1、第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.1 数/模转换器（DAC）6.2 模/数转换器（ADC）6.3 A/D、D/A转换器的计算机仿真第第6章章 数数/模和模模和模/数转换器原理与应用数转换器原理与应用第6章 数/模和模/数转换器原理与应用自然界的一些物理量，如压力、温度、速度等都可以通过传感器变换成模拟电信号，如果把这些模拟电信号送给计算机进行分析处理，必须将它们转换为数字信号。经计算机分析处理后，输出的是数字信号，必须再将这些数字信号转换为模拟电信号，才能将其送入控制执行器件。例如，汽车里程表、数字万用表等都是把连续变化的模拟信号转换成数字信号，如图6-1所示。第6章 数/模和模/数转
2、换器原理与应用图6-1 常用的模拟信号转换成数字信号的器件（a)汽车里程表；（b)汽车里程表；（c)数字万用表第6章 数/模和模/数转换器原理与应用在我们的生活中，复读机、MP3和计算机声卡等都是把储存的数字信号转换成连续变化的声音信号，如图6-2所示。图6-2 常用的数字信号转换成模拟信号的器件（a)复读机；（b)MP3；（c)计算机声卡第6章 数/模和模/数转换器原理与应用D/A转换器的原理框图如图6-3（a）所示。图中n位数字信号D经过DAC后输出模拟信号VO。其中，n位数据D为并行输入方式，VREF为实现D/A转换所必需的参考电压。VO、D及VREF三者之间的关系可用数学表达式表示为
3、VO=KDVREF 6.1 6.1 数数/模转换器（模转换器（DAC)DAC)第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-3 DAC原理图与理想传输特性第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.1.1 DAC的主要技术参数的主要技术参数 1.分辨率（分辨率（Resolution）通常分辨率用最小输出电压VLSB（或VOmin）来表示，即在输入数字量D=Dn-1D0中，仅当D0=1时，对应的模拟电压输出值。满量程输出AFSR（电压VFSR或电流IFSR）是输入全为1时，对应的输出模拟值。例如，对于一个8位DAC，当VREF=10 V时，满量程输出电压为VFSR=VOmax=25525610=9.
4、961 V10 V第6章 数/模和模/数转换器原理与应用对于电流型输出DAC，往往需要外接运放以转换成输出电压。这时输出量程就是IFSR。应该注意输出电流也是有极性的，其极性与VREF极性有关。分辨率是衡量DAC性能的重要静态参数，它表示DAC能够分辨最小输出电压的能力。这里的分辨率表示其理论上可以达到的精度，它定义为DAC的最小输出电压VLSB和满量程输出电压VFSR（或VOmax）的比值，即第6章 数/模和模/数转换器原理与应用2.转换误差转换误差DAC的误差是指它在稳定工作时，实际模拟信号输出值和理想输出值之间的偏差。造成误差的原因有：运算放大器的零点漂移、参考电压VREF的波动、模拟开
5、关的导通电阻和导通压降、电阻解码网络中阻值的偏差等。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用3.建立时间与转换速率建立时间与转换速率建立时间常用于衡量器件的转换速度，所以也称为转换时间。建立时间定义为DAC输入发生阶跃到输出信号达到规定的误差范围内所需的最大时间，规定误差范围为0.5量化单位。有时也给出转换器每秒的最大转换次数。例如某个高速DAC转换时间为1 s，也称转换速率为1 MHz。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.1.2 常用的常用的D/A转换技术转换技术 1.二进制权电阻网络二进制权电阻网络DAC以4位D/A转换电路为例，权电阻网络D/A转换器电路如图6-4所示。这是一个电流相
6、加型权电阻网络DAC，图中电路由四部分组成。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-4 权电阻网络DAC原理图第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（1)权电阻网络。权电阻网络由4个加权电阻组成，每位输入数据对应一个电阻，阻值与该位的权值成反比。如D3对应20R，D2对应21R，D1对应22R，D0对应23R。它们的作用是对各位二进制数进行加权。（2)模拟开关。模拟开关由四个模拟开关组成，每个模拟开关对应一个数据，由数据Di控制模拟开关Si所接的位置。若Di=1，则Si接通VREF；若Di=0，则Si接地。其中Si为模拟电子开关。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（3)参考电压VREF
7、，它是一个基准电压源，要求精度高、稳定性好。（4)求和输出。求和输出由运算放大器构成的反相求和电路组成。反相求和电路对加权后的电流求和，并通过Rf输出相应的模拟电压值。由图6-4可得，流入放大器反相端的总电流为第6章 数/模和模/数转换器原理与应用所以有 输出电压为第6章 数/模和模/数转换器原理与应用通常令Rf=R/2，相应的求和放大器输出电压为 那么，对于n位二进制权电阻网络DAC，则有 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用2.倒倒T型型R-2R网络网络DAC4位倒T型R-2R电阻网络DAC电路如图6-5所示。与图6-4所示的权电阻网络DAC相比，权电阻网络中n位数字需要n种阻值的电阻，
8、这对集成电路来说是很难实现，而倒T型网络尽管电阻个数增加了一倍，但只需要R和2R两种阻值的电阻，所以它便于集成。该电路由四部分组成：R-2R T型电阻网络、模拟开关、基准电压和输出级求和运算放大器。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-5 4位倒T型电阻网络DAC原理图 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用模拟开关受输入二进制数码控制。当输入数据Di=1时，对应Si便将2R接到运算放大器的反相输入端；而当Di=0时，对应Si便将2R接到地。由于运算放大器虚短V-=V+=0，因此，不论数码是0还是1，流过倒T型电阻网络各支路的电流始终不变，即电源所提供的电流是恒定的。4位倒T型R-2R电
9、阻网络的等效电路如图6-6所示。由此电路可以看出，R-2R电阻网络的特点是：不论任何一位数码为0还是为1，每节电路向左看进去的输入电阻都等于R，即网络中各节点（A、B、C、D）从右向左看进去等效电阻均为R，所以I=VREF/R。根据分流公式，电路中D、C、B、A各支路的电流依次减半，即I3=I/2，I2=I/4，I1=I/8，I0=I/16，它们就是倒T型电阻网络中各支路的权电流。当Di=1时，电流流向运算放大器；当Di=0时，电流流向地。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-6 4位倒T型电阻网络的等效电路第6章 数/模和模/数转换器原理与应用由此可见，流入放大器反相端的总电流为 第6
10、章 数/模和模/数转换器原理与应用输出电压为 通常令Rf=R，对应的求和放大器输出电压为 那么，对于n位倒T型R-2R网络DAC，则也有 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用【例例6.1】已知某8位DAC电路，当输入数据D为（10000000）2时，输出模拟电压VO=3.2 V。求输入数据D为（10101000）2时的输出模拟电压VO。解解：由于输出模拟电压与输入数字量成正比，且有（10000000）2=128，（10101000）2=168，因此有 3.2 128=VO 168第6章 数/模和模/数转换器原理与应用【例例6.2】已知DA转换电路，当输入数字量为10000000时，输出电压为
11、5 V。试问该电路的最小分辨电压是多少?最大输出电压是多少?解解：DA转换电路的输出电压为 当输入数字量为10000000时，输出电压为5 V，即 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（1)最小分辨电压。若输入数字量为00000001，则输出电压是最小分辨电压，即（2)最大输出电压。若输入数字量为11111111，则输出电压是最大输出电压，即 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.1.3 典型典型DAC器件及其应用器件及其应用集成DAC芯片的生产厂家与产品型号很多，分辨率有6、8、10、12、13、14、16、18位不等。另外,低电压、低功耗型产品可以在+5 V、+3.3 V或+2.7
12、V的电压下工作，工作电流仅有几十微安，功耗仅几毫瓦，非常适合微型设备应用。芯片性能主要包括分辨率、速度、线性度、功耗等几方面。表6-1列出了几种常用的DAC模块。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用表表6-1 常用的常用的DAC模块模块 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用1.DAC0832的功能的功能DAC0832采用CMOS工艺和R-2R T型电阻网络，具有与计算机接口完全兼容的逻辑电平。它的原理框图和引脚排列如图6-7所示。DAC0832由一个8位输入寄存器，一个8位D/A寄存器和一个8位D/A转换器组成。数据进入R-2R T型D/A转换器之前，先通过两个独立控制的8位寄存器，即所谓
13、的双缓冲。DAC0832片内没有运放，两个电流IOUT1和IOUT2输出端使用时分别与外接运放的反相端、同相端连接。片内设有反馈电阻RFB，运放输出端只要接到RFB引脚即可。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-7 DAC0832（a)原理框图；（b)引脚排列图；（c)实物图第6章 数/模和模/数转换器原理与应用2.DAC0832的工作方式的工作方式由于DAC0832中含有两个数据寄存器，因此DAC0832有三种工作方式可供选择，即单极性双缓冲工作方式、单极性单缓冲工作方式和单极性直通方式。单极性直通工作方式原理如图6-8（a）所示。由于同时接地为低电平，ILE为高电平，所以两个寄存器都
14、处于常通状态。由于这种工作方式中数据寄存器直通，数据直接进入D/A寄存器，因此被称为直通方式。图6-8（b）所示是DAC0832单极性直通工作方式实物电路图，运放采用LM358。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-8 DAC0832单极性直通工作电路图 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用A/D转换器是用来把连续变化的模拟信号转换为一定格式的数字信号的器件。ADC的基本原理如图6-9所示。它完成对某ti时刻输入模拟量VA（ti）进行二进制编码的功能，出二进制码与VA（ti）的大小成一定比例关系，输出二进制码为n位数字量D。图中VREF为参考电压。ADC的转换关系可以表示为 D=KVA
15、（ti）6.2 模模/数转换器（数转换器（ADC)第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-9 ADC原理框图第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.2.1 A/D转换的一般过程转换的一般过程1.采样和保持采样和保持(1)采样（又称取样或抽样）是将时间上连续的模拟信号转换为时间间隔均匀的模拟量的过程。也就是将模拟量转换为一串幅度与模拟信号一致的脉冲，如图6-10所示。图中VA（t）为模拟输入；S（t）为采样脉冲信号，周期为TS；VO（t）为采样输出信号。采（取）样器实际上是一个模拟开关，在采样脉冲tP期间开关闭合，信号通过,否则开关断开没有信号。即仅在TS、2TS、3TS、这些离散的时间点
16、上有信号，而在其它时间上没有信号。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-10 采样过程波形图第6章 数/模和模/数转换器原理与应用为了保证能够由采样信号完全恢复原信号的特征，采样脉冲应满足：(2)保持。由于采样脉冲宽度往往是很窄的，因此样值的宽度也很窄，而进行A/D转换需要一定的时间。为了后续电路能很好地完成转换功能，通常在采样后将采样值保存起来，直到下一次采样值到来再更新。实现上述功能的电路称为保持电路。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用在ADC中常将采样和保持电路合为一体，称为采样-保持电路。图6-11给出了一种典型的采样-保持电路。它们包括存储采样值的电容C、模拟开关V和缓冲运
17、算放大器A等主要部分。图中用场效应管作为模拟开关，在采样脉冲持续期内，开关接通，模拟信号对电容C充电。当电容C充电时,电容上的电压在随模拟信号变化，VO输出也随之变化。当采样结束后，开关断开，电容上电压保持不变，VO也保持不变，如图6-12所示。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-11 典型采样-保持电路第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-12 采样-保持电路的输出第6章 数/模和模/数转换器原理与应用2.量化和编码量化和编码采样-保持电路的输出信号VO虽然已经成为在时间上离散的阶梯信号,但在数值上仍是某一时刻模拟量的值，可能有无限多个值，难以用二进制数字量来表示。比如一个3位
18、的ADC，3位的数字输出有000，001，010，011，100，101，110，111八种状态，即模拟输入信号只能转化为八种数字输出中的一种。模拟输入电压和数字输出的关系如图6-13所示，每一个数字量对应一个离散的阶梯信号电平。那么介于两个离散电平之间的采样点就要归并到这两个电平之一上。这种取整归并的过程成为量化。离散电平之间的最小电压差，也就是ADC能分辨的最小模拟电压值就叫做分辨率,也可用LSB（Least Significant Bit）表示。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-13 模拟输入电压和数字输出的关系图 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用量化常采用四舍五入或只舍
19、不入的方法。量化的过程如图6-14所示，Vg是量化以后的电压。Vg与VO之间的差值称为量化误差。影响量化误差的主要因素是量化阶梯（即量化单位LSB）。图6-14中LSB=1 V，可将07 V电压分为7个阶梯。如果按四舍五入方法，最大量化误差为LSB/2=0.5 V，量化过程如图6-14（a）所示。如果按只舍不入的方法量化，最大量化误差为1 LSB，量化过程如图6-14（b）所示。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-14 量化及编码第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.2.2 ADC的主要技术参数的主要技术参数ADC的技术参数有静态和动态之分，主要的静态参数是转换精度（分辨率和转换误
20、差），主要的动态参数是转换时间（转换速度），其次还有转换电压范围等。（1)分辨率。ADC的分辨率是指转换器所能分辨的输入模拟量的最小值，也就是使输出数字量最低位发生变化时输入模拟量的最小值。ADC的分辨率不仅与输入电压（或电流）有关，而且与数字量位数有关。如n位二进制ADC，其分辨率为第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（2)转换误差。转换误差主要包括量化误差、偏移误差、增益误差等，其中量化误差是A/D转换器本身固有的一种误差。而其它几种误差则是由内部电路各元器件及单元电路偏差产生的。ADC的误差是指与输出数字量对应的理论模拟值和产生该数字量的实际输入模拟量之间的差值，通常以LSB为单位来表
21、示。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（3)转换时间。转换时间被定义为ADC完成一次完整的转换所需的时间，也就是从发出对输入模拟信号进行采样的命令开始，直到输出端产生完整而有效的数字量输出所需的时间。（4)输入电压范围。输入电压范围是指集成A/D转换器能够转换的模拟电压范围。单极性工作的芯片有+5 V、+10 V或-5 V、-10 V等，双极性工作的芯片有以0 V为中心的2.5 V、5 V、10 V等，其值取决于基准电压的值。理论上最大输入电压范围VImax=VREF（2n-1）/2n,有时也用VREF近似代替。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.2.3 常用常用A/D转换技术转换技
22、术 1.并行比较型并行比较型ADC电路电路并行ADC是一种高速A/D转换器。图6-15所示为三位并行ADC的原理图。它由以下各部分组成。（1)电阻分压器。它由九个电阻串联组成，产生不同数值的参考电位，分别送到各比较器。由原理图可得参考电位为 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（2)电压比较器。三位ADC共有8个电压比较器，其中比较器8作为溢出指示。当溢出时，比较器输出为“1”；否则，输出为“0”。当VAV1时，则所有比较器的输出全为低电平，时钟CP到来时触发器的状态全为0。当V1VAV2时，则除电压比较器C1输出为1外，其余所有比较器的输出全为0；时钟CP到来时触发器1的状态为1，其余所有
23、触发器的状态为0。依此类推，可得其真值表(见表6-2)。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-15 三位并行ADC的原理图第6章 数/模和模/数转换器原理与应用表表6-2 三位并行三位并行ADC真值表真值表 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用第6章 数/模和模/数转换器原理与应用（3)寄存器及编码电路。8个触发器在时钟脉冲作用下，将比较器的结果暂存于其中，供编码器使用，从而编译生成相应的二进制代码。如有溢出，则输出溢出标志。编码器的表达式为 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用2.逐次逼近型逐次逼近型ADC电路电路逐次逼近型ADC电路的原理如图6-16所示。它由电压比较器、逻辑控制
24、电路、逐次逼近寄存器和n位D/A转换器组成。采样的模拟信号送到比较器的同相输入端。当电路收到启动信号后，首先把逐次逼近寄存器置零，第一个CP脉冲来到时，首先将寄存器最高位Dn-1置“1”，经过D/A转变成模拟电压Vo，该电压与输入电压Vi进行比较，若ViVo，则保留这一位，否则该位置“0”。当第二个CP脉冲来到时，将次高位Dn-2置“1”，并与Dn-1一起送入D/A转换器再次转换成模拟电压Vo，再次与Vi进行比较。此过程不断重复，直到最后一位D0比较完毕为止。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-16 逐次逼近型ADC电路第6章 数/模和模/数转换器原理与应用这样把输入模拟量Vi与ADC
25、内部的DAC产生的反馈电压Vo进行n次比较，使输送到DAC的数字量D逼近于输入模拟量Vi，此时寄存器中的n位数字即为输入模拟电压Vi所对应的数字量。逐次比较的过程与天平称物体重量的过程类似。位长为n的寄存器，需要经过n次比较，即需n个CP脉冲，在第(n+1)个CP作用下，寄存器的状态被送至输出端，在第(n+2)个CP作用下，逻辑控制电路恢复到初始状态，同时将输出端状态清除掉，为下一次AD转换做好准备。因此，对于位长为n的寄存器，完成一次AD转换所需时间T为(n+2)个时钟周期。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用并行比较型A/D转换电路在进行A/D转换的过程中，所有比较器是同时进行比较的，仅
26、作一次比较即实行转换，因此转换速率极高，从CP时钟信号的上升沿算起，电路完成一次转换所需要的时间仅包括一级触发器的翻转时间和门电路的延迟时间。目前，8位A/D转换芯片的转换时间可以达到50 ns以下。并行比较A/D转换电路的缺点是电路规模很大，随着位数的增加，分压电阻、比较器、寄存器数目成几何级数增加。因此，并行比较A/D转换电路通常用于视频A/D转换等速度特别高的领域，并行比较A/D转换芯片都属于高速A/D转换芯片，价格昂贵，分辨率一般比较低。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用n位逐次逼近型A/D转换电路完成一次转换需要n+2个时钟周期，转换速度低于并行比较型，但是电路规模不大，在转换速
27、度和电路复杂程度之间取了一个较好的折衷，因此，在高分辨率、中速以下的廉价A/D转换芯片中得到了广泛应用。双积分型A/D转换电路的工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度）或频率（脉冲频率），然后由定时器或计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，工作性能稳定，抗干扰能力强。但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率很低，多用在测量仪表中的A/D转换电路中。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用-调制型A/D转换电路的量化误差非常小，转换的精度可以做得很高，使芯片在较低的成本条件下获得很高的性能，但其转换速率较低，主要用于音频和测量领域。【例例6.3】对于一个10位逐次逼近式A
28、D转换电路，当时钟频率为1 MHz时，其转换时间是多少?如果要求完成一次转换的时间小于10 s，试问时钟频率应选多大?第6章 数/模和模/数转换器原理与应用解解：根据逐次逼近式AD转换电路的工作原理可知：位长为n的寄存器，需要经过n次比较，即需n个CP脉冲，在第(n+1)个CP作用下，寄存器的状态被送至输出端，在第(n+2)个CP作用下，逻辑控制电路恢复到初始状态，同时将输出端状态清除掉，为下一次AD转换做好准备。因此，对于位长为n的寄存器，完成一次AD转换所需时间T为(n+2)个时钟周期。（1)时钟频率为1 MHz，时钟周期为1 s。可求得T=(10+2)1 s=12 s（2)当要求小于10
29、 s时，则有，可求得f=1.2 MHz第6章 数/模和模/数转换器原理与应用6.2.4 典型集成典型集成ADC器件及其应用器件及其应用集成ADC芯片分辨率通常有6、8、10、12、14、16、18位等，许多型号的产品性能各异。大多数将采样-保持电路和A/D转换电路制作在一个芯片上。按输入模拟信号的通道来分，有单通道和多通道两种类型。表6-3列出了几种常用的ADC模块。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用表表6-3 常用的常用的ADC模块模块 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用1.ADC0808/0809功能功能ADC0808/0809是美国国家半导体公司（NS）生产的8位数字输出、8路模
30、拟输入的逐次逼近型A/D转换器。ADC0808/0809采用双列直插式28脚封装，与8位微机兼容,其三态输出可以直接驱动数据总线。0808误差为1/2 LSB,0809误差为1 LSB。ADC0808/0809的原理图和引脚图如图6-17所示。三位地址信号经锁存译码输出控制8个模拟输入通道。ADC输出信号为三态输出，具有与计算机接口完全兼容的输出电平。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-17 ADC0808/0809原理图、引脚图（a)原理图；（b)实物图第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-17 ADC0808/0809原理图、引脚图（c)引脚排列及封装形式第6章 数/模和模/
31、数转换器原理与应用2.ADC0808/0809典型接法典型接法ADC0809的典型接法如图6-18（a）所示。外加时钟的频率典型值为500 kHz，若VCC=5 V，启动信号为单脉冲，外加模拟电压为2.5 V，则灯L7亮，其余灭，八位输出数据为10000000B。改变不同的输入模拟电压将会有对应输出数据。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用图6-18 ADC0809应用电路（a)原理电路;(b)实物连接电路第6章 数/模和模/数转换器原理与应用【练习练习1 利用仿真软件分析图6-5所示T型电阻网络DAC，要求：(1)利用软件平台提供的仿真仪表分析电路。(2)读出当D3=1、D2=1、D1=1
32、、D0=1时的输出电压Vo，并得出输出与输入数据的关系。(3)若输入数据为（1101）B，VR=5 V，测出输出电压，并计算转换精度。(4)改变VREF的极性和大小，观察VREF对输出的影响。6.3 A/D6.3 A/D、D/AD/A转换器的计算机仿真转换器的计算机仿真 第6章 数/模和模/数转换器原理与应用【练习练习2】利用仿真软件分析DAC的工作过程，DAC的输入D3、D2、D1、D0由字信号发生器产生，输出端连接电压表或示波器。其中，输入二进数据为D7D0,电压输出为VO,参考电压VREF为10 V。要求：(1)验证DAC的工作时序。(2)每位二进制数对应的输出电压是多大？(3)求出DAC的转换精度。(4)若VREF为幅度是5 V的正弦信号，观察输出的变化。第6章 数/模和模/数转换器原理与应用【练习练习3】利用仿真软件分析ADC的工作过程。其中,VREF为5 V，输入电压加在VIN端，输出数据端连接逻辑分析仪。要求：(1）用示波器观察ADC的工作时序。(2）每位数据输出的电压为多大？(3）求出ADC的转换精度。
