数模与模数转换器

第九章数模与模数转换器1第九章数模与模数转换器§9.1

D/A转换器§9.2

A/D转换器2

数模与模数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。

能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器(简称D/A转换器

);能将模拟量转换为数字量的装置称为模/数变换器(简称A/D转换器

)。

概述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4

由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成。D/A变换器的基本思想§9.1D/A转换器5(1)D/A功能:将数字量成正比地转换成模拟量D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10VD/A转换器原理6

D/A功能(续)4位数据:00000V11115V分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据:000000000V111111115V分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位7一．D/A转换器的基本原理

对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。0123456001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1...vo输入输出vo/VD00081.

权电阻D/A变换器

这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。

UR++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00119

电子模拟开关(S0-S3)由电子器件构成，其动作受二进制数D0-D3

控制。当DK＝1时，则相应的开关SK

接到位置1上，将基准电源UR经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中S0、S1）；当Dk＝0时，开关Sk

接到位置0，将相应电流直接接地而不进运放（如图中S2、S3）。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k10T1T2SDa电子模拟开关的简化原理电路

当D=1时，T2

管饱和导通，T1

管截止，则S与a点通；

当D=0时，T1

管饱和导通，T2

管截止，则S被接地。

前者相当于开关S接到“1”端，后者则相当于开关S接到“0

”端。11Uo

=-URRFR（）D3D0D1D223202122＋＋＋根据反相比例运算公式可得：

显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k122．倒T形电阻网络D/A转换器（4位）所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si将电阻2R接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoi¦²f1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII162213可算出，基准电流I=VREF/R，输出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为：vO=－KNB

其中：K=表明:D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比143．权电流型D/A转换器为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoi¦²fI24I8I16IVREFD15采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+AvoiΣf+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR—16由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，

于是可得输出电压为

可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：基准电流：17

权电流型D/A转换器DAC0808的电路结构框图IO是求和电流的输出端。VREF+和VREF—接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。COMP供外接补偿电容之用。VCC和VEE为正负电源输入端。18二．D/A转换器应用举例DAC0808是8位权电流型D/A转换器，其中D0～D7是数字量输入端。用这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1。当VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ时，输出电压为：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5kΩ5kΩ5kΩREFV0.01μF13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R19DAC0808D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=10V）201.转换精度五．D/A转换器的主要技术指标（2）转换误差——D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2。此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为1/（2n-1）。2.转换速度3.温度系数——在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示D/A转换器的分辨率。（1）建立时间（tset）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1μS。21一、A/D转换的一般步骤和取样定理由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路...DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）量化:采保输出电压按某种近似方式归化到相应的离散电.编码:用一定字长的二进制码表示的过程.§9.2A/D转换器22

取样定理：

因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。式中fS为取样频率，fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。23二、取样—保持电路电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当控制信号vL为高电平时，T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。则充电结束后vO=－vI=vC。N沟道MOS管T作为开关用。当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。24(1)A/D功能:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位三、A/D功能及分类25(2)A/D转换器分类①并联比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1s②逐次逼近型

特点:转换速度中,转换时间几s~100s③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms根据内部电路不同,分为以下三类:261．并行比较型A/D转换器（3位）CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII765432127输入模拟电压寄存器状态数字量输出（代码转换器输入）（代码转换器输出）QQQQQQQ7654321DDD210vI~15()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~11033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111并行比较型A/D转换器真值表282逐次比较型A/D转换器

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx

=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx，故保留砝码总重仍<待测重量Wx，故保留砝码总重>待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论291)．转换原理：逐次比较型A/D转换器302)．逻辑电路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5313．双积分型A/D转换器它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110...（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG32（2）第一次积分阶段工作原理：（1）准备阶段计数器清零，积分电容放电，

vO=0V。t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12λott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)33由于vO<0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。t=T1=2nTC

经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：

（3）第二次积分阶段第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－VREF加到积分器的输入端；积分器开始向相反进行第二次积分。当t=t2时，积分器输出电压vO>0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。34在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2－t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ，则：可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数λ（λ=Qn-1…Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VI