数模与模数转换器

数模与模数转换器第1页，共77页，2023年，2月20日，星期六

10.1D/A(AnalogtoDigital)转换器

10.2A/D(Digital

toAnalog)转换器

10.0引言本章内容简介:第2页，共77页，2023年，2月20日，星期六教学基本要求1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器7520的工作原理及相关计算。2、正确理解D/A转换器的两种输出方式。3、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。4、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter第3页，共77页，2023年，2月20日，星期六D/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第4页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器

10.1.2权电流型D/A转换器

10.1.3D/A转换器的输出方式

10.1.4D/A转换器的主要技术指标

10.1.5集成D/A转换及其应用

10.1.0D/A转换器概述

10.1D/A转换器第5页，共77页，2023年，2月20日，星期六1、DAC的功能:将数字量成正比地转换与之对应成模拟量。（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10.1.0D/A转换器概述DAC4位8位10位1位16位等n=第6页，共77页，2023年，2月20日，星期六如何实现D/A？10.1.0D/A转换器概述

数字量是用代码按数位组合而成的,对于有权码,每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后，将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的模拟量,这样，就可以实现数字量--模拟量的转换。2.

实现D/A转换的基本思想第7页，共77页，2023年，2月20日，星期六3.

D/A转换器的组成:10.1.0D/A转换器概述电阻网络模拟电子开关求和运算放大器第8页，共77页，2023年，2月20日，星期六4.

D/A转换器的分类:10.1.0D/A转换器概述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

器第9页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.1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、原理电路第10页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器2、D/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。第11页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器3.工作原理：II2I1I0I3流入运放的总电流：

i＝

I0+I1+I2+I3(10.1.1)第12页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器3.工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压：

(10.1.2)第13页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器3.工作原理：4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：(10.1.2)推广到n位倒T形电阻网络DAC,有：(10.1.3)令：则O=–KNB

(10.1.4)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。第14页，共77页，2023年，2月20日，星期六为提高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。10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器第15页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.2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？第16页，共77页，2023年，2月20日，星期六实际的权电流D/A转换器电路10.1.2权电流型D/A转换器第17页，共77页，2023年，2月20日，星期六D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0模拟量11111111100000011000000001111111000000010000000010.1.3D/A转换器的输出方式表10.1.18位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系……第18页，共77页，2023年，2月20日，星期六1.单极性输出方式

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

10.1.3D/A转换器的输出方式第19页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.3D/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…－1271000000100000001－127－1281000000000000000－128第20页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.3D/A转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器NB’第21页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.4D/A转换器的主要技术指标1.转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述。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第22页，共77页，2023年，2月20日，星期六转换误差：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10.1.4D/A转换器的主要技术指标第23页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.4D/A转换器的主要技术指标

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。由式10.1.3可知

由△VREF引起的误差属于比例系数误差。

第24页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.4D/A转换器的主要技术指标失调误差：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转换器的失调误差如图10.1.8所示。

第25页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换器及其应用1.AD7520D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器

第26页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换器及其应用1.AD7520D/A转换器中的1位CMOS模拟开关电路优点：使用简便、功耗低、转换速度较快、温度系数小、通用性强。第27页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换器及其应用

2、集成D/A转换器应用之一：数字式可编程增益控制电路第28页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换器及其应用

2、集成D/A转换器应用之二：

脉冲波产生电路

第29页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换及其应用

*2.集成D/A转换器DAC0832

它是八位的D/A变换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。

下图是它的内部框图和引脚图：第30页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换及其应用

*2.集成D/A转换器DAC0832八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位变换器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11简化电路框图第31页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.1.5集成D/A转换及其应用

*2.集成D/A转换器DAC0832DAC0832管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片选端WR1、WR2：写入端D7--D0：数据输入端XFER：转移控制端ILE：所存使能端Iout2Iout1：电流输出端UR：参考电压端Rfb：内部反馈电阻输出端第32页，共77页，2023年，2月20日，星期六本节小结：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：第33页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.1A/D转换的一般工作过程

10.2.2并行比较型A/D转换器

10.2.3逐次比较型A/D转换器10.2.4双积分式A/D转换器

10.2.5A/D转换器的主要技术指标

10.2A/D转换器10.2.6集成A/D转换器及其应用

第34页，共77页，2023年，2月20日，星期六

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:第35页，共77页，2023年，2月20日，星期六2.A/D转换器分类①并联比较型

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转换器概述第36页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.1A/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 (10.2.1)第37页，共77页，2023年，2月20日，星期六

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，在取样电路后要保加持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。电路要求：AV1AV2=1A1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10.2.1A/D转换的一般工作过程（1）电路及工作原理第38页，共77页，2023年，2月20日，星期六2.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。10.2.1A/D转换的一般工作过程量化编码第39页，共77页，2023年，2月20日，星期六(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。10.2.1A/D转换的一般工作过程第40页，共77页，2023年，2月20日，星期六只舍不入量化方式: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=14/15v11110.2.1A/D转换的一般工作过程第41页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.2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输出数字量第42页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.2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001vivO第43页，共77页，2023年，2月20日，星期六

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/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。10.2.2并行比较型A/D转换器2、工作原理第44页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.2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。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。第45页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.2并行比较型A/D转换器分级并行转换10位A/D转换器第46页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.3

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

第47页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.3

逐次比较型A/D转换器1.转换原理

100…0100…0I

≥VREF/2

1I

<VREF/2

0第48页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.3

逐次比较型A/D转换器1.转换原理

010…0010…0I

≥3/4VREF

1010I

<3/4VREF

第49页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.3

逐次比较型A/D转换器1.转换原理001…0001…0I

≥5/8VREF

1010I

<5/8VREF

10第50页，共77页，2023年，2月20日，星期六10000000A=6.84VVREF=10V10101111第51页，共77页，2023年，2月20日，星期六四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如下图所示。图中五位移位寄存器可进行并入/并出或串入、串出操作，其F为并行置数端，高电平有效，S为高位串行输入。数据寄存器由D边沿触发器组成，数字量从Q4~Q1输出试分析电路的工作原理。100001111101D1D2D3F为并行置数端，高电平有效S为高位串行输入D/A转换器输出电压O＝VREF/2,

送入比较器C与I比较；若I＞

O则比较器C输出c为1，否则为0。比较结果（1或0）送至数据寄存器的D4~D1。

10.2.3逐次比较型A/D转换器第52页，共77页，2023年，2月20日，星期六1D31111011D1D2D30010.2.3逐次比较型A/D转换器第53页，共77页，2023年，2月20日，星期六1D21110111D1D2D30D310.2.3逐次比较型A/D转换器第54页，共77页，2023年，2月20日，星期六1D21101111D1D2D3D3D110.2.3逐次比较型A/D转换器第55页，共77页，2023年，2月20日，星期六小结：

1、

逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；

2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；10.2.3逐次比较型A/D转换器第56页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.4双积分式A/D转换器

1、双积分式A/D转换器的基本指导思想

对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。该A/D转换器也称为电压－时间－数字式积分器。第57页，共77页，2023年，2月20日，星期六3.双积分式A/D转换器2、复习积分器积分电路如图所示，已知输入I的波形，求：（1）I改为红线所示的波形。设电路对I的积分时间t1=60ms，对VREF积分时使O=0的时刻为t2。计算t1时刻O=？t2-t1=?（2）若I改为蓝线所示的波形，再计算t1=60ms时的O和t2-t1的值。解：(1)

t2-t1=30ms60110－6＋3t(ms)O(V)t1t210090t(ms)－3.8－5.1＋4t3P(－6V)(+3V)(－6V)(+3V)(+4V)I(V)第58页，共77页，2023年，2月20日，星期六3.双积分式A/D转换器2、复习积分器(－6V)(+3V)解：t3-t1=40ms60110－6＋3t(ms)O(V)t1t210090t(ms)－3.8－5.1＋4t3P结论:(1)t1一定，P与1成正比。(2)t1、VREF一定，t2-t1与I成正比。（2）若S1改为蓝线所示的波形，t=60ms，计算O=?t2-t1=?第59页，共77页，2023年，2月20日，星期六10>0<010.2.4双积分式A/D转换器

第60页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.4双积分式A/D转换器00000(1)准备阶段工作原理CR信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2。10.2.4双积分式A/D转换器第61页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.4双积分式A/D转换器(2)第一次积分1T1=2nTC0001010111000t=t0时，开关S1与A端接通，正的被测电压I加到积分器的输入端。积分器开始对I积分，此阶段称为采样阶段工作原理00001010111001000101011111100010101110101001010111000第62页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.4双积分式A/D转换器(2)第二次积分11001010VREF加到积分器的输入端，积分器开始向相反方向进行第二次积分；当t=t2时，积分器输出电压O≥0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。工作原理10.2.4双积分式A/D转换器0第63页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.4双积分式A/D转换器T1=2nTC?T2=Tc

T2=t1

t2

在计数器中所计的数=Qn-1…Q1Q0，(就是A/D转换器得到的结果。第64页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.4双积分式A/D转换器优点：1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。T1=2nTC3.不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。第65页，共77页，2023年，2月20日，星期六1.转换精度

10.2.5A/D转换器的主要技术指标

单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。

分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。第66页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.5A/D转换器的主要技术指标2.转换时间

指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较A/D转换器的转换速度最高,逐次比较型A/D转换器次之,间接A/D转换器(如双积分A/D)的速度最慢。

并行比较A/D转换器(8位）

逐次比较型A/D转换器

间接A/D转换器10~50s<50ns10ms~1000ms第67页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.5A/D转换器的主要技术指标例10.2.1某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1秒钟内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0~0.025V(对应于0~450℃温度范围)，需要分辨的温度为0.1℃，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？解：

由题意可知分辨率为12位A/D转换器的分辨率为

故必须选用13位的A/D转换器。

系统的采样速率为每秒16次，采样时间为62.5ms。对于这样慢速的采样任何一个A/D转换器都可达到。

第68页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.6集成A/D转换器及其应用

1.ADC0804引脚及使用说明

ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为±5V。

以ADC0804介绍集成A/D转换器及其应用。

该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无需附加逻辑接口电路。第69页，共77页，2023年，2月20日，星期六10.2.6集成A/D转换器及其应用

引脚功能说明：

VIN+、VIN-：ADC0804的两模拟信号输入端，用以接收单极性、双极性和差动输入信号。

D7~D0：A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。

AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。

CLKIN：外电