数电模数与数模转换电路

数电模数与数模转换电路第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，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，也可称之为两者之间的接口。

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

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ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2D/A转换2.1D/A转换器概述2.2倒T形电阻网络D/A转换器2.3权电流型D/A转换器2.4D/A转换器的输出方式2.5

D/A转换器的主要技术指标2.6集成D/A转换器及其应用第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.1D/A转换器概述1、DAC的功能:将数字量成正比地转换与之对应成模拟量。

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转换的基本思想第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期三D/A转换器的转换特性是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。

理想的D/A转换器的转换特性:输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：3.转换特性第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期三4.D/A转换器的组成:电阻网络模拟电子开关求和运算放大器第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.2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。

第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期三D/A转换器的倒T形电阻网络原理分析基准电源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。第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期三II2I1I0I3流入运放的总电流：

i＝

I0+I1+I2+I3第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期三4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。第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期三为提高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。

第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.3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。

在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受其他因素的影响，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？第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.4D/A转换器的输出方式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

第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期三D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0模拟量111111111000000110000000011111110000000100000000表18位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系……第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期三NB’2.双极性输出方式

2的补码偏移二进制码第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期三十进制数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表28位D/A转换器在双极性输出时的输入/输出关系第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1.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2.5D/A转换器的主要技术指标2.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。第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期三几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差等

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。

第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期三失调误差：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所示。

第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.6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

第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2、集成D/A转换器应用之一：

数字式可编程增益控制电路第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2、集成D/A转换器应用之二：

抛物线波形产生电路

第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期三本节小结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。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期三3A/D转换3.1A/D转换器概述3.2并行比较型A/D转换器3.3逐次比较型A/D转换器3.4双积分式A/D转换器3.5

A/D转换器的主要技术指标3.6集成A/D转换器及其应用第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期三

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。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:3.1A/D转换器概述第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.A/D转换的一般工作过程（1）采样与保持

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

第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期三

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：AV1=AV2=1，A1的Ri高，Ro低；A2的Ri高采样不能放电保持※保持第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期三3.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。例如：采样得到的电平分别为0.10.20.311.21.09可以规定最小的数量单位为0.01，则量化后对应的为1020100120109也可以规定最小的数量单位为0.1，则量化后对应的应该为123101210（11）※量化第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期三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。

(1)量化误差第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期三只舍不入量化方式: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。

※编码例如：采样得到的电平分别为0.10.20.311.21.09量化后对应的应该为123101210（11）编码为000100100011101011001010（1011）第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.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。第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期三电压比较器精密参考电压D触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量3.2并行比较型A/D转换器第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期三11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高001vivO2.工作原理第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期三

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

vI3VREF/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。

第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期三在并行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。

3.电路特点第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期三分级并行转换10位A/D转换器第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期三3.3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

第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1.转换原理第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期三四位逐次比较型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。

第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1D31111011D1D2D300第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1D21110111D1D2D30D3第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1D21101111D1D2D3D3D1第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期三(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；

2.逐次比较型A/D的特点第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期三3.4双积分式A/D转换器基本原理：

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。原理电路第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期三10.2.4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。第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期三(2)第一次积分10001010111000t=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第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期三10.2.4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0第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期三T1=2nTC?T2=Tc

T2=t1

t2

第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期三1.转换精度

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: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。3.5A/D转换器的主要技术指标说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。若n位A/D转换器的分辨率表示为1/2n。第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期三2.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第五十页，共五十六页，编辑于2023年，星期三例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。

第五十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期三3.6集成A/D转换