AD和DA转换器

1、10数模和模数转换器在数字系统的应用中，通常要将一些被测量的物理量通过传感器送到数字系统进行加工 处理；经过处理获得的输出数据又要送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。传感器输出的模拟电信号首先要转换成数字信号，数字系统才能对模拟信号进行处理。这种模拟量到数字量的转换称为模-数(A/D)转换。处理后获得的数字量有时又需转换成模拟量，这种转 换称为数-模(D/A)变换。A/D转换器简称为 ADC和D/A转换器简称为 DAC是数字系统和 模拟系统的接口电路。一、D/A转换器D/A转换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。输入n位数字量D (=Dn-iDiDo)分别控制这些电子开关， 通过变换网络

2、产生与数字量各位权对应的模拟量，通过加法电路输出与数字量成比例的模拟量。1、倒T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻解码D/A转换器是目前使用最为广泛的一种形式，其电路结构如图10.1.1 所示。11当输入数字信号的任何一位是“1”时，对应开关便将 2R电阻接到运放反相输入端，而当其为“ 0”时，则将电阻2R接地。由图7.2可知，按照虚短、虚断的近似计算方法，求 和放大器反相输入端的电位为虚地，所以无论开关合到那一边，都相当于接到了“地”电位 上。在图示开关状态下，从最左侧将电阻折算到最右侧，先是2R/2R并联，电阻值为 R,再和R串联，又是2R, 一直折算到最右侧，电阻仍为R,则可写出电流I的表

3、达式为IVrefR只要Vref选定，电流I为常数。流过每个支路的电流从右向左，分别为、2、3、。21 22 23当输入的数字信号为“ 1”时，电流流向运放的反相输入端，当输入的数字信号为“0”时，电流流向地，可写出I的表达式12dn 1：dn 2在求和放大器的反馈电阻等于R的条件下，输出模拟电压为Uo RI讯知1知2d12nd0)VREF (d n-1 2 n-1 d n-2 2 n-22nd121d20)U0Vref(dn 1dn 22nd1 21 d0 20)2、权电流型D/A转换器倒T型电阻变换网络虽然只有两个电阻值，有利于提高转换精度，但电子开关並非理 想器件，模拟开关的压降以及各开关

4、参数的不一致都会引起转换误差。采用恒流源权电流能克服这些缺陷，集成D/A转换器一般采用这种变换方式。图10.1.2给出了四位权电流型 D/A转换器的示意图。高位电流是低位电流的倍数，即各二进制位所对应的电流为其权乘最低位电流。vo图10.1.2权电流D/A转换器3、D/A转换器的输出方式D/A转换器大部份是数字电流转换器，实用中通常需增加输出电路，实现电流电压变换。在变换网络中，电流是单方向的，即在0和正满度值或负满度值之间变化，是单极性的。为了能使输出在正负满度值之间变化，也即双极性输出方式，也需要增加输出电路。在单极性输出方式时， 数字量采用自然二进制码表示大小，输出电路只要完成电流t电压

5、的变换即可。双极性输出方式时，数字量是双极性数。二进制双极性数字的负数可采用：2的补码、偏移二进制码或符号数值码（符号位加数值码）。表10.1.1列出了部分四位双极性二进制码。表10.1.1部分四位双极性二进制码十进制数补码偏移码符号数值码1十进制数补码偏移码符号数值码0000010000000-11111011110011000110010001-21110011010102001010100010-31101010110113001110110011-41100010011004010011000100-51011001111015010111010101-6101000101110601

6、1011100110-71001000111117011111110111-810000000注：符号数值码头1000表示（-0）由表10.1.1可见，偏移二进制码是在自然二进制码的基础上偏移而成的，四位偏移二进制码的偏移量为 1000 （8H）。因此，按自然二进制码进行 D/A变换后，只要将输出模拟量 也进行相应偏移（减去1000对应的模拟值）即可获双极性输出。数字量以2的补码表示时，需先将2的补码转换成偏移二进制码（2的补码加1000）,然后送D/A转换器，可得双极性 输出。4、D/A转换器的主要技术指标（1）转换精度D/A转换器转换精度用分辨率和转换误差描述。分辨率分辨率是用以说明 D/

7、A转换器在理论上可达到的精度。用于表征D/A转换器对输入微输出电压可分离的等级越多，即分辨率越DA转换器的分辨率。此外，D/A转换ULSB与最大输出电压 Um之比来表示，即小量变化的敏感程度， 显然输入数字量位数越多， 高。所以实际应用中，往往用输入数字量的位数表示 器的分辨率也定义为电路所能分辨的最小输出电压Vref分辨率瞠UmVREF (2n 1)2n上式说明，输入数字代码的位数 n越多, DA转换器的分辨率为分辨率越小，分辨能力越高，例如,5G7520十位10.0009781023转换误差是用以说明D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用输出电压满度值的百1分数表示，也可用 LS

8、B的倍数表示。例如，转换误差为丄LSB，用以表示输出模拟电压的2绝对误差等于当输入数字量的LSB为1,其余各位均为 0时输出模拟电压的二分之一。转换误差又分静态误差和动态误差。产生静态误差的原因有，基准电源 的零点漂移，模拟开关导通时的内阻和压降以及电阻网络中阻值的偏差等。转换的动态过程中产生的附加误差，它是由于电路中的分布参数的影响，到达解码网络输出端的时间不同所致。(2)转换速度建立时间tset它是在输入数字量各位由全0变为全1,或由全1变为全0，输出电压达到某一规定值(例如最小值取 丄LSB或满度值的0.01%)所需要的时间。目前，在内部只含有解码网络和2模拟开关的单片集成DA转换器中，

9、tsetw 0.1 S；在内部还包含有基准电源和求和运算放大器的集成DA转换器中，最短的建立时间在转换速率SrVref的不稳定，运放 动态误差则是在 使各位的电压信号1.5 s左右。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。这个参数与运算放大器的压摆率类似。(3 )温度系数5、集成D/A转换器及其应用单片集成D/A转换器产品种类繁多，按其内部电路结构一般可分为两类：一类集成芯 片内部只集成了转换网络和模拟电子开关；另一类则集成了组成D/A转换器的所有电路。AD7520十位D/A转换器属于前一类集成 D/A转换器。AD7520芯片内部只含 R-

10、2R电阻网络、AD7520时必须外接参考电源和运算放大器。图10.1.3所示，虚框中是 AD7520內部电路。CMOS电子开关和反馈电阻(Rf=10k Q )。应用 由AD7520内部反馈电阻组成的 D/A转换器如vo图10.1.3AD7520内部电路及组成的 D/A转换器应用：数字式可编程增益控制电路图10.1.4 数字式可控增益运算放大器二、A/D转换器将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。1、采样和保持采样是将时间连续的模拟量

11、转换为时间上离散的模拟量，即获得某此时间点(离散时间)的模拟量值。因为，进行A/D转换需要一定的时间，在这段时间内输入值需要保持稳定，因此，必须有保持电路维持采样所得的模拟值。采样和保持通常是通过采样-保持电路同时完成的。为使采样后的信号能够还原模拟信号，根据取样定理，采样频率fs必须大于或等于 2倍输入模拟信号的最高频率flmax，fs2flmax即两次采样时间间隔不能大于1/ fs,否则将失去模拟输入的某些特征。图10.1.5给出了采样-保持电路的原理图和经采样、保持后的输出波形。图中采样电子 开关S受采样信号S(t)控制，定时地合上 S,对保持电容Ch充放电。因A1、A2接成电压跟 随器

12、，此时vo=vi。S打开时，保持电容 Ch因无放电回路保持釆样所获得的输入电压，输出 电压亦保持不变。y , V。图10.1.5采样-保持电路及输入输出波形2、量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在转换过程中还必须把采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一过程称为数值量化，简称量化。量化过程中的最小数值单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为1其它位为0时所对应的模拟量，即1LSB。量化过程中，采样电压不一定能被整除，因此量化后必然存在误差。这种量化前后的

13、不等(误差)称之为量化误差，用&表示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位 缩小量化误差。量化的近似方式有：只舍不入和四舍五入两种。只舍不入量化方式量化后的电平总是小于或等乎量化前的电平，即量化误差&始终大于0,最大量化误差为，即max=1LSB。采用四舍五入量化方式时，量化误差有正有负，最大量化误差为12，即l max I =LSB/2。显然，后者量化误差小，故为大多数A/D转换器所采用。量化后的电平值为量化单位的整数倍，这个整数用二进制数表示即为编码。量化和编码也是同时进行的。3、A/D转换器的种类按工作原理不同，A/D转换器可以分为：直接型 A/D转换器和间接型 A/D转换器。直

14、接型A/D转换器可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型 和逐次比较型 A/D转换器属于这一类。而间接型A/D转换器先将模拟信号转换成中间量(如时间、频率等)，然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型A/D转换器则属于间接型A/D转换器。(1)并行比较型 A/D转换器CPUiVref图7.7三位并行A/D转换器3位并行比较型 A/D转换器原理电路如图 10.1.5所示。它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。图中的八个电阻将参考电压VREF分成八个等级，其中七个等级的电压分别作为七个比较器 C1C7的参考电压，其数值分别为 VREF/15、 3VR

15、EF/15、13VREF/15。输入电压为uI，它的大小决定各比较器的输出状态，例如，当0 uI v( VREF/15 )时，C1C7 的输出状态都为 0;当(3VREF/15 ) uI v( 5VREF/15 ) 时，比较器C1和C2的输出C01=C02=1,其余各比较器输出状态都为 0。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，CP作用后，触发器的输出状态 Q7 Q1与对应的比较器的输出状态 C07 C01 相同。经代码转换网络（优先编码器）输出数字量D2D1D0。优先编码器优先级别最高是 Q7， 最低是Q1。设uI变化范围是

16、OVREF，输出3位数字量为D2、D1、D0，3位并行比较型 A/D转换 器的输入、输出关系如表 10.1.2所示。通过观察此表，可确定代码转换网络输出、输入之间 的逻辑关系D2=Q4 D i =Q 6 Q4Q2Do Q7 QeQs Q4Q3 Q2Q1在并行AD转换器中，输入电压uI同时加到所有比较器的输出端，从ul加入经比较器、D触发器和编码器的延迟后，可得到稳定的输出。 如不考虑上述器件的延迟，可认为输出的数字量是与ul输入时刻同时获得的。并行 A/D转换器的优点是转换时间短，可小到几十纳 秒，但所用的元器件较多，如一个n位转换器，所用的比较器的个数为2n 1个。表10.1.2并行比较型A

17、D转换器的输入输出关系模拟量输出比较器输出状态数字输岀C07 C06 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1D2D1D00 uivVref/150000000000Vref/15 ui3Vref/1500000010013Vref/15 ui5Vref/1500000110105Vref/15 ui7Vref/1500001110117Vref/15 ui9Vref/1500011111009Vref/15 ui11Vref/15001111110111 Vref/15 ui13Vref/15011111111013Vref/15 400mV ,于是保留400mV的电压砝码，再加 200mV的

18、 砝码，uI 400mV+200mV , 200mV的电压砝码也保留；再加 100mV的电压砝码，因 uI v 400mV+200mV+100mV，故去掉100mV的电压砝码。最后寄存器中获得的二进制码0110,即为uI对应的二进制数。uo/mV800 mVin200mV400mV0110ui100mV图10.1.6逐次逼近型A/D转换器的逼近过程示意图逐次逼近A/D转换器的工作原理下面结合图10.1.7的逻辑图具体说明逐次比较的过程。这是一个输出3位二进制数码的逐次逼近型 A/D转换器。图中的 C为电压比较器，当ui Ua时，比较器的输出 Ub 0 ； 当ui Ua时Ub 1。 FA、FB和

19、FC三个触发器组成了 3位数码寄存器，触发器 F1F5构 成环形分配器和门 G1G9 起组成控制逻辑电路。转换开始 前先将 FA、FB、FC置零，同时将 F1F5组成的环型 移位寄 存器置 成 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 状态。转换控制信号UL变成高电平以后，转换开始。第一个CP脉冲到达后，FA被置成“ 1”，而FB、FC被置成“ 0”。这时寄存器的状态QAQBQC=100加到DA转换器的输入端上， 并在DA转换器的输出端得到相应的模拟电压UA (800mV)。UA和uI比较，其结果不外乎两种：若uI Ua，则Ub 0 ；若uI u a，则Ub 1。同时，移位寄存器右移一位，使 Q1Q2

20、Q3Q4Q5=01000。第二个CP脉冲到达时FB被置成1。若原来的Ub 1 (ui Ua)，贝y fa被置成“ 0”，此 时电压砝码为400mV ;若原来的Ub 0严 u a )，则fa的“ 1”状态保留，此时的电压 砝码为400mV加上原来的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变为00100状态。第三个CP脉冲到达时FC被置成1。若原来的Ub 1，则FB被置成“ 0” ;若原来的U b 0 , 则FB的“ 1”状态保留，此时的电压砝码为200mV加上原来保留的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变成 00010状态。图10.1.7三位逐次逼近型 AD转换器逻辑图uid1(21)do (LS

21、B)(20)d2 (MSB)2(2 )第四个CP脉冲到达时，同时根据这时 Ub的状态决定FC的“ 1”是否应当保留。这时 FA、FB、FC的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右移一位，变为00001状态。由于Q5=1，于是FA、FB、FC的状态便通过门 G6、G7、G8送到了输出端。第五个CP脉冲到达后，移位寄存器右移一位，使得Q1Q2Q3Q4Q5=10000，返回初始状态。同时，由于 Q5=0，门G6、G7、G8被封锁，转换输出信号随之消失。所以对于图示的 AD转换器完成一次转换的时间为（n+2） TCP。同时为了减小量化误差，令DA转换器的输出产生-/2的偏移量。另外，图 7.9中量

22、化单位的大小依uI的变化范围和AD转换器的位数而定，一般取Vref/，。显然，在一定的限度内，位数越多，量化误差越小，精度越高。VIS1R-V REF：S0_之_C_ A 8+VOL1Qn-1rQ1 Q0n位计数器CP第n+1位计数器VL图10.1.9 双积分型A/D转换器原理图（3）双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器属于间接型 A/D转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T;然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种AD转换器多称为电压-时间变换型（简称 VT型）。图10.1.10给出的是VT型双积分式AD转换器的 原理图。dn-1 (MSB) dn-2do

23、 (LSB)转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。转换开始，断开 S0。整个转换过程分两阶段进行。第一阶段，令开关 S1置于输入信号 Ui 侧。积分器对 Ui进行固定时间T1的积分。积 分结束时积分器的输出电压为：Uo1T10()dtRC(7.4)可见积分器的输出 Uoi与Ui成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过 程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到满量程N时，计数器由全“ 1”复“ 0”，这个时间正好等于固定的积分时间Ti。计数器复“ 0”时，同时给出一个溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号， 令开关Si转换至参考电压-

24、Vref 一侧，采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将Uoi转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考电压-Vref的极性与Ui相反，积分器向相反方向积分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止 计数，同时通过逻辑控制电路使开关Si与ui相接，重复第一步。如图10.1.11所示。因此得到：互 Vref RC REFT1RcT2VrefT1式表明，反向积分时间 T2与输入模拟电压成正比。在T2期间计数门G2打开，标准频率为fCP的时钟通过 G2,计数器对Ug计数，计数结 果为D，由于则计数的脉冲数为T1=NiTcpT

25、2=DT cp小T1,N1 ,D1Ui-UTcpVrefVref10.1.11 所示。AD转换器转换后数字量，至此即完成了Ul1Ul, U O1UO1，贝V Ta计数器中的数值就是VT转换。若输入电压双积分型A/D转换器若与逐次逼近型 A/D转换器相比较，因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；由式以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对 RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。双积 分型A/D转换器属于低速型 AD转换器，一次转换时间在12ms,而逐次比较型 A/D转换器可达到1 s。不过在工业控制系统中的许多场合，毫秒级的转换时间已经足足有余，双积 分型A/D转换器的优点正好有了用武之地。（4）主要技术指标转换精度A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描述转换精度。LSB ）时，输入模拟量的最分辨率是指引起输出