第19讲数-模和模-数转换器教材

第19讲数—模和模—数转换器19-1D/A转换器19-2A/D转换器

随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。完成D/A转换的电路称为D/A转换器（DigitaltoAnalogConverter简称DAC）。完成A/D转换的电路称为A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter简称ADC）。概述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。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。●典型应用系统之一——多路数据采集系统●典型应用系统之二

——声音的存储与回放系统一、D/A转换器的基本概念数字信号模拟信号将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。19-1D/A转换器19.1.1D/A转换器的基本原理以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系D2D1D0vO0000V0011V0102V0113V1004V1015V1106V1117V组成：

D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路、基准电压几部分构成。

原理：对数字量的每位二进制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总模拟量，从而实现D/A转换。数码寄存器模拟

开关译码

网络求和放大器Du基准电压UREFDAC方框图电阻网络模拟电子开关求和放大器参考电压19.1.2权电阻网络D/A转换器集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，V-≈V+=0取RF=R/2n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围:优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。RF19.1.3倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制，①当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；②当Di=0时，Si将电阻2R接地。

所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地），因此流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。工作原理等效电路：可算出，基准电流I=VREF/R输出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：取RF=R则：n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。常见DAC输出公式归纳权电阻网络倒T型电阻网络取Rf＝R：集成D/A转换器CB7520为10位DACCB7520运算放大器的反馈电阻可使用CB7520内设的R如上图所示（16脚与1脚相连），也可另选反馈电阻接到IOUT1与VO之间。CB7520引脚排列图CB7520需外接运放需外接基准电压源D/A转换器应用举例设集成D/A转换器CB7520按图联接，且VREF=-10V，求输出与输入的关系。解：CB7520D/A转换器输出与输入的关系19.1.5具有双极性输出的D/A转换器接一偏置电流符号位求反若选VB=VREF和RB=2R，则:

当UREF=－8v时，有补码输入对应的十进制数要求的输出电压d2d1d0011010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v则可得左表（1）分辨率：D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。在实际应用中，常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。即分辨率为2n。在分辨率为n位的D/A转换器中，可以区分的模拟输出的最小非零电压值|VREF／2n|，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。

（2）转换误差

D/A转换器的转换误差是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。19.1.6D/A转换器的主要参数通常用分辨率和转换误差来描述。一、D/A转换器的转换精度一般不包含运放的DAC建立时间可达0.1μs，包含了运放的建立时间可以达到1.5μs。二、D/A转换器的转换速度

当输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，而需要一段时间。用建立时间（tset）和转换速率（SR）来描述转换速度。例1、已知4位倒T型DAC，输入数字量为1101，UREF=-8V，Rf=R，则输出模拟量UO=?解：解：计数器状态为0000时，模拟输出为0；当状态为0001时，D/A输入数字量为0001000000，输出为：编码＋1递增，所以模拟电平输出也按0.625V递增。例2、位D/A转换器，VREF=-10V,画输出波形。0.625VCPtt0(V)1160

例3、波形产生电路如图，图中ROM的数据如表所示。对应CP波形，画出输出vO的波形，并标出波形上各点的电压值。解、由74161可得状态为

查ROM表可得AD7533高4位数据为

0111，0001，0010，

0011，0100，0011。计算出vO值为3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V波形：19-2A／D转换器0~5V00000000~11111111A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量19.2.1A/D转换的一般步骤

将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，通常的转换过程为：采样、保持、量化和编码。Ot1.采样－保持

采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。OtvI(t)OtS(t)vI(t)vo(t)①采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍采样定理：fs≥2fi(max)输入模拟信号的最高频率分量的频率采样频率②采样—保持电路电路组成及工作原理（要求电路中Av1Av2=1）t=t0时，S闭合，电容充电，vo=vI，t0～t1阶段为取样阶段；t=t1时，S断开，电容没有放电回路，其两端电压保持vo不变，t1～

t2阶段为保持阶段。取样保持量化——将采样—保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化单位）的整数倍。即单位数字量所代表的模拟量。

如量化单位用△表示，量化过程为：把采样的模拟量除△，得：①整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。②余数部分，即量化误差。误差处理：四舍五入——误差小。只舍不入——误差大。量化单位越小→转换位数越多→量化误差越小。编码——量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程称为编码。2、量化与编码例:试用三位二进制代码对0～1V的电压进行量化与编码01/8V7/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化结果编码结果①只舍不入（舍尾取整）

取量化单位

即取△=1/8V,量化误差为△=1/8V即取△=2/15V,量化误差为△/2=1/15V01/15V13/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化结果编码结果如果取量化单位

②有舍有入（四舍五入）19.2.2A/D转换器的分类工作原理：直接ADC：模拟信号→数字信号特点：速度快典型电路：并行比较型ADC、逐次比较型ADC间接ADC：模拟信号→中间信号→数字信号特点：速度慢典型电路：双积分型ADC、电压频率转换型ADC一、

并联比较型A/D转换器特点：速度快，但是随着分辨率增加，元件数目急剧增加。不易于集成。逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程

将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。二、反馈比较型逐次比较型A／D转换器1．转换原理：2、电路结构CPd3d2d1d0vO比较结果处理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvI＞vOvI＞vOvI＜vOvI＞vO（d3）1保留（d2）1不保留（d1）1保留（d0）1保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=10113．逻辑电路三.间接转换型ADC

间接转换型ADC实现基本原理直接转换型ADC是直接进行输入模拟电压到输出数字编码的变换。

双积分型ADC间接转换型ADC是是通过电压－时间变换或电压－频率变换，对变换后的时间或频率进行计量，从而得到数字编码量。对输入模拟电压进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔。再对已知参考电压进行积分。积分时利用时钟脉冲和计数器测出相应时间间隔，进而得到相应的数字量输出。该ADC也称为电压－时间－数字式积分器。双积分型ADC电路原理分析它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成（2）第一次积分阶段工作原理：（1）准备阶段计数器清零，积分电容放电，

vO=0Vt=0时，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：由于vO<0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数

经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：

t1=T1=2nTC

（3）第二次积分阶段工作原理：当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－VREF加到积分器的输入端；积分器开始反向积分同时，N级计数器又从0开始计数当t=t2时，积分器输出电压vO>0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。在T2结束时vO的表达式可写为：设T2=t2－t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为D，则：T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量

计数器中所计得的数D（D=Qn-1…Q1Q0），与输入电压的VI成正比。只要VI<VREF，转换器就能将输入电压转换为数字量T2=DTC

四、集成A/D转换器CC14433为双积分型集成A/D转换器，它采用CMOS工艺制造，将模拟电路与数字电路集成在一个芯片，只需外接少量元件就可以构成一个具有自动调零和自动极性切换功能的位的A/D转换系统。19.2.3A/D转换器的主要技术指标①分辨率——说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，