第十一章 数模和模数转换

第十一章数模和模数转换第1页，共66页，2023年，2月20日，星期四重点难点1、D/A、A/D的基本概念、对D/A、A/D转化电路的要求重点：各种A/D内部详细结构和工作过程（非重点）3、A/D转化电路常见类型、工作原理、输入/出的定量关系、转换速度、精度、分辨率难点：2、D/A转化电路常见类型、工作原理、输入/出的定量关系、转换速度、精度、分辨率第十一章数-模与模-数转换第2页，共66页，2023年，2月20日，星期四11.1概述

模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。

从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）；第3页，共66页，2023年，2月20日，星期四

典型数字控制系统框图第4页，共66页，2023年，2月20日，星期四传感器放大器A/D转换微型计算机控制对象D/A转换温度时间！精度！速度电加热炉热电偶执行机构第5页，共66页，2023年，2月20日，星期四★分类第6页，共66页，2023年，2月20日，星期四11.2.1权电阻型D/A转换器

11.2.6具有双极性输出的D/A转换器11.2.2倒T型电阻网络D/A转换器11.2D/A转换器11.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度第7页，共66页，2023年，2月20日，星期四求和放大器一、电路结构和工作原理11.2.1权电阻网络D/A转换器权电阻网络基准参考电压第8页，共66页，2023年，2月20日，星期四第9页，共66页，2023年，2月20日，星期四第10页，共66页，2023年，2月20日，星期四电路特点：1.优点：简单2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部第11页，共66页，2023年，2月20日，星期四希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流11.2.2倒T形电阻网络D/A转换器双向模拟开关di＝1时接运放di＝0时接地R－2R倒T形电阻网络求和集成运算放大器基准参考电压第12页，共66页，2023年，2月20日，星期四RRRR

集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地，每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的AA、BB、CC、DD每个端口向左看的对地电阻都是R。流过四个2R电阻的电流分别为：I/2、I/4、I/8、I/16。第13页，共66页，2023年，2月20日，星期四电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量di通过控制电子开关Si来决定。第14页，共66页，2023年，2月20日，星期四电路特点：（1）电阻网络仅有R和2R两种规格的电阻，对于集成工艺是相当有利的；（2）倒T形电阻网络具有较高的工作速度倒T形电阻网络DAC目前被广泛的采用第15页，共66页，2023年，2月20日，星期四集成D/A转换器----AD7520/CB7520——典型10bitDAC第16页，共66页，2023年，2月20日，星期四·采用CMOS电子开关·与TTL电平兼容·电源电压范围：5～15V·采用R-2R电阻网络

第17页，共66页，2023年，2月20日，星期四集成D/A转换器--DAC0832具有二级数字输入缓冲锁存器，可与μP数据总线直接相连，无需另接锁存器与TTL电平兼容数字地与模拟地可分开，使用灵活

——典型8bitDAC第18页，共66页，2023年，2月20日，星期四集成DAC0832及其应用第19页，共66页，2023年，2月20日，星期四补码输入对应的十进制要求的输出d2d1d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.6具有双极性输出的DAC当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±一、转换原理输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1第20页，共66页，2023年，2月20日，星期四1原码输入对应的输出偏移-4V后的输出d2d1d0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出d2d1d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*将输出偏移使输入为100时，输出为0*将符号位反相后接至高位输入第21页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、电路实现*将符号位反相后接至高位输入*增设由RB和VB组成的偏移电路第22页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、转换精度（分辨率、转换误差）用输入数字量的二进制数码位数给出。D/A转换器的位数11.2.7DAC的转换精度与速度分辨率（理论精度）D/A转换器分辨模拟量最小值的能力。最低位LSB所代表的模拟量。例：n位DAC，区分出输入的00···0到11···1全部2n个不同状态，能给出2n个不同等级的输出电压。分辨率表示理论上可以达到的精度。D/A转换器能够分辨出来的最小电压与最大电压之比第23页，共66页，2023年，2月20日，星期四转换误差用最低有效位的倍数来表示。2.转换误差（实际精度）转换误差表示实际的D/A转换特性和理想特性之间的最大偏差。第24页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、误差分析与输入数字量的大小成正比----比例系数误差造成D/A转换器转换误差的原因：参考电压VREF的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中的电阻值的偏差、三极管的特性不一致等等。第25页，共66页，2023年，2月20日，星期四与输入数字量的数值无关----漂移误差、平移误差。与输入数字量的数值无关----非线性误差。输出总误差：第26页，共66页，2023年，2月20日，星期四第27页，共66页，2023年，2月20日，星期四第28页，共66页，2023年，2月20日，星期四[解]电路工作在计数状态，从0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111返回0000状态，C端从高电平跳变至低电平。当CP的上升沿到来的时候，υ0的值由式可得。画出输出电压υ0的波形，并标出波形图上各点电压的幅度波形发生器电路第29页，共66页，2023年，2月20日，星期四试分析电路的工作原理，画出输出电压υ0的波形图第30页，共66页，2023年，2月20日，星期四11.3.1A/D转换的基本原理11.3.4反馈比较型A/D转换器

11.3.3并联比较型A/D转换器11.3.2取样-保持电路11.3.5双积分型A/D转换器

11.3.6V-F变换型A/D转换器

11.3.7A/D转换器的转换精度与转换速度

11.3A/D转换器第31页，共66页，2023年，2月20日，星期四

A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。一、采样定理

采样:将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量11.3.1A/D转换原理四个步骤：采样、保持、量化、编码。采样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量为fmax，必须满足fs≥2fmax，y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。fs＝（3～5）fmax第32页，共66页，2023年，2月20日，星期四11.3.2

采样--保持电路

取样--保持电路的基本形式

s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO

(=uc)跟随uI的变化而变化s(t)无效期间，开关管VT截止，uO

(=uc)保持不变，直到下次采样。集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放第33页，共66页，2023年，2月20日，星期四集成采样—保持电路LF398

第34页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、量化和编码量化：进行A/D转换时，将采样电压表示为最小数量单位的整数倍过程叫做量化。量化误差：当采样电压不能被Δ整除时，量化过程误差编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）注意：一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化级分得越多，量化误差越小。

A/D转换的输出结果量化单位△：数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位，用△表示（数字信号最低有效位LSB的1所代表的数量大小就等于△）。第35页，共66页，2023年，2月20日，星期四量化电平划分的两种方法量化误差大量化误差小第36页，共66页，2023年，2月20日，星期四量化误差第37页，共66页，2023年，2月20日，星期四量化11.3.3并联比较型A/D转换器第38页，共66页，2023年，2月20日，星期四量化→编码111110101100011010001000第39页，共66页，2023年，2月20日，星期四特点*快，CLK触发信号到达到输出稳定建立只需50ns*有存储器，不需要S/H电路*精度，主要取决于量化电平的划分*电路规模，n位需要2n-1比较器，2n-1触发器第40页，共66页，2023年，2月20日，星期四基本原理：取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则D为所求值。！简单！慢11.3.4反馈比较型A/D转换器计数型第41页，共66页，2023年，2月20日，星期四2、逐次渐近型！电路不太复杂！较快第42页，共66页，2023年，2月20日，星期四100003位逐次渐近型A/D转换器环形移位寄存器逐次渐进寄存器初始状态Q1Q2Q3Q4Q5=10000电压比较器3位DAC转换器时钟脉冲源第43页，共66页，2023年，2月20日，星期四工作原理设：VR=-5V，Vi=3.2V初始化QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=10000第一个CLKQAQBQC=100 Q1Q2Q3Q4Q5=01000∵Vo<Vi∴

VB=0Vo=5/23×22=2.5V第44页，共66页，2023年，2月20日，星期四Vo=5/23×（22+21）=3.75V Vo>Vi，VB=1第二个CLK∵Q2=1，QB=1；∵VB=0，封锁了与门G1，Q2不能通过门G1使QA复位，QA仍为1 QAQBQC=110Q1Q2Q3Q4Q5=00100第45页，共66页，2023年，2月20日，星期四第三个CLK∵Q3=1，QC=1；VB=1，门G2被打开，Q3通过门G2使QB=0；同时QA=1保持不变Vo=5/23×（22+20）=3.125VVo<Vi，VB=0QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00010第46页，共66页，2023年，2月20日，星期四即QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00001第四个CLKVB=0封锁门G1～G3∵Q1Q2Q3=000，∴QA

QB

QC保持原状态不变∵Q5=1，使QAQBQC通过门G6、G7、G8输出转换结果。

d2d1d0=101第47页，共66页，2023年，2月20日，星期四第五个CLK后Q1Q2Q3Q4Q5=10000又重新开始转换∵Q5=0，门G6、G7、G8被封锁，转换输出信号随之消失。第48页，共66页，2023年，2月20日，星期四基本原理：先将V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内对固定频率的脉冲计数，计数结果即为数字信号11.3.5双积分型A/D转换器--V-T变换型第49页，共66页，2023年，2月20日，星期四工作原理第50页，共66页，2023年，2月20日，星期四第51页，共66页，2023年，2月20日，星期四时段①：固定时间积分，到时结束时段②：固定斜率积分，过零结束第52页，共66页，2023年，2月20日，星期四双积分型A/D转换器特点优点：精度较高，对元件要求低抗干扰能力比较强缺点：工作速度低每完成一次转换的时间为第53页，共66页，2023年，2月20日，星期四11.3.6V-F变换型A/D转换器第54页，共66页，2023年，2月20日，星期四11.3.7ADC的转换速度与转换精度分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。2.转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般以最低有效位的倍数给出（±

0.5

LSB）。能区分输入电压的最小差异为一、转换精度转换速度：取决于电路结构类型 并联比较型：<1微秒（8位A/D50ns） 逐次渐近型：10~100微秒/次 双积分型：几十毫秒~数百毫秒/次第55页，共66页，2023年，2月20日，星期四A/D转换器产品举例--ADC0809特点：·属CMOS电路·8路模拟输入，8bit输出·与常用μP兼容·采用逐次比较法，转换时间约100μs第56页，共66页，2023年，2月20日，星期四ICL7107ICL7107构成直流电压表A/D转换器产品举例--ICL7106/7107特点：·直接输出7段译码信号·7106驱动LCD；7107驱动LED·十进制3位半A/D转换器·双积分型电路，内含基准源第57页，共66页，2023年，2月20日，星期四特点：·6bit高速A/D转换器，速率可达90M·带偏移矫正的55MHZ带宽差动放大器·功耗仅190mW·有效位为5.85bitA/D转换器产品举例--MAX1011第58页，共66页，2023年，2月20日，星期四第11章小结

1.A/D转换器和D/A转换器是数字系统和各种工程技术相联系的桥梁，在二者之间起着“翻译”的作用。

2.常用的D/A转换器主要有权电阻型和R-2R网络型两种电路。由于R-2R网络型的电阻种类少，易于集成和提高精度，因此多为集成D/A转换器所采用。3.常用的A/D转换器主要有双积分型、逐次比较型和并行比较型三种。三种电路在精度、转换速率及其他参数等方面各具特色，因而应用都比较广泛。第59页，共66页，2023年，2月20日，星期四5.由于D/A转换器和A/D转换器在电子系统、特别是数字系统中的应用越来越广泛，技术与工艺的进步，其新产品也不断涌现。因此，要根据实际需要来选择各项指标以及价格、厂商等，切不可片面地追求某一项指标。4.作为产品的实例，几种中、大规模集成电路：7520、0832、MAX5013；0809、7106/7107、MAX1011，它们中既有应用