数字电子技术基础 第十一章

1、Pan HongbingPan HongbingVLSI Design InstituteVLSI Design Institute of Nanjing University of Nanjing University数字电子技术基础第十一章 数-模和模数转换11.1 概述概述l从模拟信号到数字信号的转换称为模从模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，数转换，简称为简称为A/D(Analog to Digital)。l从数字信号到模拟信号的转换称为数从数字信号到模拟信号的转换称为数-模转换，模转换，简称为简称为D/A（Digital to Analog）l衡量衡量A/D和和D/A转换器性能优

2、劣的主要指标是：转换器性能优劣的主要指标是：转换精度和转换速度转换精度和转换速度。11.2 D/A转换器转换器n11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器图图11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器优点：结构简单，所优点：结构简单，所用的电阻原件数很少。用的电阻原件数很少。缺点：各电阻的阻值缺点：各电阻的阻值相差较大，尤其是在相差较大，尤其是在输入信号的位数较多输入信号的位数较多时，问题更加突出。时，问题更加突出。Vo=-VREF(dn-12n-1+dn-22n-2+.d121+d020)/2n=-VREFDn/2n图图11.2.2 双级权电阻网络双级权电阻网络D/A转换

3、器转换器加入加入Rs,使使电阻的最电阻的最大值和最大值和最小值差变小值差变小小.输出结果输出结果不变。不变。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器图图11.2.3 倒倒T型型电阻网络电阻网络D/A转换器转换器克服电阻阻值克服电阻阻值相差太大的另相差太大的另一种方法。一种方法。图图11.2.4 计算倒计算倒T型型电阻网络支路电流的电阻网络支路电流的等效电路等效电路图图11.2.5 CB7520（AD7520）的电路原理图的电路原理图电流输出型电流输出型D/A图图11.2.6 CB7520中的中的CMOS模拟开关电路模拟开关电路11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器n

4、采用恒流源采用恒流源图图11.2.7 权电流权电流型型D/A转换器转换器前面介绍的几前面介绍的几种种D/A的缺点：的缺点：模拟开关在电模拟开关在电阻网络中，存阻网络中，存在导通电阻和在导通电阻和导通压降。影导通压降。影响转换精度。响转换精度。用恒流源可解用恒流源可解决。决。引申：四引线法。引申：四引线法。图图11.2.8 权电流权电流型型D/A转换器中的恒流源转换器中的恒流源图图11.2.9 利用倒利用倒T型型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型D/A 转换器转换器图图11.2.10 DAC0808的电路结构框图的电路结构框图图图11.2.11 DAC0808的典型应用的典型应用11.2.4

5、开关树形开关树形D/A转换器转换器图图11.2.12 开关树开关树型型D/A转换器转换器由电阻分压器和由电阻分压器和接成树状的开关接成树状的开关网络组成。网络组成。优点：电阻种类优点：电阻种类单一，在输出端单一，在输出端基本不取电流情基本不取电流情况下，对开关导况下，对开关导通内阻要求不高。通内阻要求不高。缺点：用得开关缺点：用得开关太多。太多。图图11.2.13 权电容网络权电容网络D/A转换器转换器利用电容利用电容分压原理。分压原理。图图11.2.14 输入为输入为1000时图时图9.2.13的等效电路的等效电路11.2.6 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A转换器转换器图图11.2.

6、15 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的D/A转换器转换器通过增设通过增设RB和和VB组成偏移电路，达组成偏移电路，达到双极性输出。到双极性输出。用单极性用单极性 D/A转换转换器构成双器构成双 极性极性D/A的方法的方法 : 在求和放在求和放大器的大器的 输入输入 端接端接入一个偏移电流入一个偏移电流,使使输入最高位为输入最高位为1时时而其他各位为而其他各位为0时时输出输出Vo=0,同时将同时将输入符号位反相后输入符号位反相后接到一般接到一般 D/A的输的输入。入。11.2.7 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n一、一、D/A转换器的转换精转换器的转换精度度n

7、分辨率：表示在理论上分辨率：表示在理论上可达到的精度。可达到的精度。n转换误差：实际能达到转换误差：实际能达到的转换精度。的转换精度。n用用LSB或或FSB(电压满刻电压满刻度度Full Scale Range)的的百分数百分数图图11.2.16 D/A转换器转换器的的转换特性曲线转换特性曲线图图11.2.17 比例系数误差比例系数误差造成造成D/A转换器转换误差的原因转换器转换误差的原因有：有：1、参考电压、参考电压VREF的波动。的波动。2、运算放大器的零点漂移。、运算放大器的零点漂移。3、模拟开关的导通内阻和导通、模拟开关的导通内阻和导通压降。压降。4、电阻网络中电阻阻值的偏差。、电阻网

8、络中电阻阻值的偏差。5、三极管特性不一致。、三极管特性不一致。由由VREF引起引起图图11.2.18 漂移误差漂移误差由运放零点由运放零点漂移引起。漂移引起。图图11.2.19 非线性误差非线性误差由模拟开关的导通内阻由模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网和导通压降以及电阻网络中电阻阻值的偏差。络中电阻阻值的偏差。例例11.2.1 P522-P523n 对图对图11.2.5所示的倒所示的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器中转换器中,计算计算VREF的相对稳定度应取多少的相对稳定度应取多少?才能保证才能保证VREF偏离标准值所引起的误差小于偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB。n解：解：

9、首先：与首先：与1/2LSB对应输出电压对应输出电压VREF/2n+1n 其次：计算由于其次：计算由于VREF所引起的输出变化所引起的输出变化Von得到得到(2n-1)*|VREF |/2n|VREF | /2n+1动态误差动态误差n静态误差：在输入、输出已经处于稳定状态下得静态误差：在输入、输出已经处于稳定状态下得到的转换误差。到的转换误差。n动态误差：由于输入数码突变等多个模拟开关改动态误差：由于输入数码突变等多个模拟开关改变状态等引起的瞬时尖峰脉冲电压等。变状态等引起的瞬时尖峰脉冲电压等。n如何消除动态误差：在如何消除动态误差：在D/A输出端附加取样输出端附加取样-保保持电路。持电路。二

10、、二、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度图图11.2.20 D/A转换器转换器的建立时间的建立时间11.3 A/D转换器转换器n11.3.1 A/D转换器的基本转换器的基本原理原理n一、取样定理一、取样定理图图11.3.1 对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样fs=2fi(MAX)图图11.3.2 还原取样信号所用滤波器的频率特性还原取样信号所用滤波器的频率特性一般：取一般：取fs=（35）fi(MAX)二、量化和编码二、量化和编码111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V

11、1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）图图11.3.3 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法量化误差量化误差量化误差量化误差1/8量化误差量化误差1/15, 较好较好图图11.3.4 对双极性模拟电

12、压的量化和编码对双极性模拟电压的量化和编码11.3.2 取样取样-保持电路保持电路图图11.3.5 取样保持电路的基本形式取样保持电路的基本形式CH漏电流小，运放漏电流小，运放输入阻抗高。但很输入阻抗高。但很难做到。难做到。一般解决办法：输一般解决办法：输入端增加一级隔离入端增加一级隔离放大器。放大器。图图11.3.6 集成取样保持电路集成取样保持电路LF198（a）电路结构电路结构（b）典型接法典型接法取样取样-保持电路性能指标：保持电路性能指标：1、获取时间：取样电容、获取时间：取样电容CH上电压达到稳定值所需要的上电压达到稳定值所需要的时间。时间。2、输出电压下降率：输出、输出电压下降率

13、：输出阶段电压的下降率阶段电压的下降率Vo/ T11.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器图图11.3.7 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器1、组成：组成：由电压比较器、寄由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分组存器和代码转换电路三部分组成。成。2、影响转换精度的因素：影响转换精度的因素：1） 量化电平的划分量化电平的划分2 ）参考电压稳定度）参考电压稳定度3 ）分压电阻相对精度）分压电阻相对精度4）电压比较器灵敏度）电压比较器灵敏度3、优点：优点：转换速度快。转换速度快。4、缺点：缺点：需要很多电压比较需要很多电压比较器和触发器。器和触发器。11.3.4 反馈比较型反馈比较

14、型A/D转换器转换器(计数计数型和逐次渐近型型和逐次渐近型)图图11.3.8 计数型计数型A/D转换器转换器优点：电路结构非常简单。优点：电路结构非常简单。缺点：转换时间太长。达缺点：转换时间太长。达2n-1倍的时钟信号周期。倍的时钟信号周期。 图图11.3.9 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的转换器的电路结构框图电路结构框图组成：比较器、组成：比较器、D/A转转换器、寄存器、时钟换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑脉冲源和控制逻辑5个个部分。部分。转换时间：转换时间：n+2个时钟个时钟信号周期。信号周期。是目前是目前A/D转换产品中转换产品中用得最多的一种电路。用得最多的一种电路。图图11.

15、3.10 3位逐次渐近型位逐次渐近型A/D转换器的转换器的电路原理图电路原理图11.3.5 双积分型双积分型A/D转换器（转换器（V-T变换型）变换型）图图11.3.11 双积分型双积分型A/D转换器的转换器的结构框图结构框图组成：积分器、比较组成：积分器、比较器、计数器、控制逻器、计数器、控制逻辑和时钟信号源。辑和时钟信号源。图图11.3.12 双积分型双积分型A/D转换器的电压波形转换器的电压波形图图图图11.3.13 双积分型双积分型A/D转换器的控制逻辑电路转换器的控制逻辑电路双积分型双积分型A/D转换器小结转换器小结n优点：优点：工作性能比较稳定。可以用精度比较低的元、器件制作工作性

16、能比较稳定。可以用精度比较低的元、器件制作成精度很高的双积分型成精度很高的双积分型A/D转换器。转换器。抗干扰能力比较强。抗干扰能力比较强。n缺点：缺点：工作速度低。工作速度低。n应用场合：广泛，如数字电压表等。应用场合：广泛，如数字电压表等。11.3.6 V-F变换型变换型A/D转换器转换器图图11.3.14 VF 变换变换型型A/D转换器转换器工作原理：先将输入的模拟信号转换成与之成比例的频率信号，工作原理：先将输入的模拟信号转换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，计数结果然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，计数结果正比于输入模拟信号的数字量

17、。正比于输入模拟信号的数字量。组成：组成：V-F变换器（也称压控振荡器变换器（也称压控振荡器VCO）、计数器、时钟信号）、计数器、时钟信号控制闸门、寄存器、单稳态触发器等。控制闸门、寄存器、单稳态触发器等。V-F变换型变换型A/D转换器转换器n特点：输出信号为调频信号。特点：输出信号为调频信号。易于传输和检出。易于传输和检出。抗干扰能力强。抗干扰能力强。n转换精度：转换精度：首先取决于首先取决于V-F变换器的精度。变换器的精度。受计数器计数容量的影响，计数器容量越大，转换误受计数器计数容量的影响，计数器容量越大，转换误差越小。差越小。n种类：种类：大多采用电荷平衡式电路结构。分为积分型和定时器

18、大多采用电荷平衡式电路结构。分为积分型和定时器型。型。积分器型电荷平衡式积分器型电荷平衡式V-F变换器变换器n组成：积分器、电压比较器、单稳态触发器、恒组成：积分器、电压比较器、单稳态触发器、恒流源及其控制开关等。流源及其控制开关等。n电路结构框图：电路结构框图：P540。n工作过程：工作过程：nIinttint=(Io-Iint)tWn以以Iint=VI/Rint代入上式得到代入上式得到IotW=VI(tW+tint)/Rintn得到得到fout=(1/IotWRint)VI例11.3.1 P542nAD650定时器型电荷平衡式定时器型电荷平衡式V-F变换器变换器n以LM331为例介绍。例1

19、1.3.2 P54411.3.7 A/D转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度一、一、A/D转换器的转换精度转换器的转换精度 采用分辨率和转换误差来描述转换精度。采用分辨率和转换误差来描述转换精度。分辨率：分辨率：1/2n转换误差：表示实际输出的数字两和理论上应有的输出数转换误差：表示实际输出的数字两和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。影响转换精度的因素：电源电压、环境温度参考电压的稳影响转换精度的因素：电源电压、环境温度参考电压的稳定度等。定度等。二、二、A/D转换器的转换速度转换器的转换速度n主要取决于转换电路的类型。主要取决于转