模数转换器和数模转换器

第10章模数转换器和数模转换器

目的与要求1、了解常见转换系统的组成及特点；2、掌握模数转换器〔ADC〕的根本原理、一般组成、转换精度和转换速度3、掌握数模转换器〔DAC〕的根本原理、一般组成、转换精度和转换速度4、掌握数模转换和模数转换的根本应用。本章目录10.1概述10.2模数转换器10.3数模转换器10.4集成ADC及其应用举例10.1概述数字控制系统数据传输系统

自动测试与测量设备

多媒体计算机系统数据测量系统或数据处理系统程序控制系统非电模拟量电压模拟量ASADCASADCASADCA'ADCA'ADC………………数字控制或计算电路〔微机或单片机〕DACDACDACDACDAC……UUU…UU图10-1-1数字控制系统方框图…传感器执行单元数字控制系统是数模与模数转换器的典型应用。数字控制系统多路模拟开关ADC发射机DAC接收机多路模拟开关定时产生器图10-1-2数据传输系统方框图vI1vI2vIn…vO1vO2vOn…数据传输系统在通信、遥测、遥控等领域，采用数字信号传输信息，在抗干扰能力和保密性等方面都远远强于模拟信号。保证收、发两地严格同步

自动测试与测量设备为了使数字测量设备能够测量模拟量，并且对被测数据及时进行分析和处理，然后存储、显示、打印其测试结果，都离不开转换器件ADC和DAC。自动测试系统数字示波器测试设备

多媒体计算机系统计算机系统只能处理数字信息，为了使它能够处理声音、图像、视频等多媒体信息，音频、视频的采集和输出都离不开ADC和DAC电路。声卡声卡的外部连接10.2数模转换器〔DAC〕10.2.1数模转换原理和一般组成10.2.2权电阻网络DAC10.2.3R-2R倒T形电阻网络DAC10.2.4单值电流型网络DAC10.2.5集成DAC及其应用10.2.6DAC的转换精度和转换速度数模转换原理和一般组成１．数模转换原理图10-2-1

DAC输出特性000000110110100111001111103579111315vO/kDI1101*k为转换比例系数DAC输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比。假设DAC转换比例系数为k，那么：两个相邻数码转换出的电压值之间的差值，是信息所能分辨的最小量(1LSB)；最大输入数字量对应的输出电压值(绝对值)用FSR表示。1LSBLeastSignificantBitFSRFullScaleRange２．DAC的一般组成数字寄存器模拟电子开关位权网络Dn-1Dn-2…D1D0……求和运算放大器vO

模拟量

输出IVREF基准电压源

或恒流源图10-2-2DAC原理方框图DAC主要由数字存放器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源〔或恒流源〕组成。用存放在数字存放器中的数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为１的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值。不同类型的DAC，主要是位权网络不同。权电阻网络DAC１．电路结构构成权电阻网络的电阻的阻值，与该位的位权值成反比。数字寄存器D3D2D1D0VREFS3S2S1S0I3RI22RI122RI023RRFiFΣiΣvO图10-2-3权电阻网络DACDi=0，Si接地Di=1，Si接VREF２．工作原理运算放大器的Σ点是虚地，该点电位总是近似为零。对于输入二进制数中的任意一位Di有：转换比例系数k３．特点归纳权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。缺点：由于各权电阻的阻值都不相同，位数越多，相差越大，阻值的精度难以保证。由于运算放大器的输入偏置电流近似为０，所以：输入数字量

例10-14位DAC如图10-2-3所示，设基准电压VREF=-8V，2RF=R，试求输入二进制数D3D2D1D0=1101时输出的电压值以及LSB和FSR的值。D2D1D0VREFS2S1S0IR2R4RΣiBvO图10-2-4具有双极性输出的权电阻网络DACiRBVB(=-VREF)iΣ４．双极性输出结构在单极性输出DAC的根底上，增加由VB和RB组成的偏移电路，通常VB=-VREF。

例10-2假设图10-2-4所示电路中，VREF=-8V，VB=-VREF，RF=R/2。如果要使当D2D1D0=100时，输出为0，求RB值；并列出所有输入3位二进制数码所对应的输出电压。根据上式，即可求出所有输入3位二进制数码所对应的输出电压〔见413页表10-2-1〕。D3D2D1D0VREFS3S2S1S02RI/22RI/82RI/162RRFiFΣiΣvO图10-2-5

4位R-2R倒T形电阻网络DACI/4I●●DCBA2RI/16●●RRRI/2I/4I/8

R-2R倒T形电阻网络DAC１．电路结构由假设干个相同的R、2R网络节组成，每节对应于一个输入位，节与节之间串接成倒T形网络。根据电路结构及运算放大器的特性有：转换比例系数输入数字量２．工作原理

３．特点归纳

由于2R电阻两端的电压和流过的电流都不随开关的掷向而改变，不存在对网络中寄生电容的充、放电现象，因而工作速度和转换精度都有所提高。由于只使用两种阻值的电阻，因此电阻的精度容易保证。

图10-2-6单值电流型网络DACS0RΣvO＋－2RD03RS1A3IIRD1BII13×2S2RD2C3I4I×1S32R2R2R2R2RD3DI3I×81iΣ●●●●

单值电流型网络DAC１．电路结构引入恒流源，通过电子开关将恒流源切换到电阻网络或接地。转换比例系数k２．工作原理电阻网络的任一个结点〔A、B、C、D〕，３个支路的对地电阻值均为2R，当该结点接通恒流源时，支路电流均为I/3，向右每经过一个结点又被二等分。依据叠加原理：10.2.5集成DAC及其应用举例AD7524是采用R-2R倒T形电阻网络的8位CMOSDAC集成片。基准电压可正、可负，该电压的极性改变时，输出电压极性也相应改变。AD7524内部不含运算放大器，OUT1端通常外接运算放大器的负输入端，OUT2接地。8D

锁

存

器R-2R

倒

T

形

电

阻

网

络45678910111213CP12161514VDDVREFRFOUT1OUT2D0D1D6D73GND···&(a)结构框图RFCSWRR2RT1Di&&G1G212OUT1OUT2(b)模拟电子开关SiVREFT2图10-2-7

DAC集成片AD7524运算放大器负输入端运算放大器正输入端，接地RF=R调整基准电压调整放大倍数调零电位器，零点校准···vO＋－A741μ456710111213D0D1D6D7CSWR3···12OUT1OUT2RF234－12VRP3RP2RP1VREF－10V1514VDD=＋12V16AD

75245＋12V150050010图10-2-8用AD7524构成DAC实例１用作数模转换

输出电压范围0~9.96V，可输出2n=256个电压值，1LSB=39.1mV增益校准···vO45111213D0D6D7CSWR3···12OUT1OUT21514VDD16AD

7524图10-2-9数字衰减器···vI＋－A1F007＋－A2RRF007(VREF)实例２构成数字衰减器〔图中A2为缓冲反相器，利用改变Di改变衰减倍数〕

DAC的转换精度和转换速度１．转换精度分辨率一般用DAC的位数来衡量分辨率的上下，位数越多，分辨能力就越高。此外，也可用DAC能分辨出来的最小输出电压1LSB与最大输出电压FSR之比定义分辨率。该值越小，分辨率越高。

转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。输出A

(模拟量)FSR最大正误差最大负误差实际曲线理想直线最大数字量输入D

(数字量)O图10-2-10非线性误差转换误差转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。通常用这个偏差与FSR之比的百分数或假设干个LSB表示，它是３种误差的综合指标。(1)非线性误差

主要由模拟电子开关的导通电阻和导通压降以及电阻值的偏差引起，是随机出现的。(2)漂移误差

由运算放大器的零点漂移造成的一种线性误差。漂移误差可通过零点校准来消除，但不能在整个温度范围内获得校准。

(3)增益误差

由运算放大器增益不稳定和VREF不稳定造成的一种线性误差。增益校准可以暂时消除增益误差。２．转换速度转换速度由建立时间决定。从输入由全0突变为全1开始，到输出电压稳定在FSR±(1/2)LSB(或FSR±x%FSR)范围内为止，这段时间称为建立时间。10.3模数转换器〔ADC〕模数转换根本原理并联比较型ADC

逐次逼近型ADC

双积分型ADC模数转换根本原理取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号数字信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都离散模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。图10-3-1取样、保持vIvSS(t)(a)取样电路

示意图vItOt1t2t3t4t5(b)输入模拟

信号S(t)tt1t2t3t4t5tW(c)取样脉冲tt1t2t3t4t5(d)取样信号vSTStt1t2t3t4t5(e)取样保持

信号vOOOO取样

时间(tW)保持时间(TS－tW)１．取样、保持取样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，取样值取决于取样时间内输入模拟信号的大小。根据取样定理，取样频率的选取一般为：vIS(t)vO＋－A7图10-3-2取样－保持电路C(a)S＋－A1LvIS(t)＋－A2vOC30300RPVB6541238（外接）调零（外接）(b)V＋V－要对模拟信号的取样值进行量化和编码，必须使取样值保持一定的时间。取样和保持是由取样－保持电路完成的。模拟电压vI/V量化值二进制数

输出765432107.56.55.54.53.52.51.50.57Δ=7V1116Δ=6V1105Δ=5V1014Δ=4V1003Δ=3V0112Δ=2V0101Δ=1V0010Δ=0V000图10-3-3量化方法之一

四舍五入法２．量化、编码用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小数量单位(1LSB)的整数倍，这一转换过程称为量化，所取的最小单位称为量化单位，用Δ表示，Δ=1LSB。将量化的结果转化为对应的代码，称为编码。实际输入电压值与量化值之间的偏差称为量化误差。

四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化取整。最大量化误差为Δ/2。模拟电压vI/V量化值二进制数

输出876543217=7V1116=6V1105=5V1014=4V1003=3V0112=2V0101=1V0010=0V000图10-3-4量化方法之二

舍去小数法0

舍去小数量化法：舍去小数直接取整，最大量化误差为△。完成量化编码工作的电路是ADC。按工作原理不同，可分为直接ADC和间接ADC。直接ADC是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比较型ADC和逐次比较型ADC。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，如双积分型ADC。电路图并联比较型ADC１．电路结构３位并联比较型ADC由以下４局部组成：比较器：由７个电压比较器组成，“＋〞输入端接输入电压vI，“－〞输入端接一定值的比较电压VR，假设vI≥VR，比较器输出为1，反之输出为0。分压电阻链：由８个电阻组成，将基准电压进行分压，获得７个比较器的比较电压VR。存放器：由７个D触发器组成，用取样脉冲S(t)上升沿触发。８线－３线优先编码器：输入、输出均为低电平有效。(7/7)VREF1111111111(13/14)VREF≤vI＜(15/14)VREF(6/7)VREF1100111111(11/14)VREF≤vI＜(13/14)VREF(5/7)VREF1010011111(9/14)VREF≤vI＜(11/14)VREF(4/7)VREF1000001111(7/14)VREF≤vI＜(9/14)VREF(3/7)VREF011

0000111

(5/14)VREF≤vI＜(7/14)VREF(2/7)VREF0100000011(3/14)VREF≤vI＜(5/14)VREF(1/7)VREF0010000001(1/14)VREF≤vI＜(3/14)VREF000000000000≤vI＜(1/14)VREF量化值D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1I1I2I3I4I4I5I6vI输入范围表10-3-13位并联比较型ADC的量化编码表２．工作原理电路图在S(t)=0时，由取样－保持电路提供一个稳定的取样电压值，作为vI送入比较器，使它在保持时间内进行量化。在S(t)上升沿时刻将量化值送入触发器存放，并由优先编码器产生相应的二进制数码输出。３位并联比较型ADC以四舍五入法进行量化。优点：采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，因此转换速度快，转换速度与输出码位数无关。缺点：本钱高、功耗大，所用元件数量随ADC位数的增加，以几何级数上升。适用于要求高速、低分辨率的场合。注意：假设输入电压超出正常范围，即vI＞Vm=VREF，比较器输出都为１，ADC输出111不变，处于“饱和〞状态，不能正常转换。电路图逐次逼近型ADC１．电路组成及各局部的作用DAC：按不同的输入数码产生一组相应的比较电压vR。电压比较器C：将取样－保持电路提供的取样电压与DAC产生的比较电压进行比较。４节拍脉冲发生器：通常由４位环形计数器构成，产生４个节拍的负向脉冲，控制其他电路完成逐次比较。图10-3-74节拍脉冲发生器输出波形CP0CPCP1CP2CP3J-K触发器：在节拍脉冲CP0～CP3的推动下，记忆每次比较的结果，并向DAC提供输入数码。3D存放器：在节拍脉冲的触发下，记忆最后比较结果，并行输出二进制代码。２．工作原理电路图时序Q2'Q1'Q0'vRCOCP0↓10041CP1↓11060CP2↓10151CP3↓10111CP3↑Q2'Q1'Q0'→3D寄存器并输出D2D1D0=101设vI=5.9V，VREF=8V由分析可知，该电路采用的是舍去小数的量化方法，量化单位和最大量化误差均为Δ=1V。改进：在DAC的输出端串接一个数值为－Δ/2的偏移电压，使比较电压都向下偏移Δ/2，这时：特点：逐次逼近型ADC每次转换需要n+1个节拍脉冲才能完成，比并联比较型ADC转换速度慢，属于中速ADC器件。另外，当位数较多时，所需的元、器件比并联比较型少得多，应用较广。电路图双积分型ADC１．电路结构积分器：由R、C和运算放大器A组成，是电路的核心。检零比较器：检查积分器输出电压的极性。假设小于零，那么输出为1，反之输出为0。n位计数器和辅助触发器：由n位J-K触发器构成n位二进制异步加计数器，并由最高位输出的下降沿触发辅助触发器。开关S1和S2：S1由辅助触发器输出控制，将输入电压或负基准电压引到积分器输入端；S2由门G2的输出控制，开关闭合时，使电容C短路放电。vSOtQCOtvS1O转换控制信号

积分器输入－VREFvOO积分器输出COtvO1比较器输出OG1门输出T1=2nTCvDtttT2=MTC图10-3-9双积分型ADC的工作波形２．工作原理

(1)初始准备阶段

vS=０，触发器全部清零；开关S2闭合，使电容C充分放电；开关S1掷向vI。(2)第一次积分〔取样阶段〕在t=0时，vS上升为高电平，S2断开，积分器开始对vI积分，输出电压为：电路图设定vI为正压，－VREF为负压，那么vO(t)<０，使检零比较器输出为1，将G1门翻开，计数器从０开始计数。当计满2n，计数器返回０时，使FFC置1，开关S1掷向－VREF，第一次积分结束。在此阶段内有：上式说明积分器的输出电压VO1与输入模拟电压的取样平均值VI成正比。对于不同的VI值，积分器输出电压波形的斜率也不同。电路图(3)第二次积分〔比较阶段〕与此同时，计数器从０开始计数。经T2时间后，积分器输出上升到０，检零比较器输出为0，将门G1封锁，计数停止。设计数器所计脉冲个数为M，那么T2=MTC。此时计数器的输出状态即为M对应的二进制代码。３．双积分型ADC的优缺点

优点：(1)抗干扰能力强。取样电压是取样时间内输入电压的平均值。(2)稳定性好，转换精度高。通过两次积分把VI和VREF之比变成两次计数值之比，只要求RC和TC在两次积分时保持不变即可。(3)非线性误差小。转换结果与积分时间常数RC无关，消除了积分非线性带来的误差。

缺点：转换速度低。图10-3-53位并联比较型ADCVREFvIC7＋－R/2VREF1314C6＋－RVREF1114D7D6C5＋－RVREF914D5C4＋－RVREF714D4C3＋－RVREF514D3C2＋－RVREF314D2C1＋－RVREF114D1R/27D触

发

器比较器存放器CPS(t)I1I2I3I4I5I6I7Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1优

先

编

码

器Y0Y1Y2D0D1D2SI0返回C＋－vIvR3位DACVREF1COCO0CP0CPSRFF2CP111J1KC1SRFF1CP21J1KC1SRFF0CP31J1KC123Q2'Q1'Q0'd2I0I1I23D寄

存

器Q0D0Q1D1Q2D2d1d0图10-3-63位逐次逼近型ADC返回4节拍脉冲发生器图10-3-8双积分型ADC简化电路RFFC1J1KC1R1J1KC1QCQn-1R1J1KC1Q1Dn-1D1FFn-1FF1R1J1KC1Q0D0FF0vD&CPG1vS1G2L转换

控制信号

···RvS1A＋－C＋－CvOCS2积分器n位计数器检零比较器vO＜0，C=1

vO≥0，C=0＋vI－VREFS1RD返回10.4

集成ADC双积分型集成ADC

逐次逼近型集成ADC

ADC的转换精度和转换速度双积分型集成ADC１．逻辑框图逻辑框图模拟电路：包括构成积分器的运算放大器和检零比较器。４位十进制计数器：最大计数值为1999。数据存放器：存放由计数器输出的转换结果。数据选择器：在控制逻辑作用下，逐位输出数据存放器中存储的8421BCD码。控制逻辑：产生控制信号，协调各局部工作。时钟电路：产生计数脉冲。

以CC14433为例。２．引出端功能逻辑框图３．应用举例电路图工作过程：5G1403提供基准电压，由CC14433将输入模拟电压转换为数字量。转换结束时，EOC端输出正脉冲，推动DU端将计数结果存入数据存放器。数据选择器依次输出千位、百位、十位和个位数码，同时输出该位的选通信号，依次驱动对应位七段显示管发光，并依此循环。这种显示方法通常称为动态显示。若输入电压超出测量范围，OR端的溢出信号控制CC4511的BI端，使显示数字熄灭。位数字电压表213１．引出端模拟信号可从VIN(+)和VIN(-)端平衡输入，也可从VIN(+)单端输入〔VIN(-)接地〕。基准电压可由内部提供，此时VREF/2端悬空，VREF=VDD；也可由外部电源送入VREF/2端。时钟脉冲可由CLKIN端直接送入，也可由片内产生，但需外接R、C，R=10kΩ固定，C按fCP=1/(1.1RC)选择。逐次逼近型集成ADC

以ADC0801为例。电路图当CS和WR端都为低电平时，启动转换；转换结束时，INT端输出低电平；当CS和RD端都为低电平时，数码输出。２．电路连接与应用实验电路图

电路工作过程：

启动转换：按压按键开关SB，使WR端获得一个负脉冲。

进行转换：转换时间为一百多微秒。

转换结束：转换结束时，INT端输出低电平。

输出数据：因CS、RD端已接地，所以转换结束后，数据可立即输出，并推动发光二极管进行显示。

连续转换：转换结束时INT=0，使得WR=0，再次启动。实际测量：输入模拟电压，按开关