九章数模与模数转换电路

1、 第九章第九章 数模与模数转换电路数模与模数转换电路9.1 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

2、论si处于何种位置，与处于何种位置，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

3、到左）的电流分别为则流过各开关支路（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)s

4、sss00112233r+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转换器：转换器：dddd(lsb)(msb)ssss33221100r+avoif+a1216ii216ii4i8iiiiiiirefe3e2e1e0ecbbv2r2rr2rr2rrr2ree偏置偏置电流i=iref=refvr1ttttttr3210c1rrefvvr+vr由倒由倒t形电阻网络分析可知，形电阻网络分析可知，

5、ie3=i/2，ie2=i/4，ie1=i/8，ie0=i/16，于是可得输出电压为，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

6、产生基准电流用的电阻用的电阻r1。当当vref=10v、r1=5k、rf=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

7、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

8、/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。9.2 a/d9.2 a/d转换器转换器一一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由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输

9、入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的a/d转换过程为：转换过程为：取样、取样、保持、量化和编码。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

10、。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。max2isff二二 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取ri=rf）:当控制信号当控制信号vl为高电平时，为高电平时，t导通，导通，vi经电阻经电阻ri和和t向电容向电容ch充电。充电。 则充电结束后则充电结束后 vo=vi=vc。n沟道沟道mos管管t作为开关用。作为开关用。当控制信号返回低电平后，当控制信号返回低电平后，t截止。截止。ch无放电回路，所以无放电回路，所以vo的数值的数值 可被保存下来。可被保存下来。rrifivlvtachvo

11、三三 并行比较型并行比较型a/d转换器（转换器（3位）位）ccccccc4cccco4cccrrrrrrrr/2vrefvrefrefvvrefvref15151515131131dqqc11d1d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

12、)(11033557799111113131vrefvrefvrefvrefvrefvrefvrefvref00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111 并行比较型并行比较型a/d转换器真值表转换器真值表1 转换原理：转换原理：四四 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

13、/avffffffffff01234数据寄存器dddd32100&cpq5启动脉冲+5v+5v+5vc1ref（msb）（lsb）vivovc1gg12ff5virefv169vref1016设：五双积分型五双积分型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）和定时器、）和定时器、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-1q1q0

14、qncr+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。icnipvtvtv21

15、dtvvtvttrefpo)(1)(212在此阶段结束时在此阶段结束时vo的表达式可写为：的表达式可写为：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

16、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

17、，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

18、转换器的速度最慢。换器的速度最慢。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