1、12/4/2022第第13章章数数/模与模模与模/数转换器数转换器成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院自动化工程系自动化工程系 雷永锋雷永锋201312/4/2022第第13章章 数数/模与模模与模/数转换器数转换器 13.1 数数/模（模（D/A）转换器）转换器 13.2 模模/数（数（A/D）转换器）转换器12/4/2022引言引言模拟信号模拟信号 数字信号：数字信号：A/D转换器转换器 (ADCAnalog To Digital Converter)数字信号数字信号 模拟信号：模拟信号：D/A转换器转换器 (DAC Digital To Analog Converter)图图
2、13-1 A/D和和D/A转换器应用示意图转换器应用示意图 12/4/2022A/D转换器、转换器、D/A转换器的应用转换器的应用放大器放大器传感器传感器(温度、压温度、压力、流量、力、流量、应力等）应力等）采样采样/保持器保持器A/D计算机计算机显示器显示器D/A示波器示波器打印机打印机计算机进行各种计算机进行各种数字处理（如滤数字处理（如滤波、计算）、数波、计算）、数据保存、打印等据保存、打印等显示器显示字符、显示器显示字符、曲线、图形、图曲线、图形、图象等象等12/4/202213.1数数/模（模（D/A）转换器）转换器常用在电阻网络常用在电阻网络D/A转换器和转换器和T形电阻网络形电阻
3、网络D/A转换器转换器 13.1.1权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网权电阻网络、电子络、电子开关、基开关、基准电压源准电压源和运算放和运算放大器等部大器等部分组成。分组成。图图13-2 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 12/4/20221.电子开关的作用及其组成电子开关的作用及其组成双向电子开关双向电子开关 021,SSSnn分别受输入二进制数码分别受输入二进制数码 021,dddnn的控制的控制 图图13-3 5位二进制数位二进制数11010D/A转换示意图转换示意图 12/4/2022电子开关由电子开关由晶体管或场晶体管或场效应晶体管效应晶体管构成构成 图图13-4
4、 晶体管双向电子开关晶体管双向电子开关2.权电阻网络权电阻网络权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和每一位的阻阻值和每一位的“权权”相对应，所以称为权电阻相对应，所以称为权电阻网络网络 12/4/2022运算放大器输入端的权电阻网运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这络构成反相加法运算电路。这样，就可以将权电阻网络所转样，就可以将权电阻网络所转换得的各位模拟量相加，最后换得的各位模拟量相加，最后获得获得D/A转换。转换。3.运算放大器运算放大器12/4/2022 D/A的组成的组成输入输入4位二进制数位二进制数输出输出模拟
5、模拟电压电压S0S3:模拟电子开关模拟电子开关D=0,S倒向地倒向地D=1,S倒向倒向VREF电阻网络电阻网络求和运算放大器求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参精密参考电压考电压D0D1D2D3+-3R3R/2UO12/4/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当当D3D2D1D0=0000时时,S3S2S1S0都倒向地都倒向地UO=0V D/A转换原理转换原理当当D3D2D1D0=0000时时UO3R2R+-3R/2R等效电路等效电路3R0000AV=-112/4/2022VREF2R2R2R2
6、R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理转换原理(续续)当当D3D2D1D0=1000时时,S2S1S0都倒向地，都倒向地，S3倒向倒向VREFUO3R+-3R/2等效电路等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当当D3D2D1D0=1000时时0001AV=-13R12/4/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理转换原理(续续)当当D3D2D1D0=0100时时,S3S1S0都倒向地都倒向地S2倒向倒向VREF当当D3D2D1D0=0100时时UO=-
7、VREF/4UO3R+-3R/2等效电路等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-112/4/2022D/A转换原理转换原理(续续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推导，当同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，时，UO=VREF/8 当当D3D2D1D0=0001时，时，UO=VREF/1612/4/2022 D/A转换原理转换原理(续续)D3D2D1D0=1000时，时，UO=VREF/2=D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，时，UO=VREF/4=D2VREF/22D3D2D1D0=0
8、010时，时，UO=VREF/8=D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，时，UO=VREF/16=D0VREF/24根据叠加原理根据叠加原理:UO=(D3VREF/21+D2VREF/22+D1VREF/23+D0VREF/24)=(D3/21+D2/22+D1/23+D0/24)VREF =(VREF/24)(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)12/4/2022UO=(VREF/24)(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)D/A转换原理转换原理(续续)此式表明此式表明:D/A电路输出模拟电压电路输出模拟电压UO与输入的与输入的 数字量数字量D3D2D1D0
9、成正比成正比12/4/2022 例例13-1 设设R10VU，试分别求出二进制数，试分别求出二进制数1010和和1111相对应的模拟输出量。相对应的模拟输出量。解：解：（1）当数字量为当数字量为1010时时 o1234101010V6.25V2222U（2）当数字量为当数字量为1111时时o1234111110V9.375V2222U显然，输出模显然，输出模拟量与输入数拟量与输入数字量成正比字量成正比 权电阻网络权电阻网络D/A转换器的转换器的优点优点：电路结构简单，可：电路结构简单，可适用于各种有权码适用于各种有权码；缺点缺点：阻值有一定的误差，且：阻值有一定的误差，且易受温度变化的影响，位
10、数较多时，阻值分散性也易受温度变化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大很大 12/4/202213.1.2 T形电阻网络形电阻网络D/A转换转换T形电阻网络形电阻网络D/A转换器只采用了转换器只采用了R、2R两种阻值的两种阻值的电阻，克服了权电阻网络电阻，克服了权电阻网络D/A转换器的不足在集成转换器的不足在集成D/A转换芯片中得到更广泛的应用转换芯片中得到更广泛的应用 图图13-5 T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 12/4/2022基准电压源基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：输出的总电流是固定的，其大小为：RUIR输出电流和各支路电流的关系为：输出电流和各支路电流的关系
11、为：112012222onnnIIIIddd120R1201(222)2nnnnnUdddR因为因为 1FoII 输出模拟电压输出模拟电压Uo：120RFo120(222)2nnnnnURUdddR T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的输出模转换器的输出模拟电压拟电压Uo与输入的数字量成正比与输入的数字量成正比（13-4）12/4/2022一般取一般取RF=R，则式，则式（13-4）可写成如下形式可写成如下形式120Ro120(222)2nnnnnUUddd 1R022niiniUd（135）T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的转换器的特点特点：电子开关：电子开关Sk不管不管是接地还是接虚地，
12、流过各支路是接地还是接虚地，流过各支路2R电阻中的电流电阻中的电流总是近似恒定值，在集成芯片中应用得最广泛总是近似恒定值，在集成芯片中应用得最广泛 12/4/202213.1.3 D/A转换器主要技术指标转换器主要技术指标1.分辨率分辨率 DAC电路所能分辨的最小输出电压增量电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与与最大输出电压最大输出电压Um之比称为之比称为分辨率分辨率，它是转换器，它是转换器的一个重要参数，其表示式为的一个重要参数，其表示式为：121)12/(mmmLSBnnUUUU2.线性度线性度通常用非线性误差的大小来表示通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线转换器的线性度，并且
13、把偏离理想的输入性度，并且把偏离理想的输入输出特性的偏差输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。12/4/20223.绝对精度绝对精度在在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为为绝对精度绝对精度，它描述了在整个工作区内实际的，它描述了在整个工作区内实际的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差 4.建立时间建立时间实际上实际上D/A转换器内的电容、电感和开关电路转换器内的电容、电感和开
14、关电路均存在时间延迟，即经过一段时间才能使新的均存在时间延迟，即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来，这段时间就是模拟量稳定下来，这段时间就是D/A转换器的转换器的建立时间建立时间，它反映了，它反映了D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。12/4/202213.1.4 集成集成D/A转换器举例转换器举例集成集成D/A转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数的位数分类有数的位数分类有8位、位、10位、位、12位和位和16位等多种。位等多种。8位的如位的如DAC0832、DAC0808，10位的如位的如DA7533、DA7520，12位的如位的如DA7543等
15、。等。CC7520集成集成D/A转换器（相应的国产型号为转换器（相应的国产型号为5G7520）图图13-6 CC7520集成集成D/A转换器转换器12/4/20229810REF981010(2222)2oVUDDDD 在其基本应用电路图在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的中，运算放大器的输出电压为输出电压为图图13-7 CC7520的的CMOS电子开关电子开关12/4/202213.2 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 13.2.1 A/D转换器概述转换器概述AD转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换成在数值上与之成正比的二进制数。并转换
16、成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接一类是直接AD转换器转换器 一类是间接一类是间接AD转换器转换器 A/D转换转换 采样和保持采样和保持 量化和编码两大步骤量化和编码两大步骤 采样采样保持保持电路来完成电路来完成 A/D转换转换器内实现器内实现 12/4/2022将一个时间上和幅值上连续的模拟量将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间转换成时间上离散的模拟量上离散的模拟量vS的过程称为采样的过程称为采样:图图13-8 模拟信号的采样模拟信号的采样采样后，采样后，v I被转被转换成连续的相等换成连续的相等时间间隔的脉冲时间间隔的脉冲信号，其幅值等信号，其幅值等于采样时输入模于采样时
17、输入模拟量的值采样后拟量的值采样后的电压需要保持的电压需要保持一段时间一段时间 12/4/2022把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。程叫做量化。只舍不入只舍不入 有舍有入有舍有入 图图13-9 划分量化电平的两种方法示意图划分量化电平的两种方法示意图用数字代码表示量化用数字代码表示量化结果的过程叫做编码结果的过程叫做编码 12/4/202213.2.2 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较器、寄存器和编码电路较器、寄存器和编码电路4部分组成。
18、部分组成。图图13-10电路为电路为2位二进制数输出的并联比较型位二进制数输出的并联比较型A/D转换器转换器 12/4/2022RI7/10UU RIR7/37/1UUURIR7/57/3UUURIR7/5UUU)12/(2/1nRU表表13-1 图图13-10中输入模拟电压和输出数码之间的关系中输入模拟电压和输出数码之间的关系 输入模拟电输入模拟电压压UI寄存器状态寄存器状态C2C1C0数字输出数字输出D2D100000001010111011111 最大量最大量化误差为化误差为。并联比较型并联比较型A/D转换器（三位）原理转换器（三位）原理(补充补充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/8
19、6VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8时，输出时，输出=1UI 7VR/8时，输出时，输出=1UI 7VR/8时，输出时，输出=0UI 6VR/8时，输出时，输出=0电压比较器电压比较器D锁存器锁存器编编 码码 器器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压输入模拟电压精密精密 参参考电压考电压精密电阻网络（精密电阻网络（23个电阻）个电阻）输出数字量输出数字量CPUI VR/8时，输出时，输出=1UI VR/8时，输出时，输出=012/4/2022并联比较型并联比较型A/D转换器中的编码器真值表转换器中的编码器真值表 UI
20、 QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
21、0 特点：输入电压特点：输入电压UI每增加每增加VR/8，输出数字量增加输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）12/4/202213.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型A/D转换的过程转换的过程与天平称物重量的过程相似与天平称物重量的过程相似 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器被转换转换器被转换的电压相当于天平所称的物体的电压相当于天平所称的物体重量，而所转换的数字量相当重量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码重量留下来的砝码重量 12/4/
22、20221.逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的基本电路转换器的基本电路 图图13-11 3位位逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器12/4/20222.逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理输入的模拟电压输入的模拟电压UI，经采样，经采样保持电路得到的采保持电路得到的采样电压，设为样电压，设为，作用在比较器的同相输作用在比较器的同相输I4.65VU 入端，而三位入端，而三位D/A转换器的输出经修正后的电压转换器的输出经修正后的电压Uf，作用在比较器的反相输入端见课本，作用在比较器的反相输入端见课本P P286286图图13-11所示的所示的n位位A/D转换器，转换一次需要
23、（转换器，转换一次需要（n+2）个时钟周期（包括读出周期），位数越多，转换个时钟周期（包括读出周期），位数越多，转换时间也就相应增长。与并联比较型相比，速度要时间也就相应增长。与并联比较型相比，速度要低一些，但所需硬件则较少。因而对速度要求不低一些，但所需硬件则较少。因而对速度要求不是特别高的场合，逐次逼近型的应用最为广泛。是特别高的场合，逐次逼近型的应用最为广泛。12/4/202213.2.4 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率：分辨率：ADC的分辨率又称分解度的分辨率又称分解度 2.转换速度完成一次转换速度完成一次A/D转换所需的时间转换所需的时间 3.相对误差：用相
24、对误差可以表示相对误差：用相对误差可以表示ADC转换转换的误差的误差 12/4/2022小结：小结：本章主要介绍了并联比较型和逐次逼近型本章主要介绍了并联比较型和逐次逼近型ADC等两种类型。目前以逐次逼近型等两种类型。目前以逐次逼近型A/D转换转换器在集成电路中应用较多，这主要是由于它的器在集成电路中应用较多，这主要是由于它的转换速度较快而所用的器件又比并联比较型少转换速度较快而所用的器件又比并联比较型少得多。得多。A/D转换器最主要的性能指标是它的分辨转换器最主要的性能指标是它的分辨率，通常用率，通常用A/D转换器的所输出的二进制代码转换器的所输出的二进制代码的位数来表示，位数越多，量化误差越小，转的位数来表示，位数越多，量化误差越小，转换精度就越高。换精度就越高。
