第11章 数-模和模-数转换

1、第十一章第十一章 数数-模与模模与模-数转换数转换重点重点难点难点1、D/A、A/D的基本概念、对的基本概念、对D/A、A/D转化电路的要求转化电路的要求重点：重点：各种各种A/D内部详细结构内部详细结构和工作过程（非重点）和工作过程（非重点）3、A/D转化电路常见类型、工作原理、输入转化电路常见类型、工作原理、输入/出的定量关系、出的定量关系、转换速度、精度、转换速度、精度、分辨率分辨率难点：难点：2、D/A转化电路常见类型、工作原理、输入转化电路常见类型、工作原理、输入/出的定量关出的定量关系、转换速度、精度、分辨率系、转换速度、精度、分辨率第十一章第十一章 数数- -模与模模与模- -数

2、转换数转换模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。 从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）；典型数字控制系统框图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/AD/A转换转换温度温度时间时间电加热炉电加热炉热电偶热电偶执行机构执行机构 DACDACDACDACTDACAD权权电电容容网网络络开开关关树树型型权权电电流流型型形形电电阻阻网网络络倒倒权权电电阻阻网网络络/ 变换型

3、变换型变换型变换型间接型间接型反馈比较型反馈比较型并联比较型并联比较型直接型直接型FVTVDA/分类分类11.2.1 11.2.2 求和放大器求和放大器模拟开关，虚虚地地必必有有当当接接成成深深度度负负反反馈馈时时，为为理理想想放放大大器器，即即设设负负反反馈馈放放大大器器：000 VVRiAAOIV,一、电路结构和工作原理一、电路结构和工作原理11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器权电阻网络权电阻网络基准参考电压 权电阻网络模拟开关求和放大器控制控制受数字受数字0303ddSS 点点流向流向时，时，时，时，iiiiIdId100R2VIR2VIR2VIR2VI0REF31REF

4、22REF13REF0 iREFiRVI 权电流：权电流：)()()(001122334031223012322222222ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRVREFREFREFREFREFFFFO 输出电压：输出电压：2RRF权电阻网络模拟开关求和放大器nnREFnnnnnREFODVddddVV22222200112211 )(REFnnononV212-v.11.11D0v0D 时时，当当；时时，当当输输出出电电压压为为：时时，转转换换器器，当当反反馈馈电电阻阻取取位位权权电电阻阻网网络络对对于于R/2D/AnnnREFoDVv2 0 的的最最大大变变化化范范围围是是电路

5、特点：电路特点：1. 优点：简单优点：简单2. 缺点：电阻值相缺点：电阻值相差大，难于保证精差大，难于保证精度，且大电阻不宜度，且大电阻不宜于集成在于集成在IC内部内部希望用较少类型的电阻，希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电仍然能得到一系列权电流流11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器双向模拟开关di1时接运放di0时接地R2R倒T形电阻网络 求和集成运算放大器 基准参考电压 RRRR 集成运算放大器的电流求和点为虚地，每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的AA、BB、CC、DD每个端口向左看的对地电阻都是R。RVIREF 流过四个2R电阻的电流分别为：I/2、I

6、/4、I/8、I/16。)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii 流入地端流入地端时，时，流入流入时，时，440011223342222221DVddddRVRRiVREFREFO )(电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量di通过控制电子开关Si来决定。DVddddRVRRiVnnREFnnnnnREFO222222100112211 )(位输入时，应有位输入时，应有对对REFnnOnnVVD2120120 ,范围为范围为为为“正正”取取“负负”则则得得OREFVV输输出出电电压压为为：时时，转转换换器器，当当反反馈馈电电阻阻取取位位权权电电阻阻网

7、网络络对对于于RD/An电路特点：（1）电阻网络仅有R和2R两种规格的电阻，对于集成工艺是相当有利的；（2）倒T形电阻网络具有较高的工作速度倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC目前被广泛的采用目前被广泛的采用典型典型10bit DAC采用采用CMOS电子开关电子开关与与TTL电平兼容电平兼容电源电压范围：电源电压范围：515V采用采用R-2R电阻网络电阻网络 具有二级数字输入缓冲锁存具有二级数字输入缓冲锁存器，可与器，可与P数据总线直接相数据总线直接相连，无需另接锁存器连，无需另接锁存器与与TTL电平兼容电平兼容数字地与模拟地可分开，使数字地与模拟地可分开，使用灵活用灵活 典型典型8bit DAC

8、补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.6 具有双极性输出的具有双极性输出的DAC当输入数字量有当输入数字量有极性时，极性时，希望输出的模拟电压也对应为希望输出的模拟电压也对应为一、转换原理一、转换原理输入为输入为3位二进制位二进制补码。最高位为补码。最高位为符号位，正数为符号位，正数为0，负数为负数为11原码输入原码输入对应的对应的输出输出偏移偏移-4V后的输出后的输出d2 d1 d0111+7V+3V110+6V+2V10

9、1+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A* *将输出偏移使输入为将输出偏移使输入为100100时，输出为时，输出为0 0* *将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入二、电路实现二、电路实现VVVVVVVVddddddVVVOOOOOREF410071111001000022228810120011223 则则则则)(.

10、* *将符号位反相后接至高将符号位反相后接至高位输入位输入即可即可令令时，时，输入输入时，时，使输入使输入偏移偏移R2V2IRViIR2V2Ii1000V100,V4. 2REFBBBREFO * *增设由增设由R RB B和和V VB B组成的偏移组成的偏移电路电路一、转换精度一、转换精度（分辨率、转换误差）分辨率、转换误差）p用输入数字量的二进制数码位数给出。用输入数字量的二进制数码位数给出。D/A转换器的位数转换器的位数11.2.7 DAC的转换精度与速度的转换精度与速度1. 分辨率（理论精度）分辨率（理论精度）D/A转换器分辨模拟量最小值的能力。转换器分辨模拟量最小值的能力。最低位最低

11、位LSB所代表的模所代表的模拟量拟量。例：例： n位位DAC，区分出输入的，区分出输入的000到到111全部全部2n个不同状个不同状态，态， 能给出能给出2n个不同等级的输出电压。个不同等级的输出电压。分辨率表示理论上分辨率表示理论上可以达到的精度。可以达到的精度。pD/A转换器能够分辨出来的转换器能够分辨出来的最小电压最小电压与与最大电压最大电压之比之比121 n转换误差用最低有效位的转换误差用最低有效位的倍数来表示。倍数来表示。2. 转换误差（实际精度）转换误差（实际精度）压压一一半半。时时的的输输出出电电等等于于输输入入为为小小于于、理理论论值值之之间间的的绝绝对对误误差差输输出出模模拟

12、拟电电压压与与.01.00LSB2/1转换误差表示实际的转换误差表示实际的D/A转换特性和理想特性之间的最大偏差。转换特性和理想特性之间的最大偏差。二、误差分析二、误差分析nnREFODVv21 引起的误差引起的误差REFV . 1nnREFODV2v 与输入数字量的大小成正比与输入数字量的大小成正比-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：参考电压参考电压VREF的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中的电阻值的偏差、三极管导通内阻和导通压降、电阻网络中的电阻值的偏差、三极管的特

13、性不一致等等。的特性不一致等等。22v )(.平平移移误误差差漂漂移移误误差差433vv 或或非非线线性性误误差差.040302010vvvvv 与输入数字量的数值无关与输入数字量的数值无关-漂移误差、平移误差。漂移误差、平移误差。移移零点漂移导致的曲线漂零点漂移导致的曲线漂由由OpA中中电电阻阻阻阻值值的的偏偏差差引引起起型型电电阻阻网网络络，倒倒导导通通压压降降不不为为模模拟拟开开关关的的导导通通内内阻阻和和T0与输入数字量的数值无关与输入数字量的数值无关-非线性误差。非线性误差。输出总误差：输出总误差： ）。的的相相对对稳稳定定度度（试试求求误误差差偏偏差差引引起起的的）中中，若若保保证

14、证由由形形位位倒倒（例例REFREFREFREFVVVLSBVDACTAD ,.21107520121111REF10REFOnnnREFO2VLSB212VV1D,D2VVLSB211产产生生的的输输出出电电压压为为：）时时，（产产生生的的输输出出电电压压为为、 REF1010OnnnnREFOOREFV2)12(V12D,D2VVVV2 最大误差时对应最大误差时对应为为产生的产生的、由、由11101011221223REFREFREFOVVVV 即即、题题目目要要求求%.050211222111101011 REFREFVVmV51222VV101011REFREF 为为允许参考电压的变化

15、量允许参考电压的变化量解解 电路工作在计数状态，从电路工作在计数状态，从0000状态开始连续输入状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从个计数脉冲时，电路将从1111返回返回0000状态，状态，C端从高电平跳变至低电端从高电平跳变至低电平。当平。当CP的上升沿到来的时候，的上升沿到来的时候，0的值由式的值由式 可得。可得。画出输出电压画出输出电压0的波形，并标出波形图上各点电压的幅度的波形，并标出波形图上各点电压的幅度波形发生器电路波形发生器电路1ETEPLDRDiinREFOdVv22试分析电路的工作原理，画出输出电压试分析电路的工作原理，画出输出电压0的波形图的波形图A/D转换目标：将时

16、间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。一、一、 采样定理采样定理 采样:将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量四个步骤：采样、保持、量化、编码。 采样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量为fmax，必须满足 fs 2fmax ，y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。fs （35）fmax 取样-保持电路的基本形式 s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI的变化而变化s(t)无效期间，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变，直到下次采样。 集成运放A具有很高的输

17、入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放集成采样保持电路LF398 量化：量化：进行进行A/D转换时，将转换时，将采样电压采样电压表示为最小数量单位表示为最小数量单位的整数倍过程叫做量化。的整数倍过程叫做量化。量化误差：量化误差：注意：注意：一个一个n位二进制数只能表示位二进制数只能表示2n个量化电平，量化级个量化电平，量化级分得越多，量化误差越小。分得越多，量化误差越小。 A/D 转换的输出结果 量化单位量化单位 ：数字量最小单位所对应的最小量值叫做量数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位，用化单位，用表示（数字信号最低有效位表示（数字信号最低有效位LSB的的1所代表所代表的数量大小

18、就等于的数量大小就等于） 。量化电平划分的两种方法量化电平划分的两种方法nm2U 12U21nm 量化误差大量化误差大量化误差小量化误差小量化误差量化误差 00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化量化00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153R

19、RVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVV量化量化 编码编码111110101100011010001000特点特点*快快，CLK触发信号到达到输出稳定建立只需触发信号到达到输出稳定建立只需50ns*有存储器有存储器，不需要，不需要S/H电路电路*精度精度，主要取决于量化电平的划分，主要取决于量化电平的划分 *电路规模电路规模，n位需要位需要2n-1比较器，比较器， 2n-1触发器触发器基本原理：基本原理：取一个取一个“D”加到加到DAC上，得到模拟输

20、出电压，上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大的大小，到相等为止，则小，到相等为止，则D为所求值。为所求值。！简单！简单！慢！慢CLKnT）最多需要（最多需要（12 1.计数型计数型2、逐次渐近型、逐次渐近型 1,VV01,VV1. 1IOIO则则保保留留改改为为则则去去掉掉若若”高高位位先先置置“低位比较完为止低位比较完为止逐位比较下去，直到最逐位比较下去，直到最！电路不太复杂！电路不太复杂！较快！较快”再将次高位置“再将次高位置“1. 21 0 0 0 03位逐次渐近位逐次渐近型型A/D转换器转换器环形移位寄存器 逐次渐

21、进寄存器 初始状态 Q1Q2Q3Q4Q5=10000电压比较器 3位DAC转换器时钟脉冲源 工作原理工作原理设：设：VR=-5V，Vi=3.2V初始化初始化QAQBQC=000 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 第一个第一个CLKQAQBQC=100Q1Q2Q3Q4Q5=01000VoVi，VB=1 第二个第二个CLKQ2=1，QB=1；VB=0，封锁了与门，封锁了与门G1，Q2不能通过门不能通过门G1使使QA复位，复位，QA仍为仍为1QAQBQC=110Q1Q2Q3Q4Q5=00100 第三个第三个CLKQ3=1，QC=1；VB=1，门，门G2被打开，被打开，Q3通过门通过门G2使使QB=0

22、；同时同时QA =1保持不变保持不变Vo=5/23（22+20） =3.125VVoVi，VB=0QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00010即即QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00001 第四个第四个CLKVB=0封锁门封锁门G1G3Q1Q2Q3=000，QA QB QC保持原保持原状态不变状态不变Q5=1，使，使QAQBQC通过门通过门G6、G7、G8输输出转换结果。出转换结果。 d2d1d0=101 第五个第五个CLK后后Q1Q2Q3Q4Q5=10000又重新开始转换又重新开始转换CLKTn）（最多需要最多需要2 Q5=0，门，门G6、G7、G8被封锁，转换输出被封锁，

23、转换输出信号随之消失。信号随之消失。基本原理：基本原理：先将先将V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内对固定频率的脉冲计数，计数结果即为数字信号这个时间内对固定频率的脉冲计数，计数结果即为数字信号V-T变换型变换型IOVV 10111101)(, 12TIIOIILVRCTdtRVCVVTTVSSV不不变变期期间间的的积积分分，积积分分器器作作固固定定时时间间第第一一步步，断断开开转转换换开开始始、计计数数器器、触触发发器器清清零零、起起始始状状态态：,01Lv工作原理工作原理CCCTTffDfT222,的的脉脉冲冲计计数数期期间间对对固固定定

24、频频率率计计数数器器在在0,OREFIVVS积积分分器器作作反反相相积积分分至至第第二二步步：1210, 012TRCVTRCVTRCVdtRVCVIREFITREFOIREFVVTT12 IREFCCVVTTfTD12 CCTTffD22 时段时段：固定时间积分，到时：固定时间积分，到时结束结束时段时段：固定斜率积分，过零：固定斜率积分，过零结束结束 1011TIIOVRCTdtRVCVTRCVdtRVCVITREFO 201IVRCT1 IREFnCn1VV2DT2T ，若若优点：精度较高，对元件要求低优点：精度较高，对元件要求低 抗干扰能力比较强抗干扰能力比较强缺点：工作速度低每完成一次

25、转换的时间为缺点：工作速度低每完成一次转换的时间为C1nT2 1.分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，说明分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，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。2. 转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般以最低有效位的倍数给出（一般以最低有效位的倍数给出（ 0.5 LSB）。FSR21n能区分输入电压的最小差异为能区分输入电压的最小差异为一、转换精度一、转换精度转换速度：取决于电

26、路结构类型转换速度：取决于电路结构类型并联比较型：并联比较型：1微秒（微秒（8位位A/D 50ns）逐次渐近型：逐次渐近型：10100微秒微秒/次次双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒数百毫秒数百毫秒/次次A/D转换器产品举例转换器产品举例-ADC0809特点：特点：属属CMOS电路电路8路模拟输入，路模拟输入，8 bit 输出输出与常用与常用P兼容兼容采用逐次比较法，转换时间约采用逐次比较法，转换时间约100s ICL7107ICL7107构成直流电压表构成直流电压表A/D转换器产品举例转换器产品举例-ICL7106/7107 特点：特点：直接输出直接输出7段译码信号段译码信号7106驱动驱

27、动LCD；7107驱动驱动LED十进制十进制3位半位半A/D转换器转换器双积分型电路，内含基准源双积分型电路，内含基准源 特点：特点：6bit高速高速A/D转换器，速率可达转换器，速率可达90M带偏移矫正的带偏移矫正的55MHZ带宽差动放大器带宽差动放大器功耗仅功耗仅190mW有效位为有效位为5.85bit A/D转换器产品举例转换器产品举例-MAX1011 第第11章章 小结小结 1. A/D转换器和转换器和D/A转换器是数字系统和各种工转换器是数字系统和各种工程技术相联系的桥梁，在二者之间起着程技术相联系的桥梁，在二者之间起着“翻译翻译”的的作用。作用。 2. 常用的常用的D/A转换器主要

28、有转换器主要有权电阻型权电阻型和和R-2R网络网络型型两种电路。由于两种电路。由于R-2R网络型的电阻种类少，易于网络型的电阻种类少，易于集成和提高精度，因此多为集成集成和提高精度，因此多为集成D/A转换器所采用。转换器所采用。 3. 常用的常用的A/D转换器主要有转换器主要有双积分型双积分型、逐次比较逐次比较型型和和并行比较型并行比较型三种。三种电路在精度、转换速率三种。三种电路在精度、转换速率及其他参数等方面各具特色，因而应用都比较广泛。及其他参数等方面各具特色，因而应用都比较广泛。 5. 由于由于D/A转换器和转换器和A/D转换器在电子系统、特别转换器在电子系统、特别是数字系统中的应用越

29、来越广泛，技术与工艺的进是数字系统中的应用越来越广泛，技术与工艺的进步，其新产品也不断涌现。因此，要根据实际需要步，其新产品也不断涌现。因此，要根据实际需要来选择各项指标以及价格、厂商等，切不可片面地来选择各项指标以及价格、厂商等，切不可片面地追求某一项指标。追求某一项指标。 4. 作为产品的实例，几种中、大规模集成电路：作为产品的实例，几种中、大规模集成电路：7520、0832、MAX5013；0809、7106/7107、MAX1011，它们中既有应用广泛的传统电路，也，它们中既有应用广泛的传统电路，也有刚刚推向市场的新产品。有刚刚推向市场的新产品。 本章习题类型与解题方法本章习题类型与解题方法 1、 A/D、D/A转换的基本概念、转换的基本概念、D/A转换器转换器输出电压的定量计算；输出电压的定量计算； 2、D/A转换器应用的题目；转换器应用的题目； 3、D/A转换器与转换器与A/D转换器中参考电压转换器中参考电压VREF稳定度的计算。概念性比较强，有实用意义。稳定度的计算。