数字电子技术（第五版） 课件 第8章 数模与模数转换电路

第8章数/模与模/数转换电路图9.1.1典型的自动控制和信息处理系统结构框图A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter）A/D转换器模拟电压（电流）数字量

D/A转换器（DigitaltoAnalogConverter）D/A转换器模拟电压（电流）数字量

能够实现模拟信号到数字信号转换的电路能够实现数字信号到模拟信号转换的电路1.D/A转换的基本原理图9.1.2数/模转换器示意图一、数/模转换的基本原理和分类DAC

2.

DAC的基本结构及分类一般的数模转换器的基本组成可分为四部分，即：电阻译码网络、模拟开关、基准电压源和求和运算放大器。图9.1.3数模转换器原理图按译码网络类型分权电阻网络DAC倒T型电阻网络DAC权电流网络DAC权电容网络DAC开关树型DAC按输入方式分并行输入DAC串行输入DAC1.电路结构图9.1.44位权电阻网络DAC电路图二、权电阻网络DAC基准电压模拟开关电阻网络求和运算电路2.原理分析运放工作在线性状态：◆虚断◆虚短◆虚地

2.原理分析

3.电路特点

优点：结构比较简单，所用的电阻元件数很少；

缺点：各个电阻的阻值相差较大，尤其在位数较多时。改进方法（一）：采用双级权电阻网络。图9.1.5双级权电阻网络结构思考1、Rs=8R是如何求解出来的？2、若Rs前有M位数字输入，后面有N位数字输入，则求解Rs的通式是什么？M位N位1.电路结构及原理分析三、倒T型电阻网络DAC模拟开关电阻网络基准电压源

图9.1.64位倒T型电阻网络DAC电路图求和放大器

1.电路结构及原理分析流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。三、倒T型电阻网络DAC

该电流与输入二进制数的大小成正比，实现了数字量到模拟电流的转换。4位DAC：n位DAC：

若Rf=R

2.应用示例（1）基准源提供的电流为

2.应用示例

（2）当D3D2D1D0=1000时，只有支路电流I3

流向Rf。

2.应用示例

（2）同理，当D3D2D1D0=0100时，

当D3D2D1D0=0010时，

当D3D2D1D0=0001时，

（3）输入数字量与输出电压VO的关系表00000.01000-5.00001-0.6251001-5.6250010-1.2501010-6.2500011-1.8751011-6.8750100-2.5001100-7.5000101-3.1251101-8.1250110-3.7501110-8.7500111-4.7351111-9.3751.问题引出在权电阻网络DAC和倒T形电阻网络DAC中的模拟开关在实际应用中，总存在一定的导通电阻和导通压降，而且每个开关的情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响转换精度。四、权电流型DAC2.电路原理权电流型DAC可有效的解决这一问题。其示意图如下：图9.1.7权电流型DAC电路原理图恒流源电路常使用下图所示的电路结构形式：图9.1.8权电流型DAC中的恒流源

3.电路结构图9.1.9利用倒T形电阻网络的权电流型DAC电压相同4.原理分析由电路分析知：推论：对于输入n位二进制数码的这种电路结构的DAC，输出电压的计算公式可写成：

1.设计原理前面讲的DAC输出电压都是单极性的，得不到正、负极性的输出电压。而具有双极性输出的DAC能够把以补码形式输入的正负数分别转换成正负极性的模拟电压。下面以输入为4位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。五、具有双极性输出的DAC十进制数补码输入要求输出的模拟电压+3011+3V+2010+2V+1001+1V00000-1111-1V-2110-2V-3101-3V-4100-4V十进制数补码输入偏移码输入无偏移时的输出电压偏移-4V后的输出电压+3011111+7V+3V+2010110+6V+2V+1001101+5V+1V0000100+4V0-1111011+3V-1V-2110010+2V-2V-3101001+1V-3V-41000000-4V表9.1.1输入为3位二进制补码时要求DAC的输出表9.1.2输入偏移码时DAC的输出补码、偏移码和十进制数的关系：用单极性DAC转换补码的思路：单极性模拟量扣除偏移值8所对应的模拟量加法器单极性DAC偏移码双极性模拟量2.电路设计图9.1.10具有双极性输出电压的DAC十进制数+7011111111.8750.875+6011011101.7500.750+1000110011.1250.1250000010001.00-1111101110.875-0.125-7100100010.125-0.875-8100000000-1.0

表9.1.3输入补码与输出电流之间的关系六、DAC的主要技术指标比例系数误差失调误差非线性误差分辨率01转换精度02转换速度031.分辨率最小输出电压VLSB：输入数码仅D0为1，其余各位均为0时，所对应的输出电压值。最大输出电压Vmax：输入数码全部为1时，所对应的输出电压值，也称为满刻度输出电压VFSR。分辨率：用来表征DAC对输入量微小变化的敏感程度。

对于n位DAC，其分辨率为：

分辨率只与位数有关，与基准电压VREF无关。

六、DAC的主要技术指标比例系数误差失调误差非线性误差分辨率01转换精度02转换速度032.转换精度由于DAC的各个环节在参数和性能上和理论值之间不可避免的存在着差异，所以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。

转换误差表示实际的DAC转换特性和理想特性之间的最大偏差。图9.1.11DAC的转换特性曲线参考电压VREF的波动1运算放大器的零点漂移23模拟开关的导通内阻和导通压降4电阻网络中电阻阻值的偏差5三极管特性不一致引起DAC转换误差的原因：是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。★比例系数误差图9.1.123位DAC的比例系数误差

●运放闭环增益偏离设计值原因：参考电压VREF的波动1运算放大器的零点漂移23模拟开关的导通内阻和导通压降4电阻网络中电阻阻值的偏差5三极管特性不一致引起DAC转换误差的原因：是指输入数字量为全0时，模拟量的实际起始数值不为0。★失调（零点）误差图9.1.133位DAC的失调误差●运算放大器的零点漂移原因：参考电压VREF的波动1运算放大器的零点漂移23模拟开关的导通内阻和导通压降4电阻网络中电阻阻值的偏差5三极管特性不一致引起DAC转换误差的原因：表征D/A转换器输入的数字量作等量增加时，其输出的模拟电压不能等量增加的程度。★非线性误差●开关导通的等效电阻不为0●电阻网络中阻值的偏差原因：图9.1.143位DAC的非线性误差因为这几种误差电压之间不存在固定的函数关系，所以最坏的情况下输出总的误差电压等于它们的绝对值相加，即说明：为获得高精度的DAC，单纯依靠选用高分辨率的DAC器件是不够的，还必须具有高稳定度的参考电压源VREF和低漂移的运算放大器与之配合使用，才可能获得较高的转换精度。以上讨论的都是静态误差，对于动态误差，可在DAC的输出端附加采样—保持电路。★总转换误差

六、DAC的主要技术指标比例系数误差失调误差非线性误差分辨率01转换精度02转换速度033.转换速度

图9.1.15DAC的建立时间采用权电流型DAC电路生产的单片集成DAC有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度很高。图9.1.16DAC0808的电路结构框图七、集成DAC芯片1.

DAC0808：8位权电流型DAC采用权电流型DAC电路生产的单片集成DAC有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度很高。图9.1.17DAC0808的典型应用七、集成DAC芯片1.

DAC0808：8位权电流型DAC产生基准电流补偿电阻求和电路2.AD7533：10位乘法型电流输出DAC使用时：●要外接运放；●运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。

图9.1.18AD7533的电路结构AD75333.CB7520：采用倒T形电阻网络的单片集成DAC图9.1.19CB7520的电路结构

图9.1.20DAC——CB7520应用举例

则74161一个计数周期内vO的输出列表如下：CP序号Q3Q2Q1Q0输出vO（V）CP序号Q3Q2Q1Q0输出Vo（V）100000910005.0200010.6251010015.625300101.251110106.25400111.8751210116.875501002.51311007.5601013.1251411018.125701103.751511108.75801114.3751611119.375

当RF=R，n=10时，有：则输出电压VO的波形如图所示：

练习2：1.A/D转换的基本原理图9.2.1模/数转换器示意图一、模/数转换的基本原理ADC

若为n位ADC参考量，则◆通常A/D转换位数n越大，误差越小。◆因ADC要将连续的模拟量转换为离散的数字量，所以模拟量和数字量之间不是一一对应的关系。显然，ADC存在着固有的转换误差，这种误差称为量化误差。其量化值为:◆要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，需经过四个步骤：采样、保持、量化、编码，一般前两步由采样-保持电路完成，量化和编码由ADC完成。采样保持量化编码采样-保持电路ADC0110..所谓采样，即将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。采样需遵循采样定理（奈奎斯特采样定理）。

一般，fs=(3~5)fi(max)所谓保持，即将样值脉冲的幅度，也就是采样期间的Vi(t)保持下来，直到下次采样。采样-保持的精度及性能极大地影响A/D转换器的精度。通常将采样器和保持电路总称为采样-保持电路。2.采样-保持电路图9.2.2采样-保持电路及波形完成对信号的采样。

1、当时，模拟开关S闭合电路输出保持采样值不变。

2、当

时，模拟开关S断开完成对信号的采样。

1、当时，模拟开关S闭合电路输出保持采样值不变。

2、当

时，模拟开关S断开图9.2.3集成采样保持电路LF1983.量化与编码将采样－保持电路输出的样值电平归一化到与之相接近的离散数字电平。量化把取样电压表示为某个最小数量单位的整数倍，这个最小数量单位叫量化单位，用△表示，显然，△=1LSB。量化单位把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来。编码将模拟电压信号划分为不同的量化等级时采用的方法不同，其量化误差也不同。量化误差代表的模拟电压

代表的模拟电压

图9.2.4划分量化电平的两种不同方法的比较按输入方式分并行输出ADC串行输出ADC4.

ADC的分类按转换原理分并联比较型ADC计数型ADC逐次渐近型ADCV-T变换型ADCV-F变换型ADC直接转换型间接转换型反馈比较型1.电路结构图1并联比较型ADC电路图量化单位：二、并联比较型直接ADC无需采样图9.2.5并联比较型ADC的电路结构框图比较器寄存器编码器表9.2.1图1电路的代码转换表思考：如何设计代码转换电路？输入模拟电压寄存器状态（代码转换器输入）数字量输出（代码转换器输出）vIQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1d1d2d300000000000000001001000001101000001110110001111100001111110101111111101111111111组合逻辑电路设计比较器寄存器编码器优先编码器2.转换精度和转换速度

转换速度非常快：从CLK信号上升沿算起，并联比较型ADC完成一次转换的时间只包括一级触发器的翻转时间和几级门电路的传输延迟时间，通常为ns级。3.电路特点

优点：*转换速度快：如8位输出的转换时间可达50ns以下；*含有比较器和寄存器的ADC可不附加采样-保持电路。缺点：*需要用很多的电压比较器和触发器：如n位二进制代码转换器中应当有2n-1个电压比较器和2n-1个触发器，电路相当庞大。1.工作原理反馈比较型ADC工作原理：取一个数字量加到DAC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（采样后保持下来的）模拟电压信号相比较。若两者不等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。反馈比较型ADC常采用计数型和逐次渐近型两种方案。三、反馈比较型直接ADC2.计数型反馈比较型ADC图9.2.6计数型ADC电路工作原理图原理分析★优点：电路非常简单。

★缺点：转换时间长。如当输出为n位二进制数码时，最长的转换时间可达（2n-1）倍的时钟信号周期。电路特点3.逐次渐近型反馈比较型ADC图9.2.7逐次渐近型ADC电路工作原理图原理分析具体电路100

10000010001103.逐次渐近型反馈比较型ADC图9.2.7逐次渐近型ADC电路工作原理图原理分析具体电路

0100011000100101

CP寄存器1100000005<6.842110000007.5>6.843101000006.25<6.844101100006.875>6.845101010006.5625<6.846101011006.71875<6.847101011106.796875<6.848101011116.8359375

1000◆优点：★转换速度虽比并联比较型ADC低，却比计数型ADC快得多。如n位逐次渐近型ADC完成一次转换所需的时间仅为（n+2）个时钟信号周期的时间。★逐次渐近型ADC的电路规模比并联比较型小得多。★逐次渐近型ADC是目前集成ADC产品中用得最多的一种电路。电路特点并行输出的数字量D对应的8位二进制数为：01001101一次转换所需的时间：t=(8+2)TCP=10TCP应用示例目前使用的间接ADC大多都属于电压-时间变换型（V-T变换型）和电压-频率变换型（V-F变换型）两类。在V-T变换型ADC中，首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。四、V-T间接变换型ADC1.

V-T变换（双积分）型ADC的工作原理

图9.2.8V-T变换型ADC电路结构示意图结构框图采样阶段：T1

定时采样T2

定速比较比较阶段：

2.电路特点双积分型A/D转换器的优点：★最突出的优点是工作性能比较稳定。表现在：只要在两次积分期间R、C的参数相同，则转换结果与R、C的参数无关；在取T1=NTC的情况下转换结果与时钟信号周期无关。所以完全可以用精度比较低的元器件制成精度很高的双积分型A/D转换器。★另一个优点是抗干扰能力比较强。因为转换器的输入端使用了积分器，所以对平均值为零的各种噪声有很强的抑制能力。在积分时间等于交流电网周期的整数倍时，能有效地抑制来自电网的工频干扰。完成最长一次转换所需的时间为：Tmax=(2n+1-1)×Tcp

，转换速度一般都在每秒几十次以内。双积分型A/D转换器的缺点：工作速度低。影响双积分型A/D转换器转换精度的主要因素：★计数器的位数；★比较器的灵敏度；★运算放大器和比较器的零点漂移；★积分电容的漏电；★时钟频率的瞬时波动：多采用晶振作脉冲源；等等。1.

ADC转换精度五、ADC的主要技术指标

分辨率是指引起输出二进制数字量最低位变化一个数码时，输入模拟量的最小变化量。1.

ADC转换精度五、ADC的主要技术指标

分辨率是指引起输出二进制数字量最低位变化一个数码时，输入模拟量的最小变化量。转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，它表示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，一般多以最低有效位的倍数给出，有时也用满量程的百分数给出转换误差。注：ADC的转换精度与电源电压和环境温度有关。2.转换速度ADC的转