第12章 模数及数模转换电路

12.1概述12.2D/A转换器12.3A/D转换器12.4本章小结12.1概述模数转换器数模转换器模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电信号到数字电信号的转换。（Analog-DigitalConverter），简称A/D转换器、ADC数模转换器一般属于系统的后级电路，完成数字电信号到模拟电信号的转换。（Digital-AnalogConverter），简称D/A转换器、DAC12.2D/A转换器12.2.1D/A转换原理…d0d1dn-1DACuO或iO例如：DuO/V7654321001010011100101110111输出模拟电压实际是不连续的，而是由一系列“台阶电压”组成。其最小单位就是输入“00…01”所对应的模拟电压大小，就是比例系数k的大小。MSB：输入n位二进制数

的最高位；LSB：最低位；FSR：最大输入数字量

“11…11”。一.权电阻网络DAC1.电路结构000011112.工作原理一.权电阻网络DAC1.电路结构000011113.器件特点优点：电路结构简单；转换速度也比较快。缺陷：电路中电阻大小各不相同，且差异很大，转换器位数越大，这种差异就越大。权电阻的阻值精度直接限制了转换精度。同时不利于集成化。电子开关的导通电阻和导通压降都会影响转换精度和转换速度。二.倒T形电阻网络DAC1.电路结构RRRR111100002.工作原理外接电压VREF输出的总电流：3.器件特点只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。倒T型电阻网络DAC的转换精度和转换速度，都优于权电阻网络DAC，许多型号的集成DAC芯片都采用此结构。三.其他类型DAC1.权电流型DAC2.权电容型DAC3.双极性输出型DAC电路结构与权电阻网络DAC类似，内部使用多个恒流源，其大小依次为前一个的一半，从而构成“权结构”。仍采用权电阻网络DAC类似的电路结构，但用多个电容替代了权电阻网络中的各电阻，且电容大小仍满足“权结构”。实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号转换为对应的模拟信号，此时就需要使用双极性输出型DAC。12.2.2D/A转换器的性能指标一.转换精度表征DAC的理论转换精度。分辨率转换误差表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。1.分辨率DAC输入的最小有效数字“00…01”和最大有效数字“11…11”分别对应的输出模拟量的比值，即MSB和FSR对应的输出模拟量的比值。n位DAC器件，常常直接把“2n”或者“n位”称为分辨率。例如：8位DAC的分辨率就是255，或者8位。一.转换精度2.转换误差转换误差是一个综合性的静态指标，它通常包括比例系数误差、非线性误差、漂移误差等多个成分，这些误差的绝对值之和，就是DAC的转换误差大小。由于DAC电路内各环节不可避免地存在与理论性能不一致的差异，因此实际的输出模拟量和理论输出量之间存在一定误差，这种误差的最大差值称为DAC的转换误差。二.转换速度（建立时间）DAC的转换速度通常用建立时间来描述，指从数字信号输入DAC开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整个转换过程所需要的时间。建立时间tset的定量：

从输入数字量发生突变开始，到输出模拟量进入与稳态值相差±(1/2)LSB范围以内的这段时间。现在常用的集成DAC器件从内部组成上区分，有两大类：★内部只包含电阻网络（或恒流源网络、电容网络等）

和电子开关。★另一类内部还集成了运算放大器和参考电压源发生器。使用时需要外接运算放大器和参考电压源，其转换速度相对较慢，建立时间比第二类大一些。同时，要选用高稳定度的参考电压源和低漂移高精度的运算放大器，以降低转换误差。使用更方便，转换速度也更快。A/D转换器（模数转换器）（ADC）模拟信号数字信号★直接ADC★间接ADC通过一套基准电压与取样保持信号相比较，从而直接转换为数字量。一般而言，转换速度较快，转换精度与基准电压设定精度有很大关系。常见的有并联比较型ADC、逐次逼近型ADC等。将输入的模拟信号首先转换为与其成正比的时间或频率，然后再以某种方式将中间量转换为数字量，也常称为计数式ADC。可实现很高的转换精度，但转换速度往往不如直接ADC。常见的有双积分型ADC（V-T变换型）、V-f

变换型ADC等。12.3.1D/A转换原理12.3A/D转换器一.A/D转换原理取样保持量化编码量化编码电路uI(t)模拟信号uI(t)…数字信号dn-1d1d0取样保持电路1.取样和保持取样保持电路tuStuItuI1取样保持tuI取样定理fS≥2fImax

在取样间隔内完成对应的量化和编码，输出对应的数字信号。取样-保持电路★取样过程取样脉冲S(t)=1期间：CuIuOuCVTAS(t)VT导通，输入模拟信号uI

(t)经VT向电容C充电。电容的充电时间常数远小于取样脉冲脉宽，则电容电压uC

(t)在取样期间完全可以跟上输入信号uI

(t)的变化，uO

(t)=uI

(t)

。★保持过程取样脉冲S(t)=0期间：VT截止，则电容电压uC

(t)将保持为前一个瞬间uI

(t)的数值，相应的输出信号也保持为该数值不变，直到下一次取样时刻的到来。2.量化和编码tuI量化单位△

输出

n位数字信号“00…01”对应的输入模拟电压，是量化的最小数量单位。0V1/8V3/8V5/8V6/8V7/8V1V4/8V2/8V输入0～1V输出3位代码0000010100111001011101110000101001011101110110010000101001011101110110011/15V5/15V9/15V11/15V13/15V7/15V3/15V0V1/8V3/8V5/8V6/8V7/8V1V4/8V2/8V模拟信号二进制代码0=0V1=1/8V2=2/8V3=3/8V4=4/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V

代表的模拟电压二进制代码0V1V模拟信号舍去法0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V

代表的模拟电压四舍五入法量化方式与量化误差取样保持量化编码时间上离散幅值上离散幅值归并代码赋值取样定理量化编码的工作区间量化方式量化误差最终数字化①对工作过程的理解②③总结二.并联比较型ADC1.电路结构2.工作原理100000000010101100uI

Q7

Q6

Q5

Q4

Q3

Q2

Q1d2

d1

d0OOOOOOOOOOOOO1OOOOO11OOOO111OOO1111OO11111O1111111111111OOOOO1O1OO111OO1O111O111代码转换表3.器件特点并联比较型ADC的最显著优点是转换速度快，转换时间纳秒（ns）级，并且，如果增加输出代码位数，对转换时间的影响很小。

转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细（即△越小），精度越高。此外，转换精度还受分压电阻和外接参考电平的精度、电压比较器的灵敏度的影响。并联比较型ADC的主要缺点是使用的比较器和触发器太多，并且，随着输出代码位数的增加，数量还会急剧增加。综上所述，并联比较型ADC适用于要求转换速度很高，但转换精度不太高的场合。三.逐次逼近型ADC1.电路结构uOCDAC逐次渐进寄存器输入模拟信号uI转换控制信号uLCLK(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)并行数字输出★开始转换前，

先将寄存器。★uL有效时，开始转换，寄存器的最高位置1，输出为10…0，并被DAC转换为对应的模拟电压uO，送入电压比较器C，与uI比较。◆如果uO>uI：则去掉对应的1；◆如果uO>uI：则保留对应的1。★然后以相同的方法将寄存器输出状态的次高位置1，并继续

比较,确定是否该保留这个1。★按上述方法逐位比较，直到最低位比较完为止。用天平秤重过程比喻说明。四个砝码重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=5克，可以用下表步骤秤量：4g4g+2g4g+1g8g8g>5g，4g<5g，6g>5g，5g＝5g，0g4g4g5g撤去保留撤去保留234

1暂时结果砝码重比较判断顺序n位计满只需

n个CLK2.工作原理3位：5个CLKn位:(n+2)个CLKVR转换开始前各触发器状态放哪一个砝码砝码是否保留试探电压待转换模拟电压VR10010101000VR-8V100101010005.5V第1个CLK来到后各触发器状态?000VR-8V5.5V01100?01000?0004V000第1个CLK来到后各触发器状态第2个CLK来到后各触发器状态?000VR-8V5.5V01011000010??6V1100第2个CLK来到后各触发器状态第3个CLK来到后各触发器状态?000VR-8V5.5V0011010005V？0000？00第3个CLK来到后各触发器状态第4个CLK来到后各触发器状态?000VR-8V5.5V第4个CLK来到后各触发器状态5V01000001100000011第5个CLK来到后各触发器状态？0VR-8V100101010005.5V第5个CLK来到后各触发器状态000第6个CLK来到后各触发器状态?3位转换只需5个CLK时间n位转换只需n+2个CLK时间011第二次转换5V03.器件特点

n位逐次逼近型ADC，完成一次转换需要n+2个时钟信号周期的时间，转换速度要慢一些，属于中速ADC。而并联比较型ADC一般都是高速ADC。当输出数字量位数较高时，逐次逼近型ADC的电路规模比并联比较型ADC小很多，更适于集成，可以用于实现高分辨率ADC，而转换误差也易于控制。逐次逼近型ADC是目前集成ADC产品中应用最广泛的形式。四.双积分型ADC1.电路结构1.工作原理3.器件特点

双积分型ADC的最显著优点是工作性能稳定，转换精度高。转换结果与R、C的具体数值无关，而且其数值误差也不会影响转换精度。也不要求使用高稳定度的时钟信号源，只要求时钟信号源在一个转换周期内（即两次积分过程中），保持稳定即可。双积分型ADC的另一个优点是抗干扰能力强，对交流噪声有很强的抑制能力，电路结构也相对简单。综上所述，双积分型ADC主要适用于要求转换精度很高，但转换速度要求不高的场合。双积分型ADC的主要缺点是工作速度低，目前常见的单片产品的转换速度一般都在每秒几十次以内。12.3.2A/D转换器的性能指标一.转换精度1.分辨率ADC的分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，用来说明ADC对输入模拟信号的分辨能力，是ADC在理论上能达到的转换精度。3位半十进制

例如：输出信号为n位二进制数字量的ADC，能分辨的输入电压的最小差异为(1/2n)FSR（最大量程的1/2n）。4位半十进制输出十进制数可以从0到1999输出十进制数可以从0到19999一.转换精度2.转换误差具体表示时：ADC的转换误差一