I/2I/22I/2IVREF(-8V)Dn-1RBVB(+)IB1 加偏移电路，使输入为1000时的输出为0补码输入输出0 1 1+3V0 1 0+2V0 0 1+1V0 0 001 1 1-1V1 1 0-2V1 0 1-3V1 0 0-4V原码

7、输入输出(无偏移)输出(偏移-4V)1 1 1+7V+3V1 1 0+6V+2V1 0 1+5V+1V1 0 0+4V00 1 1+3V-1V0 1 0+2V-2V0 0 1+1V-3V0 0 00-4V 补码的符号位取反，使单极性转换电路通过加入偏移电路，实现双极性转换。8.2.7 D/A转换器的转换精度与速度D/A转换的主要技术指标: 转换精度包括：转换速度分辨率、转换误差用能分辨的最小电压（LSB）与最大电压（满量程FSR）之比来表示分辨率 由电阻网络、模拟开关、参考电源、运算放大器温漂等环节，造成输出模拟电压存在误差，称其为转换误差 。输入数字量给出的时刻到输出模拟电压进入稳定值所需要

8、的时间，即所谓的建立时间tset。 8.2.7 D/A转换器的转换精度与速度转换误差：绝对误差相对误差是指实际输出电压与理想输出电压之间的差值，通常用LSB的多少倍表示相对误差则是指绝对误差与满量程输出电压（FSR）之间的比值8.2.8 集成D/A转换器倒T型网络模拟地数字地八位并行输入集成数/模转换器DAC08328.2.8 集成D/A转换器DAC0832中的倒T型网络8.2.8 集成D/A转换器无缓冲输入方式单缓冲输入方式双缓冲输入方式8.2.8 集成D/A转换器DAC0832的性能指标（美国国半）转换速度：1s转换精度：0.2%FSR(满量程）8.2.8 集成D/A转换器十位串行输入集成

9、数/模转换器MAX515SDI是16位串行数据输入端，前4位是数据填充位，最后2位是结束位。8.3.1 A/D转换电路的基本原理一、功能 在规定时间(转换时间)内，把模拟电信号在时刻t的幅度值（压值)，转换为一个相应的数据。 8-3 A/D转换器 A/D转换的过程是首先对模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这一时间段内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后再进行下一次取样。8.3.1 A/D转换电路的基本原理二、取样定理8-3 A/D转换器 为了能正确用取样信号Vs表示模拟信号VI取样信号必须满足：为取样频率 输入模拟信号VI的最高频率分量的频率fS 2 fi(

10、max)同常取fS = （35） fi(max)三、量化和编码 编码就是将模拟信号量化的结果用二进制代码表示。 编码规则：如果1位二进制数表示电压幅度，则任意电压幅度的量化结果是N。 量化单位tV换言之：量化就是使模拟信号在幅度上离散。 在A/D转换时，必须把取样电压表示为某一最小单位的整数倍，这个转化过程叫做量化。量化误差：因连续的模拟电压不一定能被整除而产生误差。要求将01V的模拟电压转换成3位二进制编码。7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V二进制编码1111101011000110100010000V模拟电压1V量化误差=1/8V0V模拟电压1V14/15V13/15

11、V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V12/15V10/15V8/15V6/15V4/15V2/15V量化误差=/2=1/15V量化和编码示例一8.3.2 取样保持电路 根据A/D转换器的转换原理，对模拟信号取样后必须保持一段时间，直到完成本次转换后才能进行下一次取样。模拟电压输入取样控制信号取样信号输出工作原理：当取样信号VL为高电平时MOS管T导通，输入信号VI经电阻RI和T向CH充电。若取RI=RF则充电结束后VO=VCH=-VI。 当VL返回低电平后，T管截止。由于CH没有泄放回路，顾其上的电压可保持一段时间不变，故VO= VCH=-VI 也保持不变。8.3.

12、3 直接A/D转换器 一、并联比较型A/D转换器特点：转换时间短 可达到50ns。电路规模大，输出n位代码的A/D须要2n-1个比较器、 2n-1触发器和庞大的代码转换电路 可不加取样-保持电路图 9-3-2 并联比较型A/D转换电路二、逐次计数比较A/D转换电路特点： 转换时间长 电路规模小 需加取样-保持电路图9-3-3 逐次计数比较A/D转换电路y(t)x(t)+-D/A转换电路数据输出寄存器时钟转换信号计数器vB原理：转换开始前先用复位信号将计数器置零，等转换信号到达，则计数器计数，D/A转换电路输出模拟电压y(t)并与输入电压x(t)比较，当y(t)大于x(t)时, b为0，使计数器

13、停止计数，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。三、逐次渐近比较A/D转换电路原理：转换开始先将寄存器复位置0，转换电平变高开始转换，时钟信号先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为10000。这个数字量被DAC转换成模拟电压y(t)，并将y(t)与x(t)比较。如果y(t) x(t)，说明数字过大，则这个1应去掉；如果 y(t) x(t)，则说明数字不够大，这个1应保留。然后，再按同样方法将次高位置1，并比较y(t) 、x(t)的大小以确定这一位的1是否保留。这样逐位比较下去，直到最低比较完成为止。这时寄存器里的数字即为所求的输出。图9-3-3 逐次渐近比较A/D转换电路输入时钟x

14、(t)+-D/A转换电路逻辑控制并行数据输出转换控制y(t)逐次渐近寄存器vB特点： 转换时间长 电路规模小 需加取样-保持电路8.3.4 间接A/D转换器间接A/D转换器分类电压-时间变换型(简称V-T变换型)电压-频率变换型(简称V-F变换型) 在V-T型A/D转换器中，首先把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计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。 在V-F型A/D转换器中，首先把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，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A/D转换器T1T2vO1) S0闭合积分电容放电2) S0打开、S1接通x(t)，积分器充电控制逻辑计数器数据输出+转换控制x(t)+-VREFS0时钟RCS1vO3) S0打开、S1接通- VREF ，积分器放电，且计数器开始计数，直到判断vO=0，停止计数。D为计数结果的数字量TC为时钟的周期若取一、双积分型A/D转换器数据输出+转换控制x(t)+-VR