数字电子技术 课件 第8章 数模和模数转换

教学课件数

字

电

子

技

术第8章D/A与A/D转换目录CATALOG8.2D/A转换器(，★)8.4应用案例8.1概述8.3A/D转换器(，★)

知

识

图

谱D/A与A/D转换8.1概述8.2D/A转换器8.3A/D转换器8.4应用案例

(，★)任务：将数字量转换为模拟量主要技术指标转换精度转换速度任务：将模拟量转换为数字量转换步骤：采样、保持、量化、编码量化方法

(，★)常用的D/A转换器只舍不入法四舍五入法倒T形电阻网络D/A转换器权电阻网络D/A转换器权电流型D/A转换器8.1概述接口电路A/D转换器

或ADC项目一D/A转换器或DAC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。模拟传感器A/D转换器模拟量执行元件D/A转换器模拟量被控对象非电量控制操作数字处理系统数字量数字量8.1

概述本章重点：D/A和A/D转换的原理，以及D/A转换器的应用。衡量性能的参数为转换精度和转换速度!D/A转换器权电阻网络D/A转换器权电流型D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器A/D转换器直接型并联比较型反馈比较型间接型电压——时间型(VT型)——双积分型电压——频率型(VF型)计数型逐次逼近型D/A和A/D转换器数模和模数转换器的分类8.1概述1.为什么要进行A/D和D/A转换？2.怎样将模拟量转换为数字量？3.怎样将数字量转换为模拟量？4.试举出A/D或D/A转换的例子。思考与练习8.2D/A转换器D/A转换器的基本概念1．D/A转换器的转换原理将数字量转换为与之成正比模拟量。数/模转换器：A

=KD用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码由输入数字量控制

产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压D/A转换电路输入输出的关系:n位二进制数dn-1dn-2…d0的大小输入为二进制码，输出为模拟电压，输出电压与输入的二进制码的值成正比。K为比例系数uO000D00101001110010111011101234567D/A转换器Dn-1Dn-2D0

输出(uO或iO)输入(D)D1......二进制数按位权展开所对应的十进制数值。8.2D/A转换器8.2D/A转换器基本原理D/A转换器：将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量DDAC模拟量AK为比例系数A=KD将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。基本思路8.2D/A转换器放大器原理A为运算放大器与电阻配合构成反相比例运算电路。理想运放在负反馈条件下的两个特点：“虚短”：“虚断”：由此推出：典型的D/A转换器

A+-V-V+RFuoRuii-i+i∑8.2D/A转换器权电阻网络模拟开关求和放大器参考电压Si：Di=1时接VREF，Di=0时接地此式即表明模拟输出与数字输入成正比。

1．权电阻网络D/A转换器uORF(R/2)A-+23R22R2RRI0I1I2I3D0D1D2D3i∑VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSB12推广到一般情况优点：电阻数量少，结构简单；缺点：位数较多时，电阻种类多，差别大，不易集成。每条支路上的电阻反映了该位的权，故称权电阻网络。改变RF可改变比例系数。uORF(R/2)A-+23R22R2RRI0I1I2I3D0D1D2D3i∑VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSB8.2D/A转换器特点8-1

如图所示的4位权电阻网路DAC电路，若VREF=12V，求对应D3D2D1D0分别为

0110和1100时输出电压值。(1)D3D2D1D0=0110时，

(2)同理，当D3D2D1D0=1100时，应用举例

uORF(R/2)A-+23R22R2RRI0I1I2I3D0D1D2D3i∑VREFS0S1S2S3V-V+LSBMSB解：例：8.2D/A转换器2.倒T形电阻网络D/A转换器由图可知不管开关接左还是接右，支路电流都不变，只是接左电流流入地，接右电流流向R

。D0D1D2D3i∑VREFuORF=RR

A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI'3I'2I'1I'0IDi=1

：Si与运放的反相输入端(“虚地”)连接。Di=0：Si与地连接。i∑=D0I0+D1I1+D2I2+D3I38.2D/A转换器倒T形电阻网络中的电流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I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R电阻支路为倒T型，故名倒T型电阻网络DAC推广：n位数模转换器的输出改变RF可改变比例系数解决了阻值相差太大的问题D0D1D2D3i∑VREFuORF=R

A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI'3I'2I'1I'0I8-2电路如图所示，已知RF=20kΩ，VREF=10V，

其余电阻R的阻值均为10kΩ，试求：

(1)输出的关系式；(2)当uo=-10V时，该电路输入的数字量

D3D2D1D0为多少？(1)应用举例

解：例：

(2)当u0=-10V时代入关系式得D3D2D1D0=1000。D0D1D2D3i∑VREFuORF=RR

A-+V-V+LSBMSBS3S2S1S02R2R2RI0I1I2I32R2RRRRI'3I'2I'1I'0I3.权电流型D/A转换器解决措施：将电阻换成恒流源。模拟开关的问题：若模拟开关的导通电阻不相等，则电流有误差，转换有误差。恒流源的实现：三极管集电极电流。D0D1D2D3i∑VREFuORFA-+V-V+LSBMSBS3S2S1S0I/16I/8I/4I/204R-2R倒T型电阻网络DAC克服了权电阻网络带来的较大误差，结构简单、工作速度块，得到广泛应用02若各个电阻的阻值相差较大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，难以保证对电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，也不利于集成化01权电阻DAC的优点是电路简单，转换速度也比较快；其转换精度取决于VREF、权电阻精度及模拟电子开关03因此权电阻DAC并不单独使用，而是将其权电阻网络由相应的权电流网络替换，以保证转换精度，即权电流型网络DAC比较集成D/A转换器8位CMOS并行D/A转换器CDA7524211.

转换精度以四位DAC为例画出转换特性曲线可以看出输出电压在幅值上是不连续的，一个级差为0000001101101001110011111/163/165/167/169/1611/1613/1615/16通常用分辨率和转换误差来描述。级差越小，转换精度越高，输出越接近于模拟（幅值上连续）信号；转换精度的概念：n位DAC的，n越大，转换精度越高。D/A转换器的主要技术指标用与n有关的量来表示转换精度，称之为分辨率。(1)分辨率定义1：用输入二进制数的位数n表示，如8位；定义2：用输出模拟电压的最小值与最大值之比表示；最低位为1，其它位均为0时对应的输出电压称为1LSB，即输入全为1时对应的输出电压称为满刻度输出，用FSR表示，即23分辨率只反映了理论精度，实际精度与误差有关（例正向偏差使级差加大，精度减小）。(2)转换误差定义1：定义2：误差的来源VREF的波动；A的零漂;S的导通电阻与压降；R的阻值偏差;所谓误差即指输出电压的实际值与理论值的偏差。单位：LSB如：1LSB如：0.1％FSR2.转换速度定义：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压

进入与稳态值相差±1/2LSB范围内的时间称为建立时间。不包含运放的DAC中，tset可达0.1

s包含运放的DAC中，tset可达1.5

s注意：当需外加运放构成DAC时，

应采用转换速率快的运放。

输入信号由全0变为全1所需时间最长。(1)建立时间tset(2)转换速率SR

它是在大信号工作时，即输入数字量的各位由全0变为全1，或由全1变为0时，输出电压uo的变化率。3．温度系数指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。4．转换时间是指D/A转换器在输入数字信号开始转换。到输出的模拟电压或

电流达到稳定值所需的时间。1.D/A转换器可能存在哪几种转换误差？试分析误差的特点及其产生误差的原因。3.试比较权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器的特点。4.与权电阻网络D/A转换器相比，倒T形电阻网络D/A转换器有何优点？2.如何定义D/A转换器的分辨率？8位D/A转换器的分辨率是多少？检验学习结果8.3A/D转换器

将模拟量转换为数字量一般需经过采样、保持、量化与编码等四个过程完成，前两个过程在采样与保持电路中完成，后两个过程在A/D转换中完成。

A/D转换器的组成框图A/D转换的基本原理8.3A/D转换器uIttuS采样：即在不同的时间点上把信号采样下来，从而将在时间上连续的

模拟信号转换成在时间上离散的信号。保持：每次采样完毕要保持一段时间，以供ADC将采样下来的信号进

行转换。过高，保持时间短，不能保证ADC可靠转换。1.采样定理：对采样频率的要求：过低，不能反映原始信号的变化规律。输入模拟信号的最高频率分量的频率取样频率8.3A/D转换器2.采样保持电路基本形式uS=0，S闭合，C充电（τ=RCH），uO=ui，采样。uS=1，S打开，C无放电回路，uO保持。8.3A/D转换器量化：完成模拟量在数值上的离散化，转化为最小数量单位Δ的整数倍。编码：用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。3．量化与编码例：把0~1V的模拟电压转换成3位二进制代码，即用000~111表示0~1V的电压。解：方法一：只舍不入法取最小量化单位为1/8V，即Δ=1/8V并规定：0~1/8V为0Δ，

1/8~2/8V为1Δ，…1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0V1111101011000110100010007Δ=7/8V6Δ=6/8V5Δ=5/8V4Δ=4/8V3Δ=3/8V2Δ=2/8V1Δ=1/8V0Δ=0V输入信号二进制代码代表的模拟电压则最大量化误差为1Δ=1/8V。318.3A/D转换器3．量化与编码方法二：四舍五入法取最小量化单位为2/15V，即Δ=2/15V，并规定：0~1/15V为0Δ，

1/15~3/15V为1Δ，

3/15~5/15V为2Δ，

…则最大量化误差为1/2Δ=1/15V。1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0V1111101011000110100010007Δ=14/15V6Δ=12/15V5Δ=10/15V4Δ=8/15V3Δ=6/15V2Δ=4/15V1Δ=2/15V0Δ=0V输入信号二进制代码代表的模拟电压8.3A/D转换器A/D转换器直接型ADC间接型ADC并行比较型反馈比较型电压/时间型(VT)——双积分型电压/频率型(VF)逐次逼近型计数型4．A/D转换器的分类直接型A/D转换器输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，不需要中间变量。间接型A/D转换器转换成为与其采样保持电压成正比的、容易测量的时间或频率等物理量，最后再把这些物理量转换成数字量。典型的A/D转换器331.反馈比较型ADC基本思路：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟信号电压相比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是所求的转换结果。(1)计数型ADC方框图

计数器对脉冲源计数，其输出为数字量，该数字量送入DAC，转换为模拟信号uO，与ui比较，若uO<ui，则计数器继续计数，uO增加，直至uO≥ui，计数停止，此时的计数值就是A/D转换结果。基本原理：DAC计数器输出寄存器脉冲源C-+uBui>0模拟输入并行数字输出MSBLSBLSBMSBuOCP&uLG控制转换信号转换34工作过程：转换前，uL=0，门G被封锁，计数器不工作，清零，输出为0，uO<ui，uB=1。转换开始，uL=1，门G打开，计数器计数，计数值增加，uO增加。当uO≥ui时，uB=0，门G被封锁，计数器停止计数，这时计数器中所存数字就是所求的输出数字信号。由于在转换过程中，计数器输出在不停地变化，所以不能将计数器的输出直接作为输出信号，为此，在输出端设置了输出寄存器，在每次转换完成后，用转换信号的下降沿将计数器的输出置入输出寄存器中，而以寄存器的状态作为最终的输出信号。DAC计数器输出寄存器脉冲源C-+uBui>0模拟输入并行数字输出MSBLSBLSBMSBuOCP&uLG控制转换信号特点：电路简单，所用器件不多；转换速度慢，n位ADC最长的转换时间为(2n-1)TC转换TC(2)逐次逼近型ADC

基本原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重量12348g+4g8g暂时结果8g12g12g13g比较判别顺序8g+4g+2g8g+4g+1g8g<13g12g<13g14g>13g13g=13g该砝码的去留留留去留设ui=5.3V，3位DAC的VREF=8VDAC输入DAC输出1004V<5.3V1106V>5.3V1015V<5.3V最高位置1保留最高位1，第二位置1去掉第二位1，第三位置1保留第三位1转换结果：10136DAC逐次逼近寄存器脉冲源C+_ui并行数字输出MSBLSBLSBMSBuOuL控制转换信号控制逻辑CP方框图：基本原理：逐次逼近寄存器在uL、CP的控制下先输出100(以三位为例)，经D/A转换后输出uO，若uO>ui，则C输出控制信号使寄存器输出010；若uO<ui，则C输出控制信号使寄存器输出110；再经D/A转换后输出uO，若uO>ui，则C输出控制信号使寄存器去掉第二位1，并使第三位置1，若uO<ui，则C输出控制信号使寄存器保留第二位1，并使第三位置1，依此类推。转换时间(n+2)TC特点：速度比并联型慢，比计数比较型快。电路比并联型简单，比计数比较型复杂。目前使用最多。TC比较器C1~C7：同相输入端接ui反相端接参考电压，参考电压的大小由电阻分压得到。寄存器FF1~FF7：暂存量化结果，等待时钟到来，统一送入编码器编码。Qn+1=Dn编码器：将量化结果进行编码，实现数字量输出。高电平有效。+_R+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1R/21DC1+_≥1≥1≥1≥1≥1≥11C2C3C4C5C6C7C1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1D2D1D0MSBLSB(20)(21)(22)VREF153VREF1513VREF15VREFuiCPR1DC12．并行比较型A/D转换器工作原理：+_R+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1+_R1DC1R/21DC1+_≥1≥1≥1≥1≥1≥11C2C3C4C5C6C7C1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1D2D1D0MSBLSB(20)(21)(22)VREF153VREF1513VREF15VREFuiCPR1DC1当ui<VREF/15时，C1~C7=0编码：D2D1D0=000当VREF/15<ui<3VREF/15时，C2~C7=0编码：

D2D1D0=001C1=1当3VREF/15<ui<5VREF/15时，C3~C7=0编码：

D2D1D0=010C1~C2=1当13VREF/15<ui<VREF时，编码：

D2D1D0=111C1~C7=1依此类推特点：速度快不用附加采样保持电路所用器件多，n位A/D转换需2n-1个比较器和触发器uiC7C6C5C4C3C2C1D2D1D0(0~1/15)VREF0000000000(1/15~3/15)VREF0000001001(3/15~5/15)VREF0000011010(5/15~7/15)VREF0000

11

1011(7/15~9/15)VREF0001111100(9/15~11/15)VREF0011111101(11/15~13/15)VREF0111111110(13/15~1)VREF11111111118-33位并行比较A/D转换器，采用四舍五入方法量化，已知基准电压VREF=10V，求输入模拟电压ui=6.28V时相应的输出数字量D2D1D0=？量化单位

而=4.71，即

ui=4.71Δ因四舍五入方法量化，且尾数0.71＞

，

所以输入电压量化后的值为ui=5Δ，相应的输出数字量D2D1D0=101。应用举例

解：例：3．双积分型A/D转换器T2T1uO1uOt转换前，uL=0，计数器清零，S闭合，C放完电。转换开始，uL=1第一步，K接ui，积分器对ui积分，积分时间为固定值T1积分结束时：第二步，K接-VREF，积分器对-VREF积分，uO增加，uO=0时，积分结束。积分时间：T'2V'O1数字量输出uOCP脉冲源uL控制转换控制逻辑MSBLSB_C+计数器SKuGui>0A_+KSRC积分器比较器-VREF<0可见T2正比于ui令计数器在T2时间里对频率为fC的脉冲进行计数，计数值：可见计数值D正比于uiT2T1VO1uOtT'2V'O1uGui=ui1tuGtui=ui2若取T1为TC的整数倍，即T1=NTC，则数字量输出uOCP脉冲源uL控制转换控制逻辑MSBLSB_C+计数器SKuGui>0A_+KSRC积分器比较器-VREF<0特点：稳定R、C、TC的变化不会影响转换结果抗干扰性强若vI引进对称干扰，在T1期间积分值为0，故VO1不变，转换结果不变。常见干扰为50Hz干扰，故应取TC为0.02s的整数倍。速度慢最长积分时间：2T1=2n+1TC由此也可得出该电路要求：ui<VREF否则对VREF积分计数器计满值时，uO也不会上升到0，转而又对ui积分。T2T1VO1uOt对称干扰T1uituOtT1T28-4VT双积分ADC的VREF=-10V，计数器为12位二进制加法计数器。已知时钟频率fcp=1MHz。求：(1)该ADC允许输入的最大模拟电压是多少？(2)当ui

=6V时，求输出的数字量。(3)已知输出的数字量为(4FF)16，求对应的输入电压ui。(2)因为输入模拟电压与数字量成正比，是最小量化单位LSB的N倍，N所对应的

数字量即为转换结果。当ui=6V时，(3)输出的数字量为(4FF)16时，对应的输入电压ui为(4FF)16=(1279)10=(10011111111)2

应用举例

解：例：(1)因为只要ui<VREF，转换器就能将输入电压ui转换为数字量从寄存器中输出所

以允许输入的最大模拟电压uimax为uimax==10V。8.3A/D转换器

集成A/D转换器及应用

ADC0809是采用CMOS工艺制成的单片8位8通道逐次逼近式A/D转换器。8位模拟开关用于从8路模拟输入信号中选择1路进行A/D转换；地址锁存与译码部分存放地址码并进行译码实现对8路模拟输入信号的选择；8位A/D转换器为逐次逼近A/D转换器；三态输出锁存缓冲器用于锁存转换后的数字量并控制三态输出。8.3A/D转换器各引脚的作用：CLOCK(CP)：时钟信号输入端，允许范围为10

1280kHz。VREF(+)与VREF(−)

：正负基准电压输入端，典型值分别为+5V和0V。IN0

IN7

：8路模拟信号输入端，输入模拟电压范围VREF(−)

VREF(+)。

ADDC、ADDB、ADDA：地址输入端。D7

D0

：数字量输出端，D0为最低有效位(LSB)，D7为最高有效位(MSB)。ALE

：地址锁存允许输入信号端,上升沿锁存ADDC、ADDB、ADDA地址码。START

：启动脉冲信号输入端，有效信号为一正脉冲，脉冲的上升沿A/D转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始A/D转换。OE：输出允许信号，高电平有效。EOC：转换结束信号，当A/D转换完毕之后发出一个正脉冲。VCC：电源电压，+5V。GND：接地端。8.3A/D转换器8.3.4A/D转换器的主要技术指标和选用原则1．ADC转换器的主要技术指标(1)转换精度ADC转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。A/D转换器的分辨率是输出二进制数或十进制数的位数表示。它表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。

一般是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。通常以最低有效位的倍数给出，如若转换误差为<±LSB/2，则说明实际输出的数字量和理论上应得的输出数字量之间的最小误差小于最低有效位的半个字。

2)转换误差

1)分辨率8.3A/D转换器A/D转换器转换速度是用转换时间