医学电子学第七章模数数-模转换

第7章模数与数模转换

7.1概述7.2模数转换器（ADC）7.3数模转换器（DAC）

常见的数据转换器供应商ADI亚德诺半导体TI德州仪器Maxim美信LinearTechnology凌力尔特本章主要内容数字/模拟转换和模拟/数字转换在现代测控系统中的作用。数字/模拟转换器和模拟/数字转换器的工作原理。数字/模拟转换器和模拟/数字转换器的主要性能参数和选用。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7.1概述能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁.ADC和DAC的应用：一、模数转换器的三个基本功能：采样：

将模拟信号在时间上离散化使之成为抽样信号；量化：

将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码：

将数字信号最终表示成数字系统所能接受的形式。7.2模数转换器（ADC）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。1.取样和保持取样过程

采样脉冲输入模拟信号采样输出信号抽样定理的证明（图解）抽样频率s>2m不发生混叠s<2m发生混叠s=2m临界由抽样信号恢复原连续信号

取主频带：H()矩形函数(理想低通滤波器)相乘Ts)(wsF采样完的信号可以直接进行量化转换吗？应该保证在ADC的转换时间（孔径时间）内U小于相当于ADC的LSB/2（LeastSignificantBit，最低有效位）的电压值。因此，ADC在采样电路之后须加保持电路。①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于τ，则有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样②采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。2.量化和编码将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq

。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位Δ，位数越多，量化等级越细，Δ就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。

A/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。直接A/D转换器有并行比较型、逐次比较型等。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。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型，压频变换型等。二、A/D转换器的主要电路形式1.并行比较型A/D转换器

电压比较器

U+≥U-时，Uo＝1；

U+＜U-时，Uo

＝0。工作原理：参考电压（基准电压）UREF由电阻R1、R2、R3和R4分压后输入到比较器A1、A2和A3的负输入端，而被转换的信号Ui则输入到三个比较器的正输入端。

电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成

①优点：转换速度很快，采样速率可达到1Gsps以上，故又称“闪烁式”ADC。ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。②缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n个精密电阻，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。而且功耗大，成本高。因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。通常分辨率为6位，最多不超过8位。并行比较型A/D转换器的特点：2.逐次逼近比较型A/D转换器

它由比较器、D/A转换器、逐位逼近寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，它对采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。①转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清“0”；②开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，经偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比较器中与uI′进行比较。若uI′＜uo′，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，说明数字还不够大，应将这一位保留。③然后，按同样的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型A/D转换器的工作原理：例：若UREF＝4V，n＝4。当采样保持电路输出电压uI′=2.49V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。解：量化单位为偏移电压为Δ/2＝0.125V转换的结果为：d3d2d1d0＝1010。由于逐次逼近比较型ADC同时具有较高的速度和较高的分辨率，因而应用较广、品种较多。分辨率从8位到16位，采样速度从几十kHz到几十MHz。逐次逼近比较型A/D转换器的特点：

3.双积分型A/D转换器双积分型ADC原理图双积分型ADC的转换过程图

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。

双积分型A/D转换器的特点和应用优点：分辨率较高，可达16位（如何提高精度？）；功耗低，成本低。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。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。

缺点：转换速度低，转换速度在12位时为100-300SPS。

应用：应用于低速、精密测量等领域，例如：数字电压表（交流有效值，3sps)4.压频变换型模数转换器原理：先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比与输入模拟电压信号的数字量。

特点：其优点是精度高、价格较低，功耗较低。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采样时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其缺点与积分型ADC类似，转换速率受到限制，12位时为100-300SPS。

5.流水线型模数转换器

流水线型ADC又称为子区式ADC，它由级联的若干级电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器，一个低分辨率的ADC和DAC，以及一个求和电路。用多级低分辨率的ADC组成高分辨率的ADC.流水线型模数转换器特点优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，可达10MSPS；多级转换提高了ADC的分辨率。缺点：复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路造成流水线延迟；同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，会影响增益的线性、失调及其他参数。

6.∑-Δ型模数转换器Σ-Δ型模数转换器由Σ-Δ调制器（又称总和增量调制器）和数字抽取滤波器组成。Σ-Δ型模数转换器总体框图

（1）.∑-Δ调制器（增量调制器）量化原理

1位D／A转换器可用积分器来完成，同时为了改进增量调制器的高频性能，先将输人信号进行积分后再进行增量调制。（2）.∑-Δ调制器量化噪声

∑-Δ调制器频域模型

（3）.数字抽取滤波器三个作用：（1）低通滤波将∑-Δ调制器输出噪声减至最小。（2）滤除奈奎斯特频率以上的频率分量以防止由于数字抽取产生的混叠失真。（3）进行抽取和滤波运算，减少数据率，并将1位数字信号转换为高位数字信号。（4）∑-Δ型模数转换器的使用不能采用时分复用技术无需抗混叠滤波器分辨率=1.分辨率分辨率指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）。三、A/D转换器的主要技术指标例如，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

2.转换时间转换时间（孔径时间）是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。

A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；②逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；③并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。3.各种ADC性能比较传统方式的ADC，例如：逐次逼近型、积分型、压频变换型主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。在并行基础上发展起来的分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集术等领域。这些高速ADC的不足之处就是分辨率不高，无法实现大动态范围及微弱信号的检测。90年代以来获得很大发展的∑-Δ型ADC利用高抽样率和数字信号处理技术，将抽样、量化、数字信号处理融为一体，从而获得了高精度的ADC，目前可达24位以上，∑-Δ型ADC由于其极高的分辨率，在很多应用领域可以直接对传感器的输出信号进行转换处理而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路；∑-Δ型ADC不断提高的转换速度和相对低廉的价格，日益拓宽它的应用领域，对测控电路的设计必将带来深刻的影响和变革。目前，这一类型的ADC的主要缺点是转换速度还不高，很难实现高频信号的检测。

四、8位集成ADC08091.ADC0809特性参数分辨率：8位精度：8位转换时间：100µs增益温度系数：20ppm/℃输入电平：TTL功耗：15mW

ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。②发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；2.ADC0809工作原理④转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。①输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；③转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；IN0～IN7：8路模拟电压输入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二进制数码输出。OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端3.ADC0809引脚功能CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。

D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。K为比例系数，一般为UREF/2n为参考电压.一、D/A转换器的基本工作原理7.3数模转换器（DAC）

D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。uO＝KDn

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、解码电阻网络和求和电路等组成。数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码电阻网络n位数字量输入模拟量输出求和电路参考电压n位D/A转换器方框图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；寄存器输出的每位数码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。

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。即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。为数模转换器的量化单位。1.权电阻网络D/A转换器权电阻网络DAC原理图二、D/A转换器的主要电路形式权电阻双向模拟开关数字量输入模拟量输出权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。权电阻网络DAC的原理分析开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。虚短虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器输出电压为令RF=R/2，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。因而uO的变化范围是当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0；当Dn=Dn-1…D0=11…1时，。权电阻网络D/A转换器的特点①优点：结构简单，电阻元件数较少；②缺点：阻值相差较大,分散性很大，制造工艺复杂，实际精度较低。2.倒T型电阻网络D/A转换器数字量输入模拟量输出电阻解码网络中，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。这样，倒T型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。求和点倒T型电阻网络D/A转换器原理图参考电压UREF供出的总电流为：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为：倒T型电阻网络D/A转换器的特点：

①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。开关切换是在地和虚地进行，所以进入T型电阻网络的电流恒定，不随数码的变化而变化。②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。令RF=R，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。分辨率1.分辨率三、D/A转换器的主要技术指标①D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－可用输入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。②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。可用DAC最低位产生一次变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量来表示分辨率。2.转换精度

D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。如果不考虑D/AC的误差，D/AC的转换精度即为其分辨率的大小。因此，要获得一定精度的D/A转换结果，首要条件是选择有足够分辨率的D/AC。当然，D/AC的精度不仅与D/AC本身有关，也与外围电路以及电源有关。影响转换精度的主要误差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和非线性误差等等。

3.标称满量程与实际满量程

标称满量程是指对应数字量标称值的模拟输出量。而对于二进制的DAC，其实际数字量最大值为2n－1，要比标称值小1个LSB，因此，实际满量程要比标称满量程小一个相当于1个LSB的模拟量。4.转换速度从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差±0.5LSB范围内所需要的时间，称为建立时间tset。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。5.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，单位为ppm/℃6.电源变化抑制比（PSRR）

描述电源变化对D/AC的影响的参数，它用电源变化1V时所产生的输出误差相对满量程的比值来表示，其单位为×10-6/V，ppm/V

。7.其他结构和应用特性数字输入特性包括接收数码制式、数据格式和逻辑电平等。模拟输出特性是电流输出还是电压输出，满量程电压或电流，最大输出短路电流（或是否允许输出短路），以及输出电压允许的范围。锁存特性及转换特性是否具有锁存缓冲器，是单缓冲还是双缓冲，如何启动转换等等。基准电源是否具有内部基准电压，或需要外部基准电源，基准电源的大小、极性，等等。电源功耗的大小，是否具有降低功耗的模式，正常工作需要几组电源及其电压的高低等。1.DAC0832结构框图四、8位集成DAC08328位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB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R-2R电阻网络。LE＝1，跟随＝0，锁存2.DAC0832引脚功能DI7～DI0：8位输入数据信号。IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满量程输出）；为全0时，IOUT1为0。IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足IOUT1+IOUT2＝满量程输出电流。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。

CS：片选信号，低电平有效。WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）XFER：数据传送选通信号，低电平有效。

WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）任何导线都可以被理解成电阻，因