第11章数模和模数转换器

第11章数模和模数转换器§11.1概述§11.2数模转换器

§11.3模数转换器数模转换器（简称D/A转换器或DAC）§11.1概述能够将数字信号转换成模拟信号的电路。模数转换器（简称A/D转换器或ADC）能够将模拟信号转换成数字信号的电路。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，在各种系统中应用很广。非电模拟量电压模拟量ASADCASADCASADCA'ADCA'ADC………………数字控制或计算电路（微机或单片机）DACDACDACDACDAC……UUU…UU数字控制系统方框图…传感器执行单元传感器(温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机自动测试系统方框图计算机系统只能处理数字信息，为了使它能够处理声音、图像、视频等多媒体信息，音频、视频的采集和输出都离不开ADC和DAC电路。声卡声卡的外部连接一、D/A转换器的基本工作原理DAC实质上是一个译码器（解码器），将输入的二进制数字量转换成模拟量，并以电压或电流的形式输出。§11.2D/A转换器

D/A

…

(MSB)

(LSB)

D0Dn-2Dn-1D1vO(iO)DAC的输出特性:DAC输出特性000000110110100111001111103579111315vO/kDI1101DAC输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比：两个相邻数码转换出的电压值之间的差值，是信息所能分辨的最小量(1LSB)；最大输入数字量对应的输出电压值(绝对值)用FSR表示。1LSBLeastSignificantBitFSRFullScaleRange将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。1、数/模转换方法：2、D/A转换器的一般构成D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。

数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位的权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。n位数字量输入模拟量输出n位D/A转换器方框图数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码网络求和电路参考电压

按解码网络的结构不同，有权电阻网络DAC、倒T型电阻网络DAC、权电流型DAC等。二、权电阻网络D/A转换器“权电阻”：电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。di=1时，Si

接VREF

；di

=0时，Si

接地。“电子开关”：1、电路构成VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSB权电阻双向模拟开关求和电路运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。“求和电路”：运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。“求和电路”：二、权电阻网络D/A转换器2、工作原理运放工作在线性区，虚地，U-=0。若di=0，Si接地，Ii=0若di=1，Si接VREF，I0=VREF8RI1=VREF4R“权电阻”：电阻值的大小与有关数字量的权重密切相关。di=1时，Si

接VREF

；di

=0时，Si

接地。“电子开关”：I=I3+I2+I1

+I0输入的数字量VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSBI2=VREF2RI3=VREFR二、权电阻网络D/A转换器2、工作原理VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSB对于n位的DAC，输出电压的计算式为：3、电路特点：（1）结构简单；（2）电阻的阻值相差较大，在位数多时，很难保证精度。输出电压的范围：单位电压极性与参考电压相反。VREFVORF三、倒T型电阻网络D/A转换器1、电路构成

解码电路中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R总是与地相连。流经2R电阻上的支路电流与开关状态无关。求和点虚地VREFVORF2、工作原理求和点虚地从每个节点向左看，等效电阻均为2R；整个网络的等效输入电阻为R。2R2R2R2R

RII2I4I8I16I2I4I8流入求和点的总电流为：I∑流入求和点的电流为：运算放大器的输出电压为：即输出的模拟电压uO正比于输入的数字量NB，从而实现了从数字量到模拟量的转换。VREFVORF②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用

较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒

T型电阻网络。3、倒T型电阻网络DAC的特点：①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；

而且支路电流同时流入求和点，不存在时间差，因而提

高了转换速度。四、权电流型D/A转换器各支路恒流源的大小与对应数字量的权重成正比。+-uORF-VREFS0S1S2S3iD0D1D2D316I8I4I2I若Di=0，Si接地，Ii不能加到运放输入端若Di=1，Si将对应的恒流源加到运放输入端对于n位的DAC：五、D/A转换器的主要技术指标DAC的主要技术指标有：转换精度、转换速度。1、分辨率定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。05/75001010011100101110111vo/VD000n位DAC有2n个不同的模拟量输出值，即分辨率为2n，实际中通常用输入数字量的有效位数表示DAC的分辨率，显然位数越多，分辨率越高。如10位、8位等。另外也用DAC的最小非零输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率:分辨率DAC的转换精度通常用分辨率、转换误差来描述。2、转换误差①用最低有效位的倍数表示。如：某个DAC的转换误差为1/2LSB，表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等于输入数字代码为00……1时输出电压的一半。②用输出电压满刻度的百分数表示。（1）造成转换误差的主要原因：参考电压VREF的波动－－比例系数误差运算放大器的零点漂移－－失调误差模拟开关的导通内阻和导通电压电阻网络中的电阻值偏差等转换误差－－指输出模拟电压的实际值与理想值之差的最大值。

－－非线性误差（2）转换误差的表示方法：如：1％（FSR）建立时间

tSet

：输入由全0变为全1，输出电压与稳态值相差（±LSB/2)所需的时间。目前单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到0.1微秒以内。这个参数的值越小越好，3、转换速度当DAC输入的数字量发生变化时，输出的模拟量需要延迟一段时间后才能达到对应的稳态值，如图示。通常用建立时间来描述DAC的转换速度。1.DAC0832结构框图它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型电阻解码网络。六、集成DAC0832数字信号输入输入锁存允许信号片选信号写信号1写信号2通道控制信号基准电压模拟输出电流1模拟输出电流2反馈电阻引出端模拟地数字地电源(5~15V)(-10~+10V)(接运放的反相端)(接运放的同相端)（采用CMOS工艺制成的8位中速D/A转换器）8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBLE＝1，跟随＝0，锁存

当ILE、CS'和WR'1同时有效时，输入数据DI7～DI0进入输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR'2和XFER'同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。2、DAC0832的三种工作方式：（b）单缓冲方式：适于单个DAC工作。寄存器2作数据通道，此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。小结能够将数字信号转换为模拟信号的电路称为D/A转换器(DAC)DAC的电路结构形式主要有权电阻型、倒T型电阻网络及权

电流型，目前TTL产品多为权电流型（精度高、速度快），

CMOS产品多采用倒T型电阻网络（功耗低）。DAC的模拟输出电压与输入的二进制数成正比，其通式为：DAC的主要技术为转换精度和转化速度转换精度用分辨率和转换误差表示；转换速度用建立时间来表示。【例1】已知某8位D/A转换器的输入为11010001时，输出VO=2.09V，求输入为00111100时的输出电压值。解：DAC的模拟输出电压的通式为：§11.3模/数转换器(ADC)二、并联比较型ADC三、逐次渐近型ADC五、A/D转换器的主要技术指标

一、A/D转换原理四、双积分型ADC六、集成ADC0809因为输入的模拟量在时间上是连续的，一、A/D转换原理在A/D转换中，而输出的数字信号是离散量，系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，值转换为输出的数字量。A/D转换过程包括四个步骤：所以进行转换时只能在一然后再把这些采样0tui将取样得到的电压转换为相应的数字量需要一定的时间，所以取样后必须把取样电压保持一段时间，以保证完成A/D转换。取样保持量化编码vIDO1.取样和保持

取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。fi(t)fO(t)S(t)模拟开关S(t)取样脉冲fO(t)

样值脉冲输出fi(t)

模拟输入为了保证能从采样信号将原信号恢复，要求：fS

：采样频率；fimax

：vi

的最高频率分量。——采样定理在工程设计中通常取：模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。一般取样与保持过程都是同时完成的。①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，vI向电容C充电，假定充电时间远小于τ，则：vO(t)＝vC(t)＝vI(t)。（采样）②采样结束，VT截止，电容无放电回路，输出电压得以保持，直到下一个采样脉冲到来为止。（保持）取样保持电路vO-+vICS(t)采样门跟随器tvOvI采样保持采样保持采样保持采样保持采样保持2.量化和编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化这就是说，是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个这个转化过程就叫做“量化”。所取的最小数量单位叫做量化单位，显然，数字信号最低有效位的“1”代表的数量就等于。把量化的结果用代码(二进制或二－十进制)表示出来，称为“编码”，也是不连续的。任何一个数字量的大小只能最小单位的整数倍。用“”表示。这些代码就是A/D转换的输出结果。由于模拟电压是连续的，它不一定能被整除，因而量化过程不可避免地会引入误差——“量化误差”。量化误差为原理误差，是不可消除的，位数越大，误差越小。采用不同方法划分量化电平，会有不同的误差。3.量化的方法与量化误差（1）舍尾取整法当vI的尾数＜Δ时，舍尾取整。01V1/82/83/84/85/86/87/801Δ2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7Δ000001010011100101110111这种方法ε>0，000000011101100001（2）四舍五入法当vI的尾数＜/2时，舍尾取整。这种方法ε可正可负，当vI的尾数>/2时，舍尾入整。00000001110110000100000110011010001001V1/153/155/157/159/1511/1513/1501Δ2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7Δ000001010011100101110111A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有并联比较型、逐次渐进型等。间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。4、A/D转换器的主要电路形式A/D转换器的分类、特点及应用分类特点应用并联比较型速度最快，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渐近型工作速度中等，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，速度很慢数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统-11DC1Q1-21DC1Q2-31DC1Q3-41DC1Q4-51DC1Q5-61DC1Q6-71DC1Q7VREFVICPI1I2I3I4I5I6I7D0D1D2RRRRRRRR/2二、并联比较型ADC优先编码器寄存器比较器1315VREF1115VREF915VREF715VREF515VREF315VREF115VREF输入输出关系表P531表11.3.7例：设VREF=10V，当输入为5V时，输出的数字量＝？0001111901570155015301510151101513015100（1）优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。（2）缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并联比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。（3）应用：适用于高速，精度较低的场合。并联比较型A/D转换器的特点：

三、逐次渐近型ADC设待秤重量Wx=13克，逐次渐近型ADC的工作原理可用天平秤重过程来说明：若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。可以用下表步骤来秤量：第1次加8克砝码总重<

待测重量Wx，8克第2次加4克砝码总重<

待测重量Wx，12克第3次加2克砝码总重

>

待测重量Wx，12克第4次砝码总重＝待测重量Wx，加1克13克故保留故保留故撤除故保留砝码重暂时结果

结论（一）电路组成n位ADC完成一次A/D转换所需的时间为（n+2）TCP。（二）A/D转换过程①转换前寄存器清零；②将寄存器最高位置1；输出数据为100…0，该数码经DAC转换成v'O，将vI与v'O进行比较，

v'O<

vI，最高位的1保留；v'O>

vI，最高位的1清除；③将寄存器次高位置1；输出数据为×10…0，重复②。④比较完毕后，将寄存器中的数据送到输出端。⑤复位，回到转换前的初始状态。D/A转换器vI+-v'O数据寄存器移位寄存器D7D0……启动脉冲控制逻辑VREFCP

三、逐次渐近型ADC分辨率较高转换误差较低转换速度较快（比并联比较型慢）应用较为广泛（二）逐次渐近型ADC的特点

四、双积分型ADC

双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。

S2n位二进制计数器定时器逻辑控制门uIS1RCuOCOCP&dn-1d0基准电压输入电压-+-+积分器时钟脉冲控制门过零比较器（1）性能稳定，转换精度高。

其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波

电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围

内变化，而不影响转换结果。（2）电路简单，抗干扰能力强。

由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而

T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输

入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。（3）这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要

求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。

这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要

求不高的仪器中。双积分型ADC的特点：五、ADC的主要技术指标1、分辨率分辨率=例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为：

分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的1/2n）。ADC的主要技术指标有转换精度和转换速度。2.转换误差

它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差≤。就表明实际输出的数字量和

理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。3、转换时间

转换时间是指