1、 第十章 数模与模数转换电路10.1 D/A转换器转换器一一 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些对于有权码，先将每位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，从而实现了数字模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟模拟转换。转换。01234567001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出vo/VD000二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于
2、何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622可算出，基准电流可算出，基准电流 I=VREF/R，输出电压：输出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为则流过各
3、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：于是得总电流：将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 其中：其中：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRVfORiv)2(2304iiiREFfDVRR)2(210iniinREFfODVRRvnREFfVRR2K=三三 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+
4、AvoifI24I8I16IVREFDiiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123采用具有电流负反馈的采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流恒流源电路的权电流D/A转换转换器：器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，I
5、E0=I/16，于是可得输出电压为可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：)2222(20011223314REFODDDDRVRRivff基准电流：基准电流：3E1REFREF2IRVIiniinfDRRVv22101REFO四四 D/A转换器应用举例转换器应用举例DAC0808是是8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。用用这类器件构成的这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻用的电阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、R
6、f=5k时，时，输出电压为：输出电压为：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R7087018221022iiiiiiREFfODDRVRvDAC0808 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）1.转换精度转换精度 五五 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）转换误差）转换误差此外，也可用此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，转换器的最小输出电压与最
7、大输出电压之比来表示分辨率，N位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3.温度系数温度系数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。一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。一般用满刻度输出条件下温度每升高般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。，输出电压变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等
8、级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。（1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达电压值所需时间。最短可达0.1S。A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是它是模拟信号和数字仪器的接口。模拟信号和数字仪器的接口。10.2 A/D 转换器转换器 A/D转换器类型比较多，按其工作原理，可分为转换器类型比
9、较多，按其工作原理，可分为直接直接A/D转换器转换器和和间接间接A/D转换器转换器。直接直接A/D转换器转换器有：逐次逼近型、并联比较型；有：逐次逼近型、并联比较型；间接间接A/D转换器转换器有双积分型有双积分型 10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程1、取样与保持：、取样与保持：2、量化和编码：、量化和编码：取样定理：取样定理：输入的模拟信号的最高频率分量为输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，取样信号频率为取样信号频率为fs，如果，如果fs2fmax，则可以无失真地复现，则可以无失真地复现输入信号。输入信号。数字信号的大小是某个规定最小数量单位的整数倍，数字信号的大小是
10、某个规定最小数量单位的整数倍，取样得到的信号必须按某种近似地规化为某一数值电平，取样得到的信号必须按某种近似地规化为某一数值电平，这个过程称这个过程称量化量化，而量化的结果必须经过编码用一个代，而量化的结果必须经过编码用一个代码表示出来。码表示出来。由量化引起的误差称由量化引起的误差称量化误差量化误差。A/D转换的一般步骤和取样定理转换的一般步骤和取样定理取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）取样定理：取样定理：因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的
11、时间，所以在每次因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。值。式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高频率分量的频率。的最高频率分量的频率。max2iSff10.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF151515151311
12、31DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321输入模拟电压寄存器状态数字量输出（代码转换器输入）（代码转换器输出）QQQQQQQ7654321DDD210vI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(11033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF0000001111111111111011100110011011
13、0111000100100000000100000001010011100101110111 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表 10.2.3 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待克。设待秤重量秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克 砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重
14、量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论转换原理图：转换原理图：逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器vIREFV169VREF1016设：2 逻辑电路逻辑电路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5vIREFV169V
15、REF1016设：10.2.4双积分型双积分型A/D转换器转换器它由积分器、过零比较器（它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（）、时钟脉冲控制门（G）和定）和定时器、时器、计数器（计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电
16、容放电，vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)tIOdtvv01由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，计被关闭，计数停止。数停止。ICnIPVTVTV21dtVVtvttREFPO)(1)(212在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式的表达式可写为：可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟
17、脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输内输入电压的平均值入电压的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数，转换器就能将输入电压转换为数字量。字量。0)(1)(212dtVVtvttREFPOICnREFVTTV22T2=TC IREFCnVVTT22IREFnCVVTT22六六 A/D转换器的主要技术指标转换器的主
18、要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。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，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，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例如，相对误差例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转换误差）转换误差它表示它表示A/D转换器实际输出的数字
19、量和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转换时间转换时间指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。所经过的时间。并行比较并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接转换器次之；间接A/D转转换器的速度最慢。换器的速度最慢。10.2.6 集成电路集成电路A/D转换器转换器 及其应用及其应用 ADC0804 的的 分辨率为八位分辨率为八位,工作原理为逐次工作原理为逐次逼
20、近型。逼近型。A/D变换组件有多种型号可供选择，如：高速变换组件有多种型号可供选择，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。下面以可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0804 为例为例，介绍集成电路介绍集成电路A/D变换器。变换器。+-+-11控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器八八位位三三态态输输出出锁锁存存器器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND.D7D0WRCSINTRRDCSADC0804 内部电路框图内部电路框图CLKRCL
21、KinDGNDCSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1234567891019181716151413121120RDCLKRCLKinINTRU in(+)U in(-)ADC 0804 管脚分布图管脚分布图CS：片选端片选端WR：写入端写入端D7-D0：数据输出端：数据输出端INTR：中断请求端：中断请求端CLKin：外接时钟端：外接时钟端Uin(+)Uin(-)：电压输入端：电压输入端UR/2：参考电压端：参考电压端RD：读出端：读出端CLKR：内部产生：内部产生 时钟端时钟端控控 制制 端端CS WRRDINTR 对输入模对输入模拟信号进行拟信号进行A/
22、D变换变换 在在WR 上升沿后约上升沿后约 100微秒微秒 变换完成。变换完成。RD=0 时三态门时三态门接通外部总线接通外部总线,RD=1 时三态门处于高时三态门处于高阻态。阻态。当当A/D变换结束时，变换结束时，INTR 自动自动 变低以便变低以便通知其它设备通知其它设备(如计算如计算机机)取结果，在取结果，在RD 前前沿后沿后INTR自动变高。自动变高。读出输出读出输出数字信号数字信号中断请求中断请求功功能能说说明明00本章小结本章小结1 1A/DA/D和和D/AD/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转换器和转
23、换器和D/AD/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前，系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前，A/DA/D与与D/AD/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。2 2倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器中电阻网络阻值仅有转换器中电阻网络阻值仅有R R和和2 2R R两种，各两种，各2R2R支路支路
24、电流电流I Ii i与与D Di i数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。3 3在权电流型在权电流型D/AD/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/AD/A转换器多采用此转换器多采用此种类型电路。种类型电路。4 4不同的不同的A/DA/D转换方式具有各自的特点，并行转换方式具有各自的特点，并行A/DA/D转换
25、器速度高；双积分转换器速度高；双积分A/DA/D转换器精度高；逐次比较型转换器精度高；逐次比较型A/DA/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。转换器的优点，因此得到普遍应用。Analog circuits 模拟电路Operational amplifier 运算放大器Analog to digital conversion 模-数转换Analog to digital converter 模-数转换器Parallel-comparator ADC 并联比较型模-数转换器Successive approximation ADC 逐次渐近型
26、模-数转换器Dual-slope ADC 双积分型模-数转换器Digital to analog conversion 数-模转换Digital to analog converter数-模转换器Weighted-resistance DAC 权电阻数-模转换器Weighted-capacitive DAC 权电容数-模转换器Current-output DAC 权电流(电流输出)数-模转换器Switch tree type DAC 开头树型数-模转换器Inverted T type DAC 倒T形电阻网络数-模转换器 1一个无符号8位数字量输入的DAC，其分辨率为 位。A.1 B.3 C.4
27、 D.8 2一个无符号10位数字输入的DAC，其输出电平的级数为 。A.4 B.10 C.1024 D.210 44位倒T型电阻网络DAC的电阻网络的电阻取值有 种。A.1 B.2 C.4 D.8 5为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率和输入模拟信号的最高频率的关系是 。A.fSfImax B.fS fImax C.fS 2 fImax D.fS 2 fImax 6将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续（离散）的模拟量的过程称为 。7用二进制码表示指定离散电平的过程称为 。A.采样 B.量化 C.保持 D.编码 8将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的指定电平的过程称为 。A.采样 B.量化 C.保持 D.编码 9若某ADC取量化单位=VREF/8，并规定对于输入电压，在0UI VREF/8时，认为输入的模拟电压为0V，输出的二进制数为000，则5VREF/8 UI 6VREF/8时，输出的二进制数为 。A.001 B.101 C.110 D.111 10以下四种转换器，是A/D转换器且转换速度最高。A.并联比较型 B.逐次逼近型 C.双积分型 D.施密特触发器
