AD-DA模拟数字转换电路

第6章模拟数字转换电路掌握T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及应用。掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。教学基本要求

随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术渗透到各个技术领域，各种以数字技术为基础核心的装置和系统层出不穷，如数字仪表、数字控制、数字通信、数字电视等。但是自然界中大多数物理信号和需要处理的信息却以模拟信号的形式出现，如语音、温度、位移、压力等。所以，要想用数字技术对这些信号进行处理和加工，就必须首先把模拟信号转换成数字信号，这就是模数转换（ADC）；另一方面，在许多情况下为了显示直观或便于控制，必须将数字量转换成模拟量，这就是数模转换（DAC）。概述模拟量与数字量模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器模拟输入输出系统示意图数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）

放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变利用D/A转换、A/D转换的系统想一想：你身边有哪些电子产品内需要A/D转换器和D/A转换器？

检测电路模拟电信号A/D转换数字电路或计算机系统D/A转换喇叭、显像管等声音、图像等利用D/A转换、A/D转换的系统

模拟信号模拟信号数字信号数字信号

数/模与模/数转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。随着电子技术的发展，数/模与模/数转换器的应用领域越来越广，对数/模与模/数转换器的要求也越来越高，新型的数/模与模/数转换器也不断地涌现。模拟信号数字信号：A/D转换器(ADC－AnalogDigitalConverter)数字信号模拟信号：D/A转换器(DAC－DigitalAnalogConverter)6.1

D/A转换器工作原理DAC数字/模拟转换器模拟量数字量一、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0~10V6.1D/A转换器

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个最低有效位二、D/A转换的转换特性数字量→按权相加→模拟量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13Vout＝－（D/2n）×VREF三、D/A转换器结构及工作原理由三部分电路组成电阻网络模拟电子开关求和运算放大器1加权电阻网络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。

电子模拟开关(S0-S3)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。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。这种转换器用到的权电阻规格太多，不易采用集成技术制造。2、T型R-2R电阻网络电路Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络基准电压电子开关D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R运算放大器虚地D/A转换器的原理图（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vc/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vb/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Va/2R＝VREF/（1×2R）D/A转换器的原理图（4）Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3

＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb

＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF三、DAC的主要性能参数及选用方法

指输入数字量的最低有效位（LSB）变化1个字所引起的输出电压变化值相对于满刻度值（最大输出电压）的百分比。实际使用时，常用输入数字量的位数来表示分辨率高低。一、转换精度1、分辨率分辨率的表示：

分辨率用输入二进制数的有效位数表示。如10位二进制D/A转换器，其分辨率为10位。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：位数越高，分辨率越高。2、转换误差转换误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之差称为绝对误差。对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之差同满刻度之比称为相对误差。3、线性误差通常用线性误差的大小表示D/A变换器的线性度。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（FSR）。

建立时间定义为：从输入数字量发生变化开始到输出进入稳态值±0.5LSB范围之内所需要的时间。电流输出DAC建立时间较短，电压输出DAC建立时间较长。

DAC的转换速度也称转换时间或建立时间，主要由DAC转换网络的延迟时间和运算放大器的电压变化率SR来决定。4、转换速度

5.D/A转换器输入/输出特性

输入特性

（1）输入缓冲能力（2）输入数据宽度：8位、10位、12位（3）输入码制：DAC能接收哪些码制的数字量输入。单极性输出接收二进制或BCD码；双极性输出接收补码。

输出特性（4）输出电流型、电压型（5）单极性还是双极性输出四、集成电阻网络D/A转换器的应用D/A转换器与微处理器接口设计方法

接口任务：解决数据缓冲及数据宽度匹配。

接口形式：直接与主机相连；

通过三态门或寄存器与主机相连；

利用可编程并行接口；

通过可编程逻辑器件PAL/GAL、CPLD、EPLD。

D/A转换器在实际电路中应用很广，它不仅常作为接口电路用于微机系统，而且还可利用其电路结构特征和输入、输出电量之间的关系构成数控电流源、电压源、数字式可编程增益控制电路和波形产生电路等。

1、8位集成数模转换器DAC0832DAC0832带有两个输入数据缓冲寄存器，是一种单电源（+5~+15V）的CMOS型器件。其参考电压VREF可在-9V~+9V范围内选择，转换速度约为1μs。（1）DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE＝1，直通（输出等于输入）LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1（2）单极性电压输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF

（3）D/A转换器的接口电路设计要求：采用DAC0832设计一个能产生任意波形（如正弦波、三角波等）的函数波形发生器。分析：DAC0832是分辨率为8位、芯片内部带有两级缓冲器的D/A转换器。输入无三态锁存器，接口中要加三态锁存器或并行接口。设计（1）硬件连接。采用8255A作为DAC与CPU之间的接口芯片，A端口用来数据输出，B端口用来输出控制信号。（2）软件编程。

片内有输入锁存器（DAC0832与CPU接口）DAC0832的应用电路思考：要求输出电压的最大值为10V，分辨率为10mV，则最少应选用多少位的DAC？

2、12位D/A转换器要求：对片内有输入缓冲器的12位D/A转换器设计接口，要求转换的数据按“左对齐“格式传送。分析：由于该D/A分辨率为12位（数据线有12条），且片内有两级锁存器，所以不必外加锁存器，可与CPU直接相连，但CPU的字长为８位，因此需传送两次。设计

片内有输入锁存器（DAC1210与CPU接口）D/A转换器的接口电路设计D/A转换器的接口电路设计硬件连接：

DAC1210高8位DI11~DI4连到数据线D7~D0，低4位DI3~DI0连到数据线的D7~D4，实现左对齐。高低字节锁存过程：高低字节控制端口地址分别为340H（Y0=0）、341H（Y1=0），第二级锁存地址为342H（Y2=0）。当Y0=0时，BYTE1/BYTE2=1，此时若IOW有效（WR1=0），其上升沿锁存高8位数据。当Y1=0时，BYTE1/BYTE2=0，此时若IOW有效（WR1=0），其上升沿锁存低4位数据。当Y2=0时，此时若IOW有效（WR1=0），其上升沿将12位数据锁存到12为DAC寄存器，开始D/A转换。

MOVDX，340HMOVAL，DATALMOVAL，DATAH OUTDX，ALOUTDX，AL MOVDX，342HINCDXOUTDX，AL

本节小结

D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。

如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：6.2A/D转换器模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。一、A/D转换的基本原理A/D转换的信号处理过程

二、A/D转换的基本概念A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤，前两步在取样-保持电路（S/H）中完成，后两步在A/D转换电路中完成。采样定理：fs>=2fmax（理论计算）

fs>=（4~5）fmax（实际应用）采样-保持：将采样后的值保存下来，并在采样脉冲结束之后到下一个采样脉冲到来之前保持不变，保证ADC在此期间将样值转换成数字量。其原理与峰值检测电路相同，电路有LF198等。量化与编码1、采样保持原理（1）采样和保持

采样：把在时间上是连续的输入模拟信号ui转换成在时间上是断续的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号幅度的大小。

取样定理，采样信号的频率fs和输入模拟信号的最高频率fimax之间必须满足下述条件:fs≥2fimax

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。采样保持电路采样保持电路的组成：模拟开关模拟信号存储电容缓冲放大器A/D转换——将模拟信号变换为数字信号若参考量为R，则D≈A/R?2、

量化和编码量化：将A/D转换器中取样—保持输出的阶梯离散电平都统一归并到最临近的指定电平上的过程。量化单位

量化误差——因mmin不能是无穷小而带来的误差。量化误差是不可消除的。划分量化电平的两种方法●量化误差问题：采用了A/D转换器，会不会使整个系统处理数据的精度降低？三、A/D转换器的分类与原理可分成并行比较型、逐次逼近型和积分型分类特点应用并行比较型速度最快(转换时间10ns~1us)，但设备成本较高，精度也不易做高数字通信技术和高速数据采集技术逐次逼近型工作速度中等(转换时间几us~100us)，精度也较高，成本较低中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统积分型精度可以做得很高，抗干扰性能很强，速度很慢(转换时间几百us~几ms)数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统1、并联比较型ADC

电路由三部分组成:分压器、比较器和编码器。

这种A/D变换器的优点是转换速度快，但其电路规模随着分辨率的提高呈指数增长（2n-1）,且多个比较器的亚稳态和失配引起的闪烁码造成输出不稳定，功耗和体积较大，价格昂贵比较器输入E>ux

>7E/87E/8>ux

>6E/86E/8>ux>5E/85E/8>ux

>4E/84E/8>ux

>3E/83E/8>ux

>2E/82E/8>ux

>1E/81E/8>ux

>0ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表2、逐次逼近型ADC

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：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0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di1有效0无效逐次渐近型A/D转换器的电路结构框图－＋＋10001000D/Aux(待转换的模拟电压)uouc控制逻辑数码寄存器移位寄存器时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端原理框图电压值和过程分析假设该A/D转换器所用D/A转换最大输出电压为1.0V，设输入电压为0.625V。3位数码从左到右排列分别为高位、次高位、低位，若为1时所对应的电压值如表:二进制代码“1”所在位置高位次高位低位相对应电压值（V）0．50.250.125逐次逼近过程发析如表:

即当0.625V电压输入该D/A转换器，相应输出的数字信号从最高位到最低位排列是101。

顺序顺序脉冲发生器数码逐次逼近寄存器数码uA（V）与输入电压比较结果比较后逐次逼近寄存器锁存结果（启动脉冲）000000

时钟脉冲11001000．50．625>0.5100时钟脉冲21101100.750.625<0.75100时钟脉冲31111010.6250.625=0.625101时钟脉冲4输出EOC

输出锁存结果1013位逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近输出示意图3、

双积分型ADC双积分型ADC是一种电压-时间间接型模数转换器。其转换原理如下图所示，主要有积分器、比较器、计数器和控制电路组成，其工作过程由对基准源和样值两次积分完成。

双积分型A/D转换器的电压波形图采样阶段结束时，积分器输出电压为

比较阶段结束时，积分器输出电压为

计数器记录的脉冲数N2便表示了被测电压ui在T1时间内的平均值，从而实现了A/D转换。转换前，控制电路使计数器清零，积分器输入端接地，使电容C放电至零。

采样脉冲到来时，转换开始，模拟开关使输入信号ui被采样加到反相积分器输入端，以ui

/RC速率在固定时间T1内向电容器C充电，使积分器输出端电压uC从0开始增加（极性与ui相反），同时启动计数器对时钟脉冲从零开始计数。当到达预定时间T1时，计数器的计数值表示为N1，采样阶段结束。

计数器发出溢出脉冲使计数器复零，控制电路根据ui的极性，将与ui极性相反的基准电压uref（或-uref

）加到反相积分器输入端，积分器对uref（或-uref

）以固定速率反向积分，其输出端电压从uC向零电平方向斜变，与此同时计数器重新开始计数，进入比较阶段。当uC下降到零，过零比较器输出端发出关门信号，关闭计数门停止计数，此时计数器值为N2，对应时间间隔为T2。至此一次转换过程结束。四、A/D转换器应用1.A/D转换器主要参数（1）分辨率

A/D转换器可转换的二进制位数。（2）转换时间输入启动转换信号到转换结束，最后得到稳定的数字量输出所需的时间。

2.A/D转换器外部特性

(1)启动线：由系统控制器或通过接口发出的一种控制信号，此信号一到，A/D转换器立即开始。

(2)转换结束线：转换完毕由A/D转换器发出的一种状态信号，由它申请中断、DMA传送和中断查询用。

(3)模拟信号输入线：来自被转换的对象，有单通道、多通道。3、A/D转换器接口基本原理与方法

(4）数字量输出线：由ADC将数字量送给CPU。

连接特性：（1）启动信号是电平还是脉冲；（2）芯片内是否有三态门输出锁存器，若有可直接与CPU数据线相连，否则要外加锁存器；（3）输出数字量的形式，是二进制还是BCD码。五、A/D转换器与微处理器接口方法

1.A/D转换器与CPU的连接（1）A/D转换器的分辨率与CPU的数据总线的位数关系；转换结束后存放数据时有“左对齐”和“右对齐”之分，左对齐就是一个数据的最高位放在最左边，缺位在右边，并以0补齐。右对齐就是一个数据的最低位放在最右边，缺位在左边，并以0补齐。（2）A/D转换器的输出锁存器；若A/D转换器内无数据锁存器，则A/D接口电路中应设有数据锁存器方可与数据总线相连。

A/D转换器接口基本原理与方法

(3）A/D转换转换器的启动信号。有电平启动和脉冲启动之分，如AD570是低平启动，AD574、