第10章-数模与模数转换器

1、数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器数字电子技术数字电子技术数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 10.1 D/A(10.1 D/A(Analog to Digital)转换器转换器 10.2 A/D (10.2 A/D (Digital to Analog)转换器转换器 10.0 10.0 引言引言数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换

2、器教学基本要求 1 1、掌握倒、掌握倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器(DAC)(DAC)、集成、集成D/AD/A转换器转换器75207520的工作原理及相关计算。的工作原理及相关计算。 2 2、正确理解、正确理解D/AD/A转换器的两种输出方式。转换器的两种输出方式。 3 3、掌握并行比较、逐次比较、双积分、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/DA/D转换转换器器(ADC)(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。 4 4、正确理解、正确理解D/AD/A、A/DA/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。Analog Digital Converter and Digi

3、tal Analog Converter数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器D/AD/A转换、转换、A/DA/D转换的应用转换的应用 模 拟 传感器 A/D 转换器 数字控制 计算机 D/A 转换器 模拟 控制器 工业生产过程控制对象 ADCADC和和DACDAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器(温度、压力、流量、应力等）计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制信号数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信

4、息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器 10.1.2 权电流型D/A转换器 10.1.3 D/A转换器的输出方式 10.1.4 D/A转换器的主要技术指标 10.1.5 集成D/A转换及其应用 10.1.0 D/A转换器概述 10.1 D/A转换器转换器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器1 1、DACDAC的功能的功能: :将数字量成正比地转换与之对应将数字量成正比地转换与之对应 成模拟量成模拟量 。（设（设D/AD/A转换器的输转换器的输 入数字量为入

5、数字量为 n n位）位）n位数字量模拟量05V或010V等10.1.0 D/A 转换器概述转换器概述DAC4位8位10位1位16位等n=数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器如何实现如何实现D/AD/A？10.1.0 D/A 10.1.0 D/A 转换器概述转换器概述 数字量是用代码按数位组合而成的数字量是用代码按数位组合而成的, , 对于有对于有权码权码, ,每位代码都有一定的权值，如能将每一位每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量代码按其权的大小转换成相应的模拟量, , 然

6、后，然后，将这些模拟量相加将这些模拟量相加, ,即可得到与数字量成正比的即可得到与数字量成正比的模拟量模拟量, , 这样，就可以实现数字量这样，就可以实现数字量-模拟量的转模拟量的转换。换。2.2. 实现实现D/AD/A转换的基本思想转换的基本思想数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器3.3. D/AD/A转换器的组成转换器的组成: :10.1.0 D/A 10.1.0 D/A 转换器概述转换器概述 数数码码 寄寄存存器器 n位位模模拟拟开开关关 解解码码 网网络络 求求和和 电电路路 基基准准电电压压 n位

7、位数数字字量量输输入入 模模拟拟量量 输输出出 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器4.4. D/AD/A转换器的分类转换器的分类: :10.1.0 D/A 10.1.0 D/A 转换器概述转换器概述按解码网络结构分类 T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开关电路分类 CMOS开关型DAC双极型开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型DAC D/A 转换器数字电子技术基础数字电子技术基

8、础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si则将电阻2R接地Di=1, Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路 电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关S Si

9、i处处于于何种位置，与何种位置，与S Si i相连的相连的2R2R电阻将接电阻将接“地地” 或虚地或虚地。 1 1、原理电路、原理电路数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器2、D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I =？流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16R

10、RRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A 3. 3. 工作原理：工作原理：II2I1I0I3流入运放的总电流： 012343212222IIIIDDDDi I

11、0 + I1 + I2 + I3REF01234321()2222VDDDDR3REFi40(2 )2iiVDR(10.1.1)数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A 3. 3. 工作原理：工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压： (10.1.2)Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR 数字电

12、子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器3. 3. 工作原理：工作原理：4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： (10.1.2)Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR 推广到 n 位倒T形电阻网络DAC,有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR (10.1.3)REFfn,2VRKR令：n 1iBi0(2 )iND则O = K NB (10.1.4)上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。 数字电

13、子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器为提高为提高D/AD/A转换器的转换器的精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求： (1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2) 倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(3) 每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等(4)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高

14、D/AD/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/AD/A转换器。转换器。 10.1.1 10.1.1 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.2 权电流型权电流型D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 0Off321(248)16IIIi RRDIDDD 321f321040(22)222IRDDDD3fi4022iiI

15、RDDi =1时，开关Si接运放的反相端; Di= 0时，开关Si接地。 电路在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF 16I + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0

16、TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 电电 流流 实际的权电流D/A转换器电路REFREF1VIRREF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDDn 1iREFfOini 0122VRDR10.1.2 10.1.2 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量模拟量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0

17、 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 010.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式表10.1.1 8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系)256255(refV )256129(refV )256128(refV )256127(refV )2561(refV )2560(refV 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 D1 D0 i Rf vO Dn-1 VREF 倒T形 电阻网 络D/A 转换器 + A R

18、1 R2 i vO + A R D1 D0 Dn-1 VREF 倒T形 电阻网 络D/A 转换器 1. 单极性输出方式 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路转换器单极性电压输出的电路 反相输出 同相输出 Ofi R O21(1/)i RRR10.1.3 D/A10.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器输入与输出关系十进十进制数制数2的补码的补码偏移二进制码偏移二

19、进制码模拟量模拟量 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O/VLSB1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 012611 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11127 1 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1127128 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0128数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转

20、换器10.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式双极性输出的8位D/A转换器 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 Rf = R R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形电电阻阻 网网络络 D/A 转转换换器器 i 1 NBO1REF12V REF1B82VN 7REFB8(2 )2VNBREFREFREF8()222N VVVBREF256NV数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.

21、 1. 转换精度转换精度 ：通常用分辨率和转换误差来描述。：通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/AD/A转换器模拟输出电压可能被分离的等转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/AD/A转换器转换器的分辨率。的分辨率。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。给出。n n位位D/AD/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为121n数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程

22、学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器转换误差：转换误差： 转换误差：转换误差是指转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差。与理论上可达到的精度之间存在误差。 产生原因：由于产生原因：由于D/AD/A转换器中各元件参数值存转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。零漂等各种因素的影响。 几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等和非线性误差等10.1.4 D/A10.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的

23、主要技术指标数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 比例系数误差：比例系数误差：是指实际转换特性曲线的斜率与理想特是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。性曲线斜率的偏差。 REFO/VV 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 O 理理想想 实实际际 比比例例系系数数误误差差 如在如在n n 位倒位倒T T 形电形电阻网络阻网络D/AD/A转换器中，转换器中

24、，当当V VREFREF偏离标准值偏离标准值V VREFREF时，就会在输出端产时，就会在输出端产生误差电压。由式生误差电压。由式10.1.310.1.3可知可知 1n0iifREFo22inDRRV 由由V VREFREF引起的误差属引起的误差属于比例系数误差。于比例系数误差。 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 失调误差：由运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移 。 REFO/VV 7/8 3

25、/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 O 实实际际 理理想想 三位D/A转换器的失调误差如图10.1.8所示。 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.5 集成D/A转换器及其应用1. AD7520D/A转换器转换器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 10位CMOS电流开关型D/

26、A转换器 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 IOUT1 2 IOUT1 IOUT1 IOUT2 GND D9 D8 D7 D6 D5 D0 D1 D2 D3 D4 V+ VREF RF 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.5 集成D/A转换器及其应用1. AD7520D/A转换器中的转换器中的1 1位位CMOSCMOS模拟开关电路模拟开关电路 IOUT2 IOUT1 2R R R T8 T9 T7 T5 T6 T4 T1 T3 T2 VDD Di 优点：

27、优点：使用简便、功耗低、转换速度较快、温度系数小、使用简便、功耗低、转换速度较快、温度系数小、通用性强。通用性强。数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.5 集成D/A转换器及其应用 2、集成、集成D/A转换器应用之一：转换器应用之一： 数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R + RF IOUT1 IOUT2 VREF OUT1I/IROV1110I0191222ADDD1210OO

28、UT2019(222)IDDDR数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1.5 集成D/A转换器及其应用 2、集成D/A转换器应用之二： 脉冲波产生电路脉冲波产生电路 IOUT1 IOUT2 RF O1 + + IOUT1 IOUT2 O2 RF VREF AD7520 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 I VREF AD7520 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 10 位位可可逆逆计计算算器器

29、 加加/减减 CP 计计数数脉脉冲冲 加加减减控控制制 电电路路 9REF1i10022iOiVD 2912REF1022iiiODV数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1. 5 集成集成D/A转换及其应用转换及其应用 * *2. 2. 集成集成D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832 它是八位的D/A变换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。 下图是它的内部框图和引脚图：数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工

30、程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1. 5 集成集成D/A转换及其应用转换及其应用 * *2. 2. 集成集成D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11简化电路框图数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.1. 5 集成集成D/A转换及其应用转换及其应用 *2. 集成D/A转换器DAC0832DAC 0832 管脚图

31、CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRf bDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片选端WR1、WR2：写入端D7-D0：数据输入端XFER：转移控制端ILE：所存使能端Iout2Iout1：电流输出端UR：参考电压端Rf b：内部反馈电 阻输出端数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器本节小结：本节小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。号

32、转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和转换器和T型电阻网络型电阻网络D/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T型电阻网络型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采转换器普遍采用这种电路结构。用这种电路结构。如果输入的是如果输入的是n位二进制数，则位二进制数，则D/A转换器转换器的输出电压为：的输出电压为：)2222(200112211oddddVunnnnnREF数字电子技术基础数字电子技术基

33、础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器 10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器10.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器 10.2.5 A/D10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 10.2 A/D 转换器转换器10.2.6 10.2.6 集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用 数字电子技术基础数字电

34、子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 A/DA/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，幅值也离散的数字信号，它一般要包括它一般要包括取样取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4 4个过程个过程。A/D转换器概述转换器概述ADCDnD0输出数字量I 输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。字量。1. A/D1. A/D功能功能: :数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程

35、学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 2. A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点: : 转换速度快转换速度快, ,转换时间转换时间 10ns 110ns 1 s, s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: : 转换速度适中转换速度适中, ,转换时间转换时间 为几为几 s s 100 100 s, s, 转换精度高，在转换速度和硬件复杂度转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡之间达到一个很好的平衡。 双积分型双积分型 特点特点: : 转换速度慢转换速度慢, ,转换时间转换时间 几百几百 s s 几几

36、ms,ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。A/DA/D转换器概述转换器概述数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 1. 1. 取样与保持取样与保持 0 0 0 S(t) I (t) t t t TS O (t) O(t) I(t) T G S(t) 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号S(t)的频率为

37、fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则 fs 2fimax(10.2.1)数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要保为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要保加持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往加持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完

38、成的。往是通过采样与保持电路同时完成的。 t t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 电路要求：AV1AV2= 1 A1 的Ri 高，A2 的Ri 高，A2 的Ro低采样 I A1 A2 S CH 开开关关驱驱动动电电路路 采采样样保保持持控控制制电电路路 O 不能放电保持1. 1. 取样与保持取样与保持10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 （1）电路及工作原理数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器2. 量化与编码量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在A/D转

39、换过程中，必须将采样保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。 10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程量化量化编码编码数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器(1)量化及量化误差量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数字信号最低位为1

40、时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。 10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器只舍不入量化方式:量化中把不足1个量化单位的部

41、分舍弃；最大量化误差为：LSB1max 四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为2LSBmax （2）两种量化方式）两种量化方式V8701VV86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号编码模拟电平01VV1513V1511V159V157V155V153V151110101100011010001000输入信号编码模拟电平0=0 v1=2/15

42、v2=4/15 v3=6/15 v4=8/15 v5=10/15 v6=12/15 v7=14/15 v11110.2.1 A/D转换的一般工作过程数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 1、电路组成、电路组成 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05

43、C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (LSB(MSB)0 电压比较器输入模拟电压精密电阻网络（23个电阻）精密参考电压D触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 R I VR E F VR E F 1 3 1 5

44、 R C P VR E F 1 1 1 5 R R R VR E F 3 1 5 VR E F 1 1 5 R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1 D C 1 Q I4 1 D C 1 Q I5 1 D C 1 Q I6 1 D C 1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (L S B(M S B )0 10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器 2 2

45、、工作原理、工作原理11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高001vivO数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/1

46、5 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。

47、 10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器 2 2、工作原理、工作原理数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器 3 3、电路、电路特点：特点：在并行在并行A/DA/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I I同时加到所有比较器的输同时加到所有比较器的输入端，从入端，从 I I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、器、D D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑

48、各器件的延触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与迟，可认为三位数字量是与 I I输入时刻同时获得的。所以它输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间。具有最短的转换时间。 缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADCADC需比较器的个数目为需比较器的个数目为7 7个位数个位数越多矛盾越突出。越多矛盾越突出。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。 单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/DA/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如ADAD公司的公司的AD901

49、2 (TTLAD9012 (TTL工艺工艺8 8位位) )、AD9002 (ECLAD9002 (ECL工艺，工艺，8 8位位) )、AD9020 AD9020 (TTL(TTL工艺，工艺，1010位位) )等。等。 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器 I D9 VREF 采采样样保保持持电电路路 5位位 并并行行比比较较A/D转转换换器器 5位位 D/A转转换换器器 5位位 并并行行比比较较A/D转转换换器器 + 32 + D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 10.2.2 并行比较型A

50、/D转换器分级并行转换分级并行转换1010位位A/DA/D转换器转换器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.3 逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。所加砝码重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8 克砝码总重 待测重量Wx ，8克砝码保留砝码总重仍 待测重量Wx ， 2克砝码撤除砝码总重 待测重量Wx ， 1克砝码保留 结果8 克12 克12 克13 克 1. 转换原理 所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx = 13克。称重过程 数字电子技术

51、基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.3 逐次比较型A/D转换器 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 2/REFV I VREF/2 1I VREF/2 0数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华

52、刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.3 逐次比较型A/D转换器 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 0 1 0 0 0 1 0 0 REFV4/3 I 3/4VREF 1010I 3/4VREF 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.3 逐次比较型A/D转换器

53、I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 0 0 1 0 0 0 1 0 REFV8/5 I 5/8VREF 1010I 0010.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.4 双积分式A/D转换器 + + + I

54、S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 数字量输出数字量输出 C A B G G n 级计数器级计数器 定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc 00000(1) 准备阶段 工作原理CR信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2。 10.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学

55、院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.4 双积分式A/D转换器 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & C A B G G 定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc (2) 第一次积分 tdt0IO1 1T1=2nTC0001010111000t = t0时，开关S1与A端接通，正的被测电压I 加到积分器的输入端。积分器开始对I积分，此阶

56、段称为采样阶段11TVI 工作原理00001010111001000101011111100010101110101001010111000数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.4 双积分式A/D转换器 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & C A B G G 定定时时信信号号

57、 (MSB) (LSB) Tc (2) 第二次积分11001010 21)(1)(REFp2OttVVt VREF加到积分器的输入端，积分器开始向相反方向进行第二次积分；当t=t2时，积分器输出电压O0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。 工作原理10.2.4 双积分式A/D转换器21O2pREF1( )()0tttVV0数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.4 双积分式A/D转换器 S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2

58、P t t t t t T1=2nTC1112nCPTTVVV OI01tdt ?21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF2CI2VTTVnC2IREF2 TTVV T2=Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在计数器中所计的数=Qn-1Q1Q0，(就是A/D转换器得到的结果。数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.4 双积分式A/D转换器nC2IREF2 TTVV优点：优点：1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1时

59、间内采的是输入电压的平均值， 因此具有很强的抗工频干扰的能力。 T1=2nTC3.不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间 内保持稳定即可。n2IcREF2TVTV数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器1.1.转换精度转换精度 10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/DA/D转换器的转换精度是用分辨率和转转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的换误差来描述的。 分辨率分辨率: :说明说明A/DA/D转换器对输入信号的分辨能力。通常转换器对输入信号的分辨能力

60、。通常以输出二进制以输出二进制( (或十进制或十进制) )数的位数表示。数的位数表示。 转换误差：转换误差：表示表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上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。通常以输出误的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。倍数表示。 数字电子技术基础数字电子技术基础攀枝花学院电气信息工程学院攀枝花学院电气信息工程学院 刘兴华刘兴华第10章 数模与模数转换器10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.2.转换时间转换时间 指A/D转换器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