电子技术基础-第13章-数模与模数转换器课件

第13章

数/模与模/数转换器成都理工大学工程技术学院自动化工程系雷永锋201311/23/2022第13章

数/模与模/数转换器成都理工大学工程技术学院11/1第13章数/模与模/数转换器

13.1数/模（D/A）转换器

13.2模/数（A/D）转换器

11/23/2022第13章数/模与模/数转换器

13.1数/模（2引言模拟信号数字信号：A/D转换器(ADC－AnalogToDigitalConverter)数字信号

模拟信号：D/A转换器(DAC－DigitalToAnalogConverter)图13-1A/D和D/A转换器应用示意图11/23/2022引言模拟信号数字信号：数字信号模拟信号3A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压力、流量、应力等）采样/保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等11/23/2022A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器采样/保持器A/413.1数/模（D/A）转换器常用在电阻网络D/A转换器和T形电阻网络D/A转换器13.1.1权电阻网络D/A转换器权电阻网络、电子开关、基准电压源和运算放大器等部分组成。图13-2权电阻网络D/A转换器11/23/202213.1数/模（D/A）转换器常用在电阻网络D/A转换器和T51.电子开关的作用及其组成双向电子开关分别受输入二进制数码的控制

图13-35位二进制数11010D/A转换示意图11/23/20221.电子开关的作用及其组成双向电子开关分别受输入二进制数6电子开关由晶体管或场效应晶体管构成

图13-4晶体管双向电子开关2.权电阻网络权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和每一位的“权”相对应，所以称为权电阻网络11/23/2022电子开关由晶体管或场效应晶体管构成图13-4晶体管双向7运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可以将权电阻网络所转换得的各位模拟量相加，最后获得D/A转换。3.运算放大器11/23/2022运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可8D/A的组成输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:模拟电子开关D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3++-3R3R/2UO11/23/2022D/A的组成输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:电阻网9VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0VD/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R++-3R/2R等效电路3R0000AV=-111/23/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D10VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV=-13R11/23/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D11VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-111/23/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D12D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8当D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/1611/23/2022D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S13D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根据叠加原理:UO=–(D3VREF/21+

D2VREF/22+

D1VREF/23+

D0VREF/24)=–(D3/21+

D2/22+

D1/23+

D0/24)VREF

=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)11/23/2022D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=14UO=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)D/A转换原理(续)此式表明:D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比11/23/2022D/A转换原理(续)此式表明:D/A电路输出模拟电压UO与15例13-1

设，试分别求出二进制数1010和1111相对应的模拟输出量。解：

（1）当数字量为1010时（2）当数字量为1111时显然，输出模拟量与输入数字量成正比权电阻网络D/A转换器的优点：电路结构简单，可适用于各种有权码；缺点：阻值有一定的误差，且易受温度变化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大11/23/2022例13-1设，试分别求出二进制数1010和1111相对应1613.1.2T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换器只采用了R、2R两种阻值的电阻，克服了权电阻网络D/A转换器的不足在集成D/A转换芯片中得到更广泛的应用图13-5T形电阻网络D/A转换器11/23/202213.1.2T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换17基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：

输出电流和各支路电流的关系为：

因为

输出模拟电压Uo：

T形电阻网络D/A转换器的输出模拟电压Uo与输入的数字量成正比（13-4）

11/23/2022基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：输出电流和各18一般取RF=R，则式（13-4）可写成如下形式（13－5）T形电阻网络D/A转换器的特点：电子开关Sk不管是接地还是接虚地，流过各支路2R电阻中的电流总是近似恒定值，在集成芯片中应用得最广泛

11/23/2022一般取RF=R，则式（13-4）可写成如下形式（13－51913.1.3D/A转换器主要技术指标1.分辨率DAC电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与最大输出电压Um之比称为分辨率，它是转换器的一个重要参数，其表示式为：2.线性度通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性度，并且把偏离理想的输入—输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。11/23/202213.1.3D/A转换器主要技术指标1.分辨率DA203.绝对精度在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为绝对精度，它描述了在整个工作区内实际的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差4.建立时间实际上D/A转换器内的电容、电感和开关电路均存在时间延迟，即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来，这段时间就是D/A转换器的建立时间，它反映了D/A转换器的转换速度。11/23/20223.绝对精度在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电2113.1.4集成D/A转换器举例集成D/A转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数的位数分类有8位、10位、12位和16位等多种。8位的如DAC0832、DAC0808，10位的如DA7533、DA7520，12位的如DA7543等。CC7520集成D/A转换器（相应的国产型号为5G7520）图13-6CC7520集成D/A转换器11/23/202213.1.4集成D/A转换器举例集成D/A转换器芯片的型号22在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的输出电压为图13-7CC7520的CMOS电子开关11/23/2022在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的输出电压为图13-2313.2模/数（A/D）转换器13.2.1A/D转换器概述A／D转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接A／D转换器

一类是间接A／D转换器

A/D转换采样和保持量化和编码两大步骤采样—保持电路来完成A/D转换器内实现11/23/202213.2模/数（A/D）转换器13.2.1A/D24将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间上离散的模拟量vS的过程称为采样:图13-8模拟信号的采样采样后，vI被转换成连续的相等时间间隔的脉冲信号，其幅值等于采样时输入模拟量的值采样后的电压需要保持一段时间11/23/2022将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间上离散的模拟量25把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。只舍不入

有舍有入

图13-9划分量化电平的两种方法示意图用数字代码表示量化结果的过程叫做编码11/23/2022把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。2613.2.2并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较器、寄存器和编码电路4部分组成。图13-10电路为2位二进制数输出的并联比较型A/D转换器

11/23/202213.2.2并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器（量27表13-1图13-10中输入模拟电压和输出数码之间的关系

输入模拟电压UI寄存器状态C2C1C0数字输出D2D100000001010111011111最大量化误差为。11/23/2022表13-1图13-10中输入模拟电压和输出数码之28并联比较型A/D转换器（三位）原理(补充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI6VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=0UI6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编码器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密参考电压精密电阻网络（23个电阻）输出数字量CPUIVR/8时，输出=1UIVR/8时，输出=011/23/2022并联比较型A/D转换器（三位）原理(补充)DQDQDQDQD29并联比较型A/D转换器中的编码器真值表UIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D06VR/8

>UI>5VR/8

00111111015VR/8

>UI>4VR/8

00011111007VR/8

>UI>6VR/8

0111111110VR>UI>7VR/8

11111111114VR/8

>UI>3VR/8

00001110113VR/8

>UI>2VR/8

00000110102VR/8

>UI>VR/8

0000001001VR/8

>UI>

0

0000000000特点：输入电压UI每增加VR/8

，输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）11/23/2022并联比较型A/D转换器中的编码器真值表3013.2.3逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换的过程与天平称物重量的过程相似逐次逼近型A/D转换器被转换的电压相当于天平所称的物体重量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码重量11/23/202213.2.3逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换的过311.逐次逼近型A/D转换器的基本电路图13-113位逐次逼近型A/D转换器11/23/20221.逐次逼近型A/D转换器的基本电路图13-113位322.逐次逼近型A/D转换器的工作原理输入的模拟电压UI，经采样—保持电路得到的采样电压，设为，作用在比较器的同相输入端，而三位D/A转换器的输出经修正后的电压Uf，作用在比较器的反相输入端见课本P286图13-11所示的n位A/D转换器，转换一次需要（n+2）个时钟周期（包括读出周期），位数越多，转换时间也就相应增长。与并联比较型相比，速度要低一些，但所需硬件则较少。因而对速度要求不是特别高的场合，逐次逼近型的应用最为广泛。11/23/20222.逐次逼近型A/D转换器的工作原理输入的模拟电压UI，经3313.2.4A/D转换器的主要技术指标1.分辨率：ADC的分辨率又称分解度2.转换速度完成一次A/D转换所需的时间3.相对误差：用相对误差可以表示ADC转换的误差11/23/202213.2.4A/D转换器的主要技术指标1.分辨率：AD34小结：本章主要介绍了并联比较型和逐次逼近型ADC等两种类型。目前以逐次逼近型A/D转换器在集成电路中应用较多，这主要是由于它的转换速度较快而所用的器件又比并联比较型少得多。A/D转换器最主要的性能指标是它的分辨率，通常用A/D转换器的所输出的二进制代码的位数来表示，位数越多，量化误差越小，转换精度就越高。11/23/2022小结：本章主要介绍了并联比较型和逐次逼近型AD35第13章

数/模与模/数转换器成都理工大学工程技术学院自动化工程系雷永锋201311/23/2022第13章

数/模与模/数转换器成都理工大学工程技术学院11/36第13章数/模与模/数转换器

13.1数/模（D/A）转换器

13.2模/数（A/D）转换器

11/23/2022第13章数/模与模/数转换器

13.1数/模（37引言模拟信号数字信号：A/D转换器(ADC－AnalogToDigitalConverter)数字信号

模拟信号：D/A转换器(DAC－DigitalToAnalogConverter)图13-1A/D和D/A转换器应用示意图11/23/2022引言模拟信号数字信号：数字信号模拟信号38A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压力、流量、应力等）采样/保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等11/23/2022A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器采样/保持器A/3913.1数/模（D/A）转换器常用在电阻网络D/A转换器和T形电阻网络D/A转换器13.1.1权电阻网络D/A转换器权电阻网络、电子开关、基准电压源和运算放大器等部分组成。图13-2权电阻网络D/A转换器11/23/202213.1数/模（D/A）转换器常用在电阻网络D/A转换器和T401.电子开关的作用及其组成双向电子开关分别受输入二进制数码的控制

图13-35位二进制数11010D/A转换示意图11/23/20221.电子开关的作用及其组成双向电子开关分别受输入二进制数41电子开关由晶体管或场效应晶体管构成

图13-4晶体管双向电子开关2.权电阻网络权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和每一位的“权”相对应，所以称为权电阻网络11/23/2022电子开关由晶体管或场效应晶体管构成图13-4晶体管双向42运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可以将权电阻网络所转换得的各位模拟量相加，最后获得D/A转换。3.运算放大器11/23/2022运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可43D/A的组成输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:模拟电子开关D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3++-3R3R/2UO11/23/2022D/A的组成输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:电阻网44VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0VD/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R++-3R/2R等效电路3R0000AV=-111/23/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D45VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV=-13R11/23/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D46VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-111/23/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D47D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8当D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/1611/23/2022D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S48D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根据叠加原理:UO=–(D3VREF/21+

D2VREF/22+

D1VREF/23+

D0VREF/24)=–(D3/21+

D2/22+

D1/23+

D0/24)VREF

=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)11/23/2022D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=49UO=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)D/A转换原理(续)此式表明:D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比11/23/2022D/A转换原理(续)此式表明:D/A电路输出模拟电压UO与50例13-1

设，试分别求出二进制数1010和1111相对应的模拟输出量。解：

（1）当数字量为1010时（2）当数字量为1111时显然，输出模拟量与输入数字量成正比权电阻网络D/A转换器的优点：电路结构简单，可适用于各种有权码；缺点：阻值有一定的误差，且易受温度变化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大11/23/2022例13-1设，试分别求出二进制数1010和1111相对应5113.1.2T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换器只采用了R、2R两种阻值的电阻，克服了权电阻网络D/A转换器的不足在集成D/A转换芯片中得到更广泛的应用图13-5T形电阻网络D/A转换器11/23/202213.1.2T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换52基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：

输出电流和各支路电流的关系为：

因为

输出模拟电压Uo：

T形电阻网络D/A转换器的输出模拟电压Uo与输入的数字量成正比（13-4）

11/23/2022基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：输出电流和各53一般取RF=R，则式（13-4）可写成如下形式（13－5）T形电阻网络D/A转换器的特点：电子开关Sk不管是接地还是接虚地，流过各支路2R电阻中的电流总是近似恒定值，在集成芯片中应用得最广泛

11/23/2022一般取RF=R，则式（13-4）可写成如下形式（13－55413.1.3D/A转换器主要技术指标1.分辨率DAC电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与最大输出电压Um之比称为分辨率，它是转换器的一个重要参数，其表示式为：2.线性度通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性度，并且把偏离理想的输入—输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。11/23/202213.1.3D/A转换器主要技术指标1.分辨率DA553.绝对精度在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为绝对精度，它描述了在整个工作区内实际的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差4.建立时间实际上D/A转换器内的电容、电感和开关电路均存在时间延迟，即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来，这段时间就是D/A转换器的建立时间，它反映了D/A转换器的转换速度。11/23/20223.绝对精度在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电5613.1.4集成D/A转换器举例集成D/A转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数的位数分类有8位、10位、12位和16位等多种。8位的如DAC0832、DAC0808，10位的如DA7533、DA7520，12位的如DA7543等。CC7520集成D/A转换器（相应的国产型号为5G7520）图13-6CC7520集成D/A转换器11/23/202213.1.4集成D/A转换器举例集成D/A转换器芯片的型号57在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的输出电压为图13-7CC7520的CMOS电子开关11/23/2022在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的输出电压为图13-5813.2模/数（A/D）转换器13.2.1A/D转换器概述A／D转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接A／D转换器

一类是间接A／D转换器

A/D转换采样和保持量化和编码两大步骤采样—保持电路来完成A/D转换器内实现11/23/202213.2模/数（A/D）转换器13.2.1A/D59将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间上离散的模拟量vS的过程称为采样:图13-8模拟信号的采样采样后，vI被转换成连续的相等时间间隔的脉冲信号，其幅值等于采样时输入模拟量的值采样后的电压需要保持一段时间11/23/2022将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间上离散的模拟量60把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。只舍不入

有舍有入

图13-9划分量化电平的两种方法示意图用数字代码表示量化结果的过程叫做编码11/23/2022把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。6113.2.2并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较器、寄存器和编码电路4部分组成。图13-10电路为2位二进制数输出的并联比较型A/D转换器

11/23/202213.2.2并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器（量62表13-1图13-10中输入模拟电压和输出数码之间的关系

输入模拟电压UI寄存器状态C2C1C0数字输出D2D100000001010111011111最大量化误差为。11/23/2022表13-1图13-10中输入模拟电压和输出数码之63并联比较型A/D转换器（三位）原理(补充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI6VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=0UI6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编码器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密参考电压精密电阻网络（23个电阻）输出数字量CPUIVR/8时，输出=1UIVR/8时，输出=011/23/2022并联比较型A/D转换器（三位）原理(补充)DQDQDQDQD64并联比较型A/D转换器中的编码器真值表UIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D06VR/8

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