数字电子技术刘汉华第11章数模模数转换

1、1第第11章章 数模和模数转换数模和模数转换 本章的重点：本章的重点： 1d/a转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输入与输出关系的定量计算；入与输出关系的定量计算； 2a/d转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较；双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较； 3d/a，a/d转换器的转换速度与转换精度及影响它们转换器的转换速度与转换精度及影响它们的主要因素。的主要因素。 由于目前使用的由于目前使用的d/a、a/d期间都是期间都是lsi电路，所以讲授电路

2、，所以讲授的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内的重点是在转换原理及器件应用方法上，而不在于器件内部详细的结构及工作过程。部详细的结构及工作过程。本章的难点：本章的难点： 本章的难点在一些本章的难点在一些a/d转换器内部电路结构和详细工作转换器内部电路结构和详细工作过程上，但这不是本章学习的重点。过程上，但这不是本章学习的重点。2第第7章章 数模和模数转换数模和模数转换 第一节第一节 概述概述数模转换：将数字量数模转换：将数字量 (digital)转换为模拟量转换为模拟量(analog)。简称简称d/a 转换。转换。模数转换：将模拟量模数转换：将模拟量(analog)转换为数字量转

3、换为数字量(digital)。简称简称a/d转换。转换。被控对象被控对象传感器传感器a/d转换器转换器计算机计算机d/a转换器转换器驱动电路驱动电路3图图11.1.2为一个温度控制系统：为一个温度控制系统：传感器传感器放大器放大器a/da/d转换转换微型计算机微型计算机控制控制对象对象d/a转换转换电加热炉电加热炉热电偶热电偶执行机构执行机构图图11.1.2温度温度时间时间4主要指标：转换精度；转换速度。主要指标：转换精度；转换速度。d/a转转换换器器权电阻网络权电阻网络d/a转换器转换器倒倒t型电阻网络型电阻网络d/a转换器转换器权电容网络权电容网络d/a转换器转换器权电流型权电流型d/a转

4、换器转换器开关树型开关树型d/a转换器转换器a/d转转换换器器直接转换型直接转换型并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型间接转换型间接转换型双积分型（双积分型（vt变换型）变换型）vf变换型变换型计数型计数型逐次渐进型逐次渐进型分类：分类：511.2 d/a转换器d111101d/aa(电压 或 电流) ？d/a转换的目的：转换的目的：d/a转换器的原理框图6一、权电阻网络一、权电阻网络d/a转换器转换器1.电路构成电路构成由四部分组成：由四部分组成：权电阻网络；权电阻网络；求和放大器；求和放大器；模拟开关；模拟开关；参考电源；参考电源；权电阻网络权电阻网络求和放大器求和放大器模拟开关模拟开

5、关任务：求出输出模拟电压任务：求出输出模拟电压 与输入数字量与输入数字量d3d2d1d0间的关系。间的关系。oirfo)(0123iiiirf)2222(230211203ddddrvrref)2222(2001122334ddddvref)2222(200112211ddddvnnnnnrefo 2.特点：特点：1.电阻数量少，结构简单；电阻数量少，结构简单；2.电阻种类多，差别大，不电阻种类多，差别大，不易集成。易集成。least significant bitmost significant bit输入数输入数字量字量dvnref2输入数输入数字量字量2. 工作原理：工作原理：73. 双

6、级权电阻网络克服上面的缺点双级权电阻网络克服上面的缺点nrefrefdvddddddddvv80011223344556677802)22222222(28二、倒二、倒t型电阻网络型电阻网络d/a转换器转换器1.结构及原理：结构及原理：电阻网络特点：电阻网络特点：模拟开关模拟开关si不论接何不论接何位置，都相当于接地。位置，都相当于接地。任意节点向左看的任意节点向左看的等效电阻皆为等效电阻皆为r。rvirefrio012316842didididii9rio)2222(2001122334ddddvref)2222(200112211ddddvnnnnnrefo rviref012316842

7、didididii倒倒t型型)16842(0123ddddrvrref103. 集成集成d/a转换器转换器cb7520简介：（十位）简介：（十位）2. 电路特点：电路特点：1.电阻种类少，便于集成；电阻种类少，便于集成；2.开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。可外接反可外接反馈电阻馈电阻r需外接需外接运放运放模拟开关电路：模拟开关电路：11 在权电阻网络在权电阻网络d/a转换器和倒转换器和倒t型电阻网络型电阻网络d/a转换器中，转换器中，若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换精度。

8、权电流型精度。权电流型d/a转换器可解决这一问题。转换器可解决这一问题。三、权电流型三、权电流型d/a转换器转换器fori)(02122232432ddddriiiif)2222(2001122334ddddirf 恒流源如图。但电阻恒流源如图。但电阻rei的种类多。因此，经常用倒的种类多。因此，经常用倒t型电阻网络的分流作用来实现。型电阻网络的分流作用来实现。12)2222(2001122334ddddrvrrreff)2222(2001122334ddddirrivffoo每个每个ve相等相等向右看等效向右看等效r,故故iec=ieo=ie1/2=ie2/4=ie3/8=iref/1613

9、双极型电路；双极型电路；8位数字量输入；位数字量输入；外接求和放大器；外接求和放大器；外接电阻。外接电阻。)2222(2001122334ddddrvrrreffodrvrrreffo82若取若取vref=10v、rr=rf=5k则：则：do8210输入数输入数字量字量此时，输出模拟电压范围为：此时，输出模拟电压范围为：09.96v。权电流型集成数模转换器权电流型集成数模转换器dac0808简介简介参考四位时的公式：参考四位时的公式：有：有：14四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的d/a转换器转换器(以以3位补码为例位补码为例) 带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。带符号数

10、以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。 当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的d/a转换器。转换器。当当d=100时，原本输出电压为时，原本输出电压为4v。因此：因此：rvirvrefbb22dddvrefo8823三位三位dac的输出的输出取反取反ib如何取？如何取？15五、五、d/a转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度（一）转换精度（一）转换精度通常用通常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。1.分辨率（理论精度）分辨率（理论精度） ：输出模拟电压应能区分：输出模拟电压应能区分02n-1共共2n个输个输入数

11、字量。入数字量。表示方法：表示方法：(1)用输入二进制数的位数表示；如用输入二进制数的位数表示；如8位。位。(2)用输出模拟电压的非零最小值与最大值的比值表示。用输出模拟电压的非零最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：该比值显然等于：121nnrefv2) 12(2nnrefv如如10位位d/a转换器的分辨率为转换器的分辨率为001. 0102311211016 由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到的转换精度。的转换精度。 转换误差转换误差有时也称为有时也称为线线性误差性误差。它表示实际的。它表示实际的d/a转转换特性和理

12、想转换特性之间换特性和理想转换特性之间的最大偏差。的最大偏差。转换误差的表示形式：转换误差的表示形式：（1）最低有效位的倍数。如：）最低有效位的倍数。如：1lsb。（2）输出电压满刻度）输出电压满刻度fsr(full scale range)的百分数。的百分数。如：如：0.1fsr。2.转换误差（实际精度）转换误差（实际精度） ：173.转换误差分析转换误差分析d/a转换器的四个组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。转换器的四个组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。(1)参考电源引起的误差称为参考电源引起的误差称为比例系数误差比例系数误差。odvnref2o(2)运放零点漂移引

13、起的误差称为运放零点漂移引起的误差称为漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差或或失调误差失调误差。18(3)模拟开关的导通内模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差阻网络中电阻的偏差引起的误差称为引起的误差称为非线非线性误差性误差。注意注意：运放和参考电源多：运放和参考电源多为外接，电阻网络和模拟为外接，电阻网络和模拟开关在集成开关在集成dac内部。内部。总误差：总误差：19例：在例：在10位倒位倒t型电阻网络型电阻网络dac中，中，vref=-10v。为保证。为保证vref偏离偏离标准值所引起的误差小于标准值所引起的误差小于1/2lsb，计算，计算vref相对稳定

14、度应取多少？相对稳定度应取多少？解：解：1.计算计算1/2lsb: 当输入数字量当输入数字量d=1时，输出电压为时，输出电压为lsb。故：。故：2.计算当计算当vref变化量为变化量为 时所引起的输出变化时所引起的输出变化 量的最大量的最大值值 :refvomrefnnrefomvv) 12(2现要求：现要求：即：即：112refrefvv1121refrefvv=0.05%这里这里vref=10v,允许的参考电源允许的参考电源变化量小于变化量小于5mv1/2lsb = 21210refv21210refv112refv输入数字量的最大值输入数字量的最大值lsbom2120（二）转换速度（二）

15、转换速度用完成一次转换所需的时间用完成一次转换所需的时间建建立时间立时间tset来衡量。来衡量。 建立时间：从输入信号变化开始建立时间：从输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差到输出电压进入与稳态值相差 1/2lsb范围以内的时间。范围以内的时间。 输入信号由全输入信号由全0变为全变为全1所需时间所需时间最长。最长。不包含运放的不包含运放的dac建立时间可达建立时间可达0.1 。s当外接运放时，转换时间还应加当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。上运放的上升（下降）时间。rstrsvtt(max)0(max)转换时间转换时间建立时间建立时间输出模拟电输出模拟电压最大值压最大

16、值运放输出转运放输出转换速率换速率21（三）温度系数（三）温度系数指输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变指输入不变的情况下，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化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1c，输出电，输出电压变化的百分数作为温度系数压变化的百分数作为温度系数22第三节第三节 a/d转换器转换器一、一、a/d转换的基本原理转换的基本原理a/d转换的基本步骤：转换的基本步骤：采样（取样）；采样（取样）；保持；保持；量化；量化；编码。编码。由取样保持电路完成由取样保持电路完成由由a/d转换电路完成转换电路完成取取样样保保持持231.取样、保持取

17、样、保持取样定理取样定理（奈奎斯特采样定理）：（奈奎斯特采样定理）：为保证从取样信号恢复被取为保证从取样信号恢复被取样信号，必须满足样信号，必须满足取样信号频率取样信号频率在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样信号频率。信号频率。(max)2isff 输入信号输入信号最高频率最高频率242.量化和编码量化和编码量化：量化： 把输出数字量为把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为时对应的输入模拟电压称为量化单元量化单元，记做记做 。当输出数字量为。当输出数字量为d时，对应的输入模拟电压应为时，对应的输入模拟电压应为d

18、，即量化单元的整数倍。，即量化单元的整数倍。 因此，对于任意输入模拟电因此，对于任意输入模拟电压压, 首先首先 应把它量化为应把它量化为 的整数倍。这就是量化。的整数倍。这就是量化。编码：编码：用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。 量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量化方法：化方法：25当输入电压不为当输入电压不为 的整数倍时，必然产的整数倍时，必然产生误差，称为生误差，称为量化误差量化误差。量化误差量化误差2量化误差量化误差1/15v若用此范围表示若用此范围表示001会更准确会更准确26输

19、入为双极性时：输入为双极性时：输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：=1v二二进进制制补补码码符号位符号位量化后输出的二进制补码量化后输出的二进制补码27为低电平时，为低电平时，t截止。取样电容截止。取样电容ch上的电荷无泄放回路，上的电荷无泄放回路， 将保持。将保持。ol二二. 取样保持电路取样保持电路ificorrl 为高电平时，场效应管为高电平时，场效应管t导导通，通，vi对对ch充电，充电结束：充电，充电结束：l电路缺点：输入电阻电路缺点：输入电阻ri过大会降低取样速度；过小又加重信号源负过大会降低取样速度；过小又加重信号源负载。载。改进方

20、法：在输入端加隔离放大器。改进方法：在输入端加隔离放大器。 下面通过集成取样保持电路下面通过集成取样保持电路lf198介绍改进的取样保持电路。介绍改进的取样保持电路。1.取样取样2.保持保持283. 集成取样保持电路集成取样保持电路lf198 调零调零输入模输入模拟电压拟电压取样控取样控制信号制信号外接保持电容外接保持电容 在取样阶段，开关在取样阶段，开关s接接通，运放通，运放ai,a2构成两级电构成两级电压跟随器压跟随器io 在保持阶段，在保持阶段，s断开，电断开，电容容ch上电荷保持不变，使输上电荷保持不变，使输出电压出电压 保持不变。保持不变。o二极管二极管d1,d2和电阻和电阻r1构成

21、保护电路。构成保护电路。在取样阶段，在取样阶段，s接通，接通，d1,d2截止，保护电路不起作用。截止，保护电路不起作用。 在保持阶段，在保持阶段，s断开，断开， 保持不变；但保持不变；但 在变，使在变，使 达达到正（负）最大值，使开关到正（负）最大值，使开关s承受过高的电压。接上保护电承受过高的电压。接上保护电路后可使路后可使 基本等于输入电压基本等于输入电压 。iooio自学自学29直接转换法直接转换法间接转换法间接转换法直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度而直接将模拟量转

22、换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。容易保证，调准也比较方便。间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频或频率率f, 然后再将然后再将t或或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接a/d转换器有单次积分型、转换器有单次积分型、双积分型等。双积分型等。adc分分两大类两大类三、并联比较型三、并联比较型a/d转换器（直接转换法）转换器（直接转换法）并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型单次积分型

23、单次积分型双积分型双积分型将输入模拟电压直接转换为将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。数字量，不经过中间变量。30并联比较型并联比较型a/d转换器转换器152refv 2. 工作原理：工作原理：采用第二类量化方法采用第二类量化方法图图11.3.7 1. 电路结构：电路结构： a.电压比较器判断电压比较器判断vi属于属于哪一范围，有八种可能哪一范围，有八种可能 b.寄存器存储判断结果。寄存器存储判断结果。兼有保持电路的作用兼有保持电路的作用 c.代码转换器代码转换器把判断结果编码成3位二进制代码电压比较器电压比较器寄存器寄存器代码转换器代码转换器编码器31并联比较型并联比较型a/d转

24、换器转换器-工作原理工作原理32并联比较型并联比较型a/d转换器转换器速度快，转换时间小于速度快，转换时间小于50ns；电路复杂。电路复杂。不需取样保持电路；不需取样保持电路；特点：特点：33四、反馈比较型四、反馈比较型a/d转换器（直接转换法）转换器（直接转换法）1. 思路：将一数字量加到思路：将一数字量加到d/a转换器上，再把转换器上，再把d/a转换器输出的转换器输出的模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。342. 计数型

25、计数型a/d转换器转换器数字量由计数器数字量由计数器提供。提供。（初态为（初态为000）启动转换启动转换b10oi0i=量化引起的误差为量化引起的误差为1lsb，也就是，也就是1 . 属于第一种量化方法属于第一种量化方法特点：特点：1.电路简单；电路简单；2.速度慢。最长转换时间可达速度慢。最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期。倍时钟信号周期。a. 电路结构电路结构b. 工作原理工作原理353.逐次渐近型逐次渐近型a/d转换器转换器可提高转换速度。虽然也是反馈比较型可提高转换速度。虽然也是反馈比较型a/d转换器，但转换器，但d/a转换器的数字量的给出方式不同。转换器的数字量的给出方式不同。工

26、作思路：工作思路：如如13g的重物，有砝码的重物，有砝码8g、4g、2g、1g。比较。比较过程如表所示过程如表所示次就够了只要比较 n363. 逐次渐近型逐次渐近型a/d转换器转换器数字量由逐次渐近寄存器提供。数字量由逐次渐近寄存器提供。思路：思路：从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。）。以输出四位数字量以输出四位数字量a3a2a1a0为例（为例（类似与天平称重）类似与天平称重） :1.输入输入1000到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a3的值；的值；2.输入输入a3100到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a

27、2的值；的值；3.输入输入a3a210到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a1的值；的值；4.输入输入a3a2a11到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a0的值；的值；可见，主要转换步骤只需可见，主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成。（实际转个时钟周期就可完成。（实际转换器还要增加两个时钟周期时间。）换器还要增加两个时钟周期时间。）下面结合具体电路说明工作过程。下面结合具体电路说明工作过程。(p534 图图11.3.10)电路结构框图37 时，该时，该位为位为1,否否则该位则该位为为0.oi原理说明38图图11.3.10移位寄存器初始状态：移位寄存器初始状态：q1q2q

28、3q4q5=10000ibo时，时，1cp1后后,移位寄存器为移位寄存器为01000，qaqbqc=100;cp2后后,移位寄存器为移位寄存器为00100，qaqbqc=d210;确定确定d2值。值。cp3后后,移位寄存器为移位寄存器为00010，qaqbqc=d2d11;确定确定d1值。值。cp4后后,移位寄存器为移位寄存器为00001，qaqbqc=d2d1d0;确定确定d0值。值。同时输出同时输出d2d1d0。cp5后后,移位寄存器为移位寄存器为10000，qaqbqcd2d1d0，但对下一步无影响。，但对下一步无影响。一般，当输出为一般，当输出为n位时，需位时，需n+2个时钟周期可完成

29、转换。个时钟周期可完成转换。特点：特点：速度较快；电路也不太复杂。速度较快；电路也不太复杂。因此，逐次渐近型因此，逐次渐近型a/d转换器是集成转换器是集成a/d转换器用的最多的一种。转换器用的最多的一种。第二种量化方法第二种量化方法39clkq1 q2 q3 q4 q5qa qb qcd2 d1d001 0 0 0 00 0 000010 1 0 0 01 0 000020 0 1 0 01(原vovi,vb=0) 1 0 0(原vovi,vb=1) 1 000030 0 0 1 0保持 1 (原vovi,vb=0) 1保持 0 (原vovi,vb=1) 100040 0 0 0 1保持 保持

30、 1 (原vovi,vb=0)保持 保持 0 (原vovi,vb=1)输出qaqbqc40五、双积分型五、双积分型a/d转换器转换器(间接间接a/d转换器转换器)1.属于属于v-t变换型。变换型。中间变量为时间中间变量为时间t的，称为的，称为v-t变换型（电压时间变换型）；变换型（电压时间变换型）；中间变量为频率中间变量为频率f的，称为的，称为v-f变换型（电压频率变换型）；变换型（电压频率变换型）；2. 电路结构。电路结构。41第一次积分第一次积分:对输入模拟电压对输入模拟电压定时定时积分，时间为积分，时间为t1,由控制逻辑电路由控制逻辑电路决定；决定；第二次积分第二次积分:对参考电源对参考

31、电源vref定速定速积分，积分，vo 的变化速度由的变化速度由vref,r和和c决定。决定。idtcc1dtcri42t1时刻电容电压时刻电容电压 即即 值为：值为：coodtcriirct1第二次积分结束时积分器输出第二次积分结束时积分器输出电压为电压为0，即，即0121ittrcvorctdtrefirefrctvrct12故：故：irefvtt1243irefvtt12设时钟周期为设时钟周期为tc，输出数字量为，输出数字量为d，则，则cntt21cdtt2代入上式得：代入上式得：irefnvd2可使可使t1=2ntc，t2=dtc的电路如的电路如下图：下图：至于至于t1，若满足，若满足4

32、4影响精度因素：影响精度因素： 计数器位数；计数器位数；比较器灵敏度；比较器灵敏度；比较器零点漂移；比较器零点漂移； 运放零点漂移；运放零点漂移； 积分电容漏电；积分电容漏电；tc瞬间波动。瞬间波动。45特点：特点： 性能稳定。转换结果与性能稳定。转换结果与r,c无关；也与时钟周期无关。这是无关；也与时钟周期无关。这是两次积分的结果。两次积分的结果。 抗干扰能力强。积分器对平均值为抗干扰能力强。积分器对平均值为0的干扰有很强的抑制能的干扰有很强的抑制能力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整力。如电网干扰，若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整数倍，理论上可完全抑制电网干扰。数倍，理论上可完全抑制电网干扰。缺点是速度慢。完成一次转换时间不小于缺点是速度慢。完成一次转换时间不小于2n+1tc。在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表等。在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表等。46六六.v-f变换型变换型a/d转换器转换器 压控振荡器输出脉冲频率与输入电压有很好的线性关系。压控振荡器输出脉冲频率与输入电压有很好的线性关系。 寄存器可防止输出数字跳动。寄存器可防止输出数字跳