第九章数模与模数转换器

第九章 模数与数模转换器9.1D/A转换器9.2A/D转换器◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎1D/A转换、A/D转换的应用

模

拟

传感器

A/D

转换器

数字控制

计算机

D/A

转换器

模拟控制器

工业生产过程控制对象

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器(温度、压力、流量、应力等）计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制信号2本章教学目标数字电路shuzidianlu正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。掌握并行比较、逐次比较A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器7533的工作原理及相关计算。正确理解D/A转换器的两种输出方式。39.1.2倒T形电阻网络D/A转换器

9.1.3权电流型D/A转换器

9.1.4D/A转换器的输出方式

9.1.5D/A转换器的主要技术指标

9.1.6集成D/A转换及其应用

9.1.1D/A转换器的基本原理

9.1D/A转换器41、DAC的功能:将数字量成正比地转换与之对应的模拟量。（设D/A转换器的输入数字量为n位）n位数字量模拟量0~5V或0~10V等9.1.1D/A转换器的基本原理DAC4位8位10位12位16位等n=52.D/A转换器的组成:9.1.1D/A转换器的基本原理用来存放数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压69.1.1D/A转换器的基本原理73.D/A转换器的分类:9.1.1D/A转换器的基本原理按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC

权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转

换

器89.1.2倒T形电阻网络D/A转换器Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”或虚地。1、4位倒T型电阻网络D/A转换器9D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器10工作原理：II2I1I0I3流入运放的总电流：

i

＝I0D0

+I1D1

+I2D2

+I3D39.1.2倒T形电阻网络D/A转换器11工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压：

9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器12工作原理：4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：推广到n位倒T形电阻网络DAC,有：令：则O=–KNB

上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器132、集成D/A转换器RF−+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KΩ············IOUT1IOUT2AD7533使用:1)要外接运放。2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器14RR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模拟开关电路9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器15为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(3)每个模拟开关的开关电压降要相等；(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器169.1.3权电流型D/A转换器Di=1时，开关Si接运放的反相端;

Di=0时，开关Si接地。电路在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？1、4位权电流D/A转换器17实际的权电流D/A转换器电路9.1.3权电流型D/A转换器18输出电压或为0伏到正满度值，或为0伏到负满度值。称为单极性输出方式。采用单极性输出方式时，输入数字量采用自然二进制码。对权电流D/A转换器，如果R1=Rf,则有对倒T型电阻网络D/A转换器，如果R=Rf,则有9.1.4D/A转换器的输出方式19D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0模拟量1111111110000001100000000111111100000001000000009.1.4D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系……20倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路反相输出同相输出

9.1.4D/A转换器的输出方式21在实际应用中，D/A转换器输入的数字量有正极性也有负极性。这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量对应转换为正、负极性的模拟电压，工作于双极性方式。双极性D/A转换器常用的编码有：2的补码、偏移二进制码及符号-数值码（符号位加数值码）等。9.1.4D/A转换器的输出方式229.1.4D/A转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器输入与输出关系十进制数2的补码偏移二进制码模拟量D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1D0D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0O/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126…－11111111101111111－1…－1271000000100000001－127－1281000000000000000－12823比较表9·1·2和表9·1·1可见，偏移二进制码与无符号二进制码形式上相同，它实际上是将二进制码对应的模拟量的0值偏移至80H，使偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于128的则为负数。所以，若将单极性8位D/A转换器的输出电压减去VREF/2(80H所对应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码输出电压。若D/A转换器输入数字量是2的补码，则先将它转换为偏移二进制码，然后输入到上述D/A转换电路中就可实现其双极性输出。而2的补码加80H并舍弃进位就可得到偏移二进制码。实现2的补码加80H只需将2的补码的高位求反即可。9.1.4D/A转换器的输出方式249.1.4D/A转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器NB’｛｝259.1.5D/A转换器的主要技术指标2、转换精度：是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。即：转换误差的最大值1、分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为26转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等9.1.5D/A转换器的主要技术指标9.1.5D/A转换器的主要技术指标比例系数误差（由ΔVREF引起）；失调误差（由运算放大器的零点漂移引起）；非线性误差（由模拟开关和电阻网络中的电阻误差等引起）。279.1.5D/A转换器的主要技术指标（1）比例系数误差：是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。

如在n位倒T形电阻网络D/A转换器中，当VREF偏离标准值△VREF时，就会在输出端产生误差电压。由△VREF引起的误差属于比例系数误差。

289.1.5D/A转换器的主要技术指标（2）失调误差：由运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移。三位D/A转换器的失调误差29（3）非线性误差:是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，用偏移理想的转移特性的最大值来表示。模拟开关处于不同的位置有不同的导通电压和导通电阻，各电阻支路电阻误差不同等都可能导致非线性误差。综上所述，高精度的D/A转换器必需是高分辨率的D/A转换器、高稳定度的VREF和低零点漂移的运放相配合才能实现。9.1.5D/A转换器的主要技术指标309.1.5D/A转换器的主要技术指标3、转换速度：是指当D/A转换器输入的数字量发生变化时输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，它要延长一段时间。4、温度系数：是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度的变化而产生的变化。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。建立时间（tset)：输入的数字量发生变化时,输出电压变化到相应稳定值(达到误差±LSB/2时）所需时间。一般用全0变到全1需时表示转换速率（SR)：大信号工作状态下模拟电压的最大变化率。319.1.6集成D/A转换器及其应用1.数字式可编程增益控制器10位CMOS电流开关型D/A转换器

329.1.6集成D/A转换器及其应用1.数字式可编程增益控制器根据虚地原理，由图得3374163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：0000~10019.1.6集成D/A转换器及其应用2.脉冲波产生电路349.2.1A/D转换的一般工作过程

9.2.2并行比较型A/D转换器

9.2.3逐次比较型A/D转换器*9.2.4双积分式A/D转换器

*9.2.5A/D转换器的主要技术指标

9.2A/D转换器*9.2.6集成A/D转换器及其应用

35

A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号。它一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。A/D转换器概述ADCDn~D0输出数字量输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能:362.A/D转换器分类①并行比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1s,但电路复杂。②逐次逼近型

特点:转换速度适中,转换时间为几s~100s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms,但抗干扰能力最强。A/D转换器概述379.2.1A/D转换的一般工作过程

1.取样与保持

采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。

采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。

采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimax 38

要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。电路要求：AV1AV2=1,A1的Ri高，A2的Ri高，A2的Ro低采样不能放电保持（1）取样与保持电路及工作原理9.2.1A/D转换的一般工作过程

392.量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将采样–保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化编码9.2.1A/D转换的一般工作过程

40(1)量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。9.2.1A/D转换的一般工作过程

41只舍不入量化方式:量化中把不足1个量化单位的部分舍弃；最大量化误差为：四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为（2）两种量化方式01V1111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号编码模拟电平01V110101100011010001000输入信号编码模拟电平0Δ=0v1Δ=2/15v2Δ=4/15v3Δ=6/15v4Δ=8/15v5Δ=10/15v6Δ=12/15v7Δ=14/15v1119.2.1A/D转换的一般工作过程

429.2.2并行比较型A/D转换器1、电路组成

电压比较器输入模拟电压精密电阻网络（23个电阻）精密参考电压D触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量439.2.2并行比较型A/D转换器2、工作原理11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高001vivO44

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。9.2.2并行比较型A/D转换器2、工作原理459.2.2并行比较型A/D转换器3、电路特点在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端，从I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间。

缺点是电路复杂，如三位ADC需比较器的个数目为7个，位数越多矛盾越突出。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。469.2.3

逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似

。所加砝码重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝码总重<待测重量Wx，8克砝码保留砝码总重仍<待测重量Wx，4克砝码保留砝码总重>待测重量Wx，2克砝码撤除砝码总重＝待测重量Wx，1克砝码保留

结果8克12克12克13克

1.转换原理

所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。称重过程

471.转换原理

100…0100…0I

≥VREF/2

1I

<VREF/2

09.2.3逐次比较型A/D转换器481.转换原理

010…0010…0I

≥3/4VREF

1010I

<3/4VREF

9.2.3逐次比较型A/D转换器491.转换原理001…0001…0I

≥5/8VREF