数字电路郭建才主讲-第八章课件

概述第

8章数模和模数转换器

本章小结A/D转换器D/A转换器

8.1概述

主要要求：

理解数模和模数转换器的概念和作用。

一、数模和模数转换的概念和作用数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

模拟量数字量模拟量数字量传感器被控对象

自然界物理量为何要进行数模和模数转换？二、数模和模数转换器应用举例数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC…………模拟控制器模拟控制器生产控制对象

DACADC二、数模和模数转换器应用举例主要要求：

了解数模转换的基本原理。

了解常用D/A转换器的类型和主要参数。了解R

-2R

倒T形电阻网络D/A转换器的电路与工作原理。8.2D/A转换器一、数模转换的基本原理

输出模拟电压

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可见，uO∝

D，uO的大小反映了数字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二进制数输入模拟电压输出一、数模转换的基本原理LSB—LeastSignificantBit

输入数字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D

最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB

表示)。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR

(一)

电路组成与转换原理二、R

-2R

倒

T形电阻网络

DAC

由倒T型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称I/U

转换电路)组成。模拟开关Si

打向“1”侧时，相应2R

支路接虚地；打向“0”侧时，相应2R

支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒T型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可见，支路电流值Ii

正好代表了二进制数位Di

的权值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模拟开关Si

受相应数字位Di

控制。当Di=1

时，开关合向“1”侧，相应支路电流Ii

输出；Di=0时，开关合向“0”侧，Ii

流入地而不能输出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0对n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，则uO=

-

D

·

n

位DAC将参考电压VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。调节VREF

可调节DAC的输出电压。uO=

-

D

·

三、常用

DAC的类型和主要参数

(一)

常用DAC的类型

常用DAC主要有权电阻网络DAC、

R-2RT形电阻网络DAC、R-2R

倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络DAC转换精度高，性能最佳。

(二)

主要参数1.分辨率

DAC的最小输出电压变化量，也即DAC的最小输出电压值

表示满度输出电压值，FSR即FullScaleRange指D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。

UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均为1例如，一个10位的DAC，分辨率为0.000978。DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAC的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。

3.

转换时间指DAC在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。2.

转换精度

指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与DAC中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。

通常要求DAC的误差小于ULSB/2。四、集成DAC应用举例四、集成DAC应用举例1.集成DAC简介常用集成DAC有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。

2.8位CMOS集成D/A转换器CDA7524简介数据锁存器20k20k20k20k20kΩ……10k10k10k10k…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基准电压输入端

VREF

可正可负

片选控制端

电源电压范围+5V~+15V

8位数据输入端，其电平与TTL电平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

内部反馈电阻RF

的引出端

两个输出端，一般将OUT2

接地，OUT1

接运放反向端。

写信号控制端

[例]右图为CDA7524的单极性输出应用电路。图中电位器R1

用于调整运放增益，电容

C

用以消除运放的自激。已知ULSB=VREF/256，试求满度输出电压及满度输出时所需的输入信号。CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2kR2R11k15pFWR解：当

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

时，输出为满度值。uO=-

UFSR

-9.961V。主要要求：了解模数转换的基本原理。了解A/D转换器的主要参数。了解常用A/D转换器。8.3A/D转换器

一、A/D转换的基本原理和一般步骤

“[]”表示取整。基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n

位二进制数输出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可见，输出数字量D

正比于输入模拟量uI。

△称为ADC的单位量化电压或量化单位，它是ADC的最小分辨电压。采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的

整数倍表示。

编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D转换的一般步骤uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量采样信号是否会丢失原信号的信息呢？对信号进行量化会引起误差吗？量化误差大小与ADC的位数、基准电压VREF

和量化方法有关。

采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。

量化误差：因模拟电压不一定能被ULSB

整除，量化时舍去余数而引起的误差。

划分量化电平的两种方法最大量化误差==(1/8)V最大量化误差

=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)VVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型

ADC

0000000000uI电阻构成分压器

VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型

ADC

0000001001uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型ADC0000011010uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型ADC0000111011uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型ADC0001111100uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型ADC0011111101uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型ADC0111111110uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型ADC1111111111uI三、常用

ADC的类型和主要参数

(一)常用ADC的类型常用ADC主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型ADC转换速度最快，但价格贵；双积分型ADC精度高、抗干扰能力强，但速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。

(二)

主要参数2.相对精度(又称转换误差)

指ADC输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。

1.分辨率例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。例如转换误差不大于1/2LSB，即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1/2LSB。3.转换时间转换速度比较：并联比较型>逐次逼近型>双积分型数十ns数十s

数十ms指ADC完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。D/A

转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。常用的

DAC主要有权电阻网络DAC、R

-2RT形电阻网络DAC、R

-2R倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络DAC转换精度高，性能最佳。本章小结A/D转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。常用ADC主要有并联比较型、双积分型