第11章模-数和数-模转换

1、数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院第第1111章章 数数模和模模和模数转换数转换 模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 A Analog to nalog to D Digital igital C Converteronverter，简称，简称 A/D A/D 转换器转换器或或ADCADC。 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量( (电压或电压或电流电流) )，使输出的模拟电量与

2、输入的数字量成正比，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 D Digital to igital to A Analog nalog C Converteronverter，简称，简称 D/A D/A 转换器转换器或或 DACDAC。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院计计算算机机模模拟拟信信号号模模拟拟信信号号A / DD / A数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.2 D/A D/A转换器转换器 D/AD/A转换器的基本原理转换器的基本原理 121012102222nnnnDdddd输出模

3、拟量输出模拟量 1210OO1210()(2222 )nnnnVIKDK dddd或二进制数二进制数D的按权展开式为的按权展开式为 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院按照译码网络的不同分类：按照译码网络的不同分类： 权电阻网络权电阻网络D/A D/A 转换器、倒转换器、倒T T形电阻网络形电阻网络D/A D/A 转换转换器、权电流型器、权电流型D/A D/A 转换器、权电容网络转换器、权电容网络D/A D/A 转换器等。转换器等。 下面仅介绍下面仅介绍权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器和目前集成和目前集成D/AD/A转转换器中常用的换器中常用的倒倒T T形电阻网络形

4、电阻网络D/AD/A转换器转换器。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器主要由转换器主要由权电阻网络权电阻网络、模拟开模拟开关关、求和运算放大器求和运算放大器和和基准电源基准电源VREF四部分组成。四部分组成。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院REF33VIdRREF222VIdRREF1122VIdRREF0032VIdROFF3210()VR iRIIII 3210REF32104(2222 )2Vdddd 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院对于

5、对于n n位的权电阻网络位的权电阻网络D/AD/A转换器转换器: : 1210REFO1210(2222 )2nnnnnVVdddd 特点特点：结构比较简单，所用的电阻元件数很少。：结构比较简单，所用的电阻元件数很少。 缺点缺点：各个电阻的阻值相差较大，尤其在输入信号：各个电阻的阻值相差较大，尤其在输入信号 的位数较多时，这个问题就更加突出。的位数较多时，这个问题就更加突出。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.2.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器 当某位数码为当某位数码为1 1时，相应的开关将电阻接到运算放大器时，相应的开关将电阻接到运算放大器

6、A A的反相输入端（求和点虚地）；的反相输入端（求和点虚地）； 当某位数码为当某位数码为0 0时，相应的开关将电阻接到运算放大器时，相应的开关将电阻接到运算放大器的同相输入端（地）。的同相输入端（地）。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院II/16VREF2R2R2R2R2RRRRI/8I/4I/2REF/IVR321024816IIIIidddd3210REFO32104(2222 )2VVi Rdddd 对于对于n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器：转换器： 1210REFO1210(2222 )2nnnnnVVdddd 数字电子技术基础课程海南大学信

7、息学院海南大学信息学院倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器的特点是：转换器的特点是： 1. 1. 电阻种类少，只有电阻种类少，只有R R和和2 2R R两种，有利于提高制作精度两种，有利于提高制作精度; ; 2 2模拟开关在地和虚地之间转换，不论开关状态如何，模拟开关在地和虚地之间转换，不论开关状态如何， 各支路的电流始终不变，因此不需要电流建立时间；各支路的电流始终不变，因此不需要电流建立时间； 3 3各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在 传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态

8、过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院集成集成D/AD/A转换器及主要技术参数转换器及主要技术参数 AD7520的电路的输入为的电路的输入为10位二进制数，芯片内只含倒位二进制数，芯片内只含倒T形电阻网络、形电阻网络、CMOS电流开关和反馈电阻电流开关和反馈电阻 R（10K）。）。数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院设基准电压设基准电压V VREFREF= =-10V-10V，则，则10V/10k=1mAI 当输入数字量当输入数字量d d9 9d d8 8d d0 0均为均为1 1时，输出电压时，输

9、出电压 O255( 10)9.96V10V256V 当输入数字量当输入数字量d d9 9d d8 8d d0 0均为均为0 0时，输出电压时，输出电压 O0VV 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.2.711.2.7D/AD/A转换的转换精度和转换速度转换的转换精度和转换速度 （1 1）转换精度：分辨率、转换误差）转换精度：分辨率、转换误差 分辨率：指对输出最小电压的分辨能力，定义为最小输出电压分辨率：指对输出最小电压的分辨能力，定义为最小输出电压 VLSB（此时输入数字代码中只有最低有效位为（此时输入数字代码中只有最低有效位为1 1，其余各位均，其余各位均为为0 0）与

10、最大输出电压）与最大输出电压VOM（或称满量程输出电压，即此时输（或称满量程输出电压，即此时输入数字代码中各位均为入数字代码中各位均为1 1）之比。）之比。 分辨率分辨率LSBOM121nVV如输入数字代码为如输入数字代码为10位的位的AD7520的分辨率的分辨率10110.001102321此时若输出模拟电压满量程为此时若输出模拟电压满量程为10V，则其能够分辨的最小电压为，则其能够分辨的最小电压为 100.01V1023数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院转换误差：通常用输出电压满量程转换误差：通常用输出电压满量程FSR（Full Scale Range的的缩写）的百分数表

11、示，也可以用最低有效位的倍数表示。缩写）的百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。 如，转换误差为如，转换误差为 1LSB2表示输出模拟电压的绝对误差等于最小输出电压表示输出模拟电压的绝对误差等于最小输出电压 的一半。的一半。 LSBV（2）转换速度）转换速度 通常用建立时间通常用建立时间tset来定量来定量描述描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.3 A/D A/D转换器转换器 11.3.1 A/D A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 A/DA/D转换器的功能是将模拟量的输入转换成数字量的输出转换器的功能是将模拟量的输

12、入转换成数字量的输出。 一个完整的一个完整的A/DA/D转换过程转换过程，通常要经过通常要经过取样取样和和保持保持、量化量化和和编码编码步骤步骤。 取样：取样：将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模 拟量过程拟量过程。保持：保持：保持取样信号，使有充分时间转换为数字信号。保持取样信号，使有充分时间转换为数字信号。数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院取样保持电路取样保持电路 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院量化：量化：把取样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数把取样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数 倍表

13、示。方法一般有两种：只舍不入、有舍有入。倍表示。方法一般有两种：只舍不入、有舍有入。编码：编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。只舍不入只舍不入 取量化单位取量化单位 nm/2V 0 0之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到0 0 2之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到1 1 此此方法产生的最大量化误差为方法产生的最大量化误差为 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院有舍有入有舍有入取量化单位取量化单位 n+1m2/(21)V 0 0/2之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到0 0 /23/2之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到1 1 此此

14、方法产生的最大量化误差为方法产生的最大量化误差为/2 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院按工作原理：按工作原理： 直接直接A/DA/D转换器和间接转换器和间接A/DA/D转换器两类。转换器两类。 直接直接A/DA/D转换器转换器： 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器和逐次比较型转换器和逐次比较型A/DA/D转换器转换器 间接间接A/DA/D转换器：转换器： 双积分型双积分型A/DA/D转换器、电压频率转换转换器、电压频率转换型型A/DA/D转换器转换器 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.3.3 并联比较并联比较型型A/DA/D转换器转换器 数字电子

15、技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院三、主要特点三、主要特点 （一）转换精度 并联比较型A/D转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细即越小，精度越高。（二）转换速度快 并联比较型A/D转换器的最大优点是转换速度快。如果从CP信号上升沿时刻算起，（三）用比较器和触发器多 并联比较型A/D转换器的主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，尤其是输出数字量的位数较多时。这种转换器适用于速度高、精度低场合。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/DA/D转换器转换器 主要由主要由电压

16、比较器电压比较器、D/AD/A转换器转换器、控制逻辑控制逻辑、逐次逼近寄存逐次逼近寄存器器和和输出缓冲器输出缓冲器等部分组成。等部分组成。 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器是直接转换是直接转换A/DA/D转换器转换器的一种电路的一种电路。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院（1 1）转换开始前先将寄存器清零。）转换开始前先将寄存器清零。 工作原理工作原理（2 2）转换控制信号）转换控制信号VS变为高电平时开始转换，时钟信号首先变为高电平时开始转换，时钟信号首先 将寄存器的最高位置为将寄存器的最高位置为1 1，其它位置置，其它位置置0 0，使寄存器的输，使寄存器的输

17、 出为出为1001000000。 （3 3）将该数字量被）将该数字量被D/AD/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压VR。 （4 4）比较，若）比较，若VRVi，说明数字过大了，则这个，说明数字过大了，则这个1 1应取掉；若应取掉；若 VR Vi，说明数字还不够大，这个，说明数字还不够大，这个1 1应予保留。应予保留。 （5 5）再按同样的方法将次高位置）再按同样的方法将次高位置1 1，并比较，并比较VR与与Vi的大小以确的大小以确 定这一位的定这一位的1 1是否应当保留。是否应当保留。 （6 6）依次逐位比较下去，直到最低位比较完为止，这时寄存）依次逐位比较下去，直到最低位

18、比较完为止，这时寄存 器里所存的数码就是所求的输出数字量。器里所存的数码就是所求的输出数字量。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院3位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器转换器数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.3.5 双积分型双积分型A/D转换器转换器 主要由主要由积分器积分器、过零比较器过零比较器、计数器计数器、控制逻辑控制逻辑和和时钟脉时钟脉冲源冲源等几个部分组成。等几个部分组成。 双积分型双积分型A/DA/D转换器是常用的一种间接转换器是常用的一种间接A/DA/D转换器。转换器。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院 转换控制信号转

19、换控制信号VS=0，将计数器清零，并接通开关，将计数器清零，并接通开关S0，使积分，使积分电容电容C完全放电，同时开关完全放电，同时开关S1合到输入信号合到输入信号Vi一侧。一侧。 转换控制信号转换控制信号VS=1时开始转换：时开始转换： 第一次积分阶段，第一次积分阶段，S0断开，积断开，积分器对分器对Vi进行固定时间进行固定时间T1的积分。的积分。 1i1Oi01TVTVdtVCRRC 第二次积分阶段，令开关第二次积分阶段，令开关S1转转接至基准电压接至基准电压 -VREF一侧，积分器一侧，积分器向相反方向积分。向相反方向积分。 2REF1Oi010TVTVdtVCRRC数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院故得到故得到 21iCCREFTTDVTT V21REFiTTVVRCRC，12iREFTTVV，1CTNT若取若取 1CTNTiREFNDVV则则 为了实现对上述双积分过程的控制，可以用下图所示的为了实现对上述双积分过程的控制，可以用下图所示的逻辑电路来完成。逻辑电路来完成。 数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院此时此时 1C2nTT则则iREF2nDVV数字电子技术基础课程海南大学信息学院海南大学信息学院11.3.7 11.3.7 主要技术参数主要技术参数 （1 1）转换精度转换