数字电子技术 第六版 课件 第8章 数模和模数转换器

第8章数模和模数转换器8.1概述8.2

D/A转换器

8.3

A/D转换器本章小结权电阻网络权电流网络并联比较型掌握D/A转换器的基本工作原理，包括倒T型电阻网络、权电流网络；掌握A/D转换器的基本工作原理，包括并联比较型、双积分型。概述数模转换是将数字量转换为模拟电量，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比，也称D/A转换器，简称DAC。，模数转换则是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，也称A/D转换器，简称ADC.数模转换电路分类模数转换电路分类本章重点逐次逼近型双积分型倒T型电阻网络概述模拟电量控制操作模拟传感器

生产过程控制对象

数字量数字量模拟电量

非电模拟量A/D转换器

数字控制计算机

D/A转换器

执行元件

由此可见，模拟-数字转换器和数字-模拟转换器是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可缺少的组成部分。数模和模数转换器的作用第8章数模和模数转换器8.2

D/A转换器8.2.1R-2R倒T形电阻网络D/A转换器8.2.2权电流型D/A转换器8.2.3D/A转换器的主要参数8.2.4集成D/A转换器应用举例S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR

一、

电路组成8.2.1R-2R

倒T形电阻网络D/A转换器

电流电压转换电路(简称I/U

转换电路)模拟开关Si

打向1侧时，相应2R

支路接虚地；Si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。

倒T型电阻网络模拟开关iF

从A、B、C、D节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为R。VREFR

因此，由VREF流出的总电流I

是固定不变的，其值为

I=，并且每经过一个节点，电流被分流一半，从数字量高位到低位的电流分别为：、、、。I3=I2I2

=I4I1

=I8I0

=I16

二、工作原理II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRBCDA

故流入求和运算放大器输入端的总电流iΣ为iΣ

==I2D3+I24VREF24R(23D3+22D2+21D1+20D0)=I8D1+I16D0I4D2+(23D3+22D2+21D1+20D0)

对于n位倒T形电阻网络D/A转换器，则有

故运算放大器的输出电压uO为uO=iFRF=-iΣRF=-RFVREF24R(23D3+22D2+21D1+20D0)uO=-RFVREF2nR(2n-1Dn-1+2n-2Dn-2+…+21D1+20D0)

由于倒T形电阻网络D/A转换器中各支路的电流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差，因而提高了转换速度，所以，倒T形电阻网络D/A转换器的应用非常广泛。由上式可看出：输出模拟电压uO与输入数字量成正比，从而实现了D/A转换。电路点评：由于倒T型电阻网络中的电阻只有R和2R两种，因此这两个电阻可以做到精度很高，提高了转换精度。又由于各电阻支路都是直接通过电子开关与求和运算放大器的同相端或反相端相连，在电子开关切换过程中各电阻支路中的电流不变，减少了电流建立时间，提高了转换速度，应用广泛。解：4位倒T型电阻网络D/A转换器的输出电压为：波形分析举例[例]

在倒T型电阻网络D/A转换器中，设VREF=-10V，R=RF，试分别求出：（1）当输入最小数字量D3D2D1D0=0001时，输出uo

最小值；（2）当输入数字量D3D2D1D0=1001时，输出uo

值；（3）当输入最大数字量D3D2D1D0=1111时，输出uo

最大值。uO

=iF

RF=-iΣRF=-RFVREF24R(23D3+22D2+21D1+20D0)（2）uo=-(23×1+22×0+21×0+20×1)=5.625V

（3）uo=UO(max）=-

(23×1+22×1+21×1+20×1)=9.375V（1）uo=UO(min)=-

(23×0+22×0+21×0+20×1)=0.625V8.2.2权电流型D/A转换器

在倒T形电阻网络中，各支路电流值会受电子开关导通电阻的影响，因而会有误差。若将各支路电流采用恒流源代替，则可提高转换精度。

一、电路组成

i位电子模拟开关Si

由相应输入数据Di控制。当Di=1时，Si接1，恒流源接运算放大器的反向端，并提供恒流Ii

；当Di=

0时，Si

接0，恒流源接地。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFI/201111000I/4I/16I/8-+(LSB)(MSB)I/U转换

权电流恒流源模拟开关-VREF

当电子开关Si

都接1

端时，最高位代码对应支路的恒流源电流为I/2，相邻位支路的恒流源电流依次减半。故运算放大器的输出电压uO

为

对于n位权电流型D/A转换器，则有

uO=

RFI2n(2n-1Dn-1+2n-2Dn-2+…+21D1+20D0)uO=iΣRF=RFI24(23D3+22D2+21D1+20D0)=RF(I2D3+I8D1+I16D0)I4D2+

二、工作原理

由上式可看出：输出模拟电压uO与输入数字量成正比，从而实现了D/A转换。8.2.3D/A转换器的主要参数一、分辨率

由此可见，D/A转换器的位数

n

越多，分辨率就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。对于一个10位的D/A转换器，分辨率为0.000978。D/A转换器的最低位有效数字量（00…01）对应输出的模拟电压ULSB

与最大数字量（11…11）输出满刻度电压UFSR

的比值。二、转换精度要获得较高精度的D/A转换器，应选用低漂移高精度的运算放大器，采用高稳定度的VREF

和选用高分辨率的D/A转换器。

指D/A转换器在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。

转换时间越短，转换速度就越高。指D/A转换器输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。在D/A转换过程中，产生误差的原因很多，常见的原因有运放的零点漂移、电子模拟开关接通时的导通压降、基准电压VREF

的波动、R－2R倒T形电阻网络中电阻阻值的误差等。

三、转换时间七、集成DAC应用举例一、集成D/A转换器AD7524介绍

集成DAC简介常用集成DAC有两类：一类是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。另一类是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。8.2.4集成D/A转换器的应用举例1.8位CMOS集成D/A转换器AD7524简介数据锁存器20k

20k

20k

20k

20kΩ……10k

10k

10k

10k

…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RF(10kΩ)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

2．CMOS电子模拟开关开关管两级反相器电平偏移电路

当i

位数据Di=1时，V1截止，V3导通，输出低电平0，经V4、V5组成的反相器后输出高电平1，使V9导通；同时，V6、V7组成的反相器输出低电平0，使V8截止。这时，2R支路电阻经V9接位置1

。当Di

=0时，则V8导通，V9截止，2R支路电阻接位置0。从而实现了单刀双掷开关的功能。

[例]右图为CDA7524组成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。CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2k

R2R11k

15pFWR解：当

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

时，输出为满度值。uO=-

UFSR

-9.961V。二、应用举例

构成阶梯信号发生器第8章数模和模数转换器8.3

A/D转换器8.3.1A/D转换器的一般过程8.3.2并联比较型A/D转换器8.3.3双积分型A/D转换器8.3.4A/D转换器的主要参数8.3.5集成A/D转换器应用举例8.3.1A/D转换的一般过程一、取样-保持电路

为了能较好地恢复原来的模拟信号，根据取样定理，要求取样脉冲uS的频率fs

必须大于等于输入模拟信号uI频谱中最高频率fI(max)

的2倍，即

fs

≥2fI(max)

当取样脉冲uS

为高电平时，NMOS管导通，输入电压uI经其对C

迅速充电，使电容C上的电压uC

跟随输入电压uI

变化，在tW

期间uC

=uI。

当取样脉冲uS

为低电平时，NMOS管截止，电容C上的电压uC

在TS

-

tW

期间保持不变，直到下一个取样脉冲到来。这期间，输出电压uO

始终跟随电容C

上的电压uC

变化。C

要将取样-保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，通常用数字信号最低位1对应的模拟电压作为量化单位，用Δ表示。将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化。

在量化时，样值电压一般不能被Δ

整除，非整数部分的余数被舍去，必然会产生误差，这个误差称为量化误差。

A/D转换器的位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小。

二、量化与编码6.3.2并联比较型A/D转换器0000000000uI电阻构成分压器

当0V≤uI＜(1/15)VREF

时，D2D1D0=000。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转码器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF工作原理代码转换器0000001001uI当(1/15)VREF≤

uI＜(3/15)VREF

时，D2D1D0=001。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器0000011010uI当(3/15)VREF≤

uI＜(5/15)VREF

时，D2D1D0=010。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器代码转换器0000111011uI当(5/15)VREF≤

uI＜(7/15)VREF

时，D2D1D0=011。VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF

6.3.2并联比较型A/D转换器工作原理0001111100uI当(7/15)VREF≤

uI＜(9/15)VREF

时，D2D1D0=100。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2并联比较型A/D转换器代码转换器工作原理00111111uI当(9/15)VREF≤

uI＜(11/15)VREF

时，D2D1D0=101。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD10D00

(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器0111111110uI当(11/15)VREF≤

uI＜(13/15)VREF

时，D2D1D0=110。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器1111111111uI当(13/15)VREF≤

uI＜1VREF

时，D2D1D0=111。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器

当输入电压uI在0V~VREF间变化时，寄存器状态和输出数字量的对应关系如下表所示。输入模拟电压uI寄存器状态代码输出Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D2D1D00<uI≤(1/15)VREF0000000000(1/15)VREF<uI≤(3/15)VREF0000001001(3/15)VREF<uI≤(5/15)VREF0000011010(5/15)VREF<uI≤(7/15)VREF0000111011(7/15)VREF<uI≤(9/15)VREF0001111100(9/15)VREF<uI≤(11/15)VREF0011111101(11/15)VREF<uI≤(13/15)VREF0111111110(13/15)VREF<uI≤

VREF1111111111电路点评：并联比较型A/D转换器的优点是只需比较一次就可获得输出的数字量，所以转换速度非常高。缺点是为了实现高速度转换时，需要大量的电压比较器和触发器以及复杂的代码转换器（编码器），这导致电路很复杂，成本高。因此，并联比较型A/D转换器多用在要求转换速度高的场合。8.3.3双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器是一种间接型A/D转换器，其基本原理：将输入模拟电压转换成与之成正比的时间间隔，在此时间内用计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时的计数值正比于输入的模拟电压，从而实现模数转换。检零比较器积分器定时触发器G2&时钟控制门QuOuCFFnRD基准电压计数器RS2usCPRC11J1KDn-1

(MSB)D1D0(LSB)n

位二进制计数器RCP…G1&-VREFS1C∞∞uI

一、电路组成8.3.3双积分型A/D转换器

基准电压VREF必须与输入模拟电压uI极性相反，且前者绝对值大于后者绝对值。...1.转换准备

转换控制信号uS=0，G2输出高电平1，使开关S1闭合，电容C放完电荷，计数器清零；定时触发器FFn复位,

Qn=0，使开关S2接输入模拟电压uI。8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREF积分器检零比较器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定时触发器2.第一次积分（取样阶段）

在时间t=0

时，转换控制信号uS由0

变为

1，G2输出0，开关S1断开，开关S2接入模拟电压uI。uI经电阻R对电容C进行充电，积分器开始对uI进行积分；积分器的输出电压

uO(t)为uO(t)=

-VREF8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理iR积分器

检零比较器uo<0,uC=1uo>0,uC=0定时触发器+-2.第一次积分（取样阶段）

由于积分器uO<0，过零比较器输出uC=1，这时时钟控制门G1打开，计数器开始对周期为TC的时钟脉冲CP

进行计数，经时间T1=2nTC后，计数器计满2n个CP脉冲，各计数触发器自动返回0状态，同时给定时触发器FFn

送出一个进位信号，FFn

置1，Qn＝1,使开关S2接-VREF。8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR积分器检零比较器uo<0,uc=1uo>0,uc=0定时触发器积分器检零比较器+-2.第一次积分（取样阶段）

第一次积分结束后，对应时间为t=t1=

T1，这时积分器输出电压uO(t1)为

uO(t1)=﹣

uI=﹣

uI

T1RC2nTCRC8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR定时触发器3.第二次积分（比较阶段）

在时间t=t1(=T1)时，第一次积分结束，开关S2接–VREF，电容C开始经R放电，积分器对-VREF进行反向积分（第二次积分）。8.3.3双积分型A/D转换器二、作原理-VREFiR积分器检零比较器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定时触发器+-3.第二次积分（比较阶段）

由于积分器uO<0，检零比较器输出uC=1，计数器从0开始第二次计数。当积分器输出电压uO(t)上升到uO(t)=0时，由于

uC=0，G1关闭，计数器停止计数。8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR积分器检零比较器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定时触发器+-3.第二次积分（比较阶段）

第二次积分的时间T2=t2–t1。这时输出电压uO(t2)为

uO(t2)=uO(t1)+(-VREF)dt=0∫

-1RCt1t2

得由此可知，第二次积分的时间间隔T2与输入模拟电压uI是成正比的。T2=uI

2nTCVREF8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR定时触发器+-uI3.第二次积分（比较阶段）

如在T2时间内，计数器计的脉冲个数为N，由于T2=NTC，则因此，计数器计了N个CP脉冲后所处的状态表示了输入uI的数字量，从而实现了模拟量到数字量的转换。计数器的位数就是A/D转换器输出数字量的位数。2nVREFN=uI8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理需两次积分，故转换速度慢，但成本低、精度高、抗干扰能力强，常用于低速场合。-VREFiR定时触发