高职高专数字电路9、数-模与模-数转换电路

1、第九章第九章 数数/ /模与模模与模/ /数转换电路数转换电路9.1 D/A转换器转换器 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.2 A/D转换器转换器 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器转换器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，然后相加，即可得到与

2、数字量成正比的总模拟量，模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字从而实现数字/ /模拟转换。模拟转换。D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出01234567001010011100101110111vo/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）

3、，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基准电流基准电流: I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。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 )2(2304iiiREFDRV 输出电压：输出电压：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR )2(210Oiniin

4、REFfDVRRv )2222(13223140DDDDRViREF 总电流：总电流：nREFfVRRK2 其中：其中：分析计算：分析计算：EWB演示演示D/A转换器转换器三三 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。图示为一图示为一4位权电流位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到转换器原理电路。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREF

5、D四四. D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0808是是8位权电流位权电流型型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输入是数字量输入端。端。 使用使用时，需要外接运时，需要外接运算放大器和产生基准算放大器和产生基准电流用的电阻电流用的电阻R1。当当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为： 7087018O221022iiiiiiREFfDDRVRv56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（ LSB）（ MSB）1415241

6、63Rf1RDAC0808 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）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。比例系数误差、失调误差、非线性误差。 此外，也可用此外，也可用D/A转换器的最小输出电压转换器的最小输出电压(数字量：数字量：00000001)与最大输与最大输出电压出电压(数字量：全数字量：全1）之比来表示分辨率，）之比来表示分辨率，N位位D/A转换器的分辨率可表示转换器的分辨率可表示为为 1/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3. 温度系数温度系数在输

7、入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。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一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/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，常用数字量的位输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位数表示数表示D

8、/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。vO= - KNB最小最小 vO= - KNB = - K1 最大最大 vO= - KNB = - K(2n-1)2(10BiniiDN9.2 A/D转换器转换器一一A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 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、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码

9、。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）oovtIv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）:当当vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经经Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。vO=vI=vC。当当vL返回低电平后，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的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。RRIvLvTAChvofitvIooLvt01tvI00110110vIt基本原理：基本原理：三三 并行比较型并行比较型A/D

10、转换器转换器3位并行比较型位并行比较型A/D转换器转换器CCCCCCC4CCCCO 4CCCRRRRRRRR/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O 7O 1O 2O 6O 5O 31762531234567IIIIIII7654321 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15

11、）VREF（ 1/15 3/15）VREF（ 3/15 5/15）VREF（ 5/15 7/15）VREF（ 7/15 9/15）VREF（ 9/15 11/15）VREF（ 11/15 13/15）VREF（ 13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1输输 入入输输 出出 EI I0 I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0G

12、S EO11111101111111111110000000100100101001101001001110110100111110001001111110101001111111100100111111111101P96集成优先编码器集成优先编码器7414874148（8 8线线-3-3线）线）二二 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器1 转换原理：转换原理：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：2 转换框图：转换框图：vIREFV169VREF1016设：vICvD/A 转换器转换

13、器移位寄存器移位寄存器数据寄存器数据寄存器REFVOv控制控制逻辑逻辑模拟量模拟量0D1D2DD3QQQ2Q13031Q0Q2QQvIREFV169VREF1016设： 3 逻辑电路逻辑电路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（ MSB）（ LSB）vIvOvC1GG12FF510111111010000REF168V1111REF1612V001010011111101

14、1010)2(2304OiiiREFDVv10100五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）和定时器、计数器（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-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vGT2T2ptv11T（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）

15、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： tdtvv0IO1 vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000REFVvI+T1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，被关闭，计数停止。计数停止。ICI1P2VTVTVn dtVVtvtt)(1)(21REFP2O 同时，同时，N级计数器又从级计数器又从0开始计数。开始计数。在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表

16、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。字量。0)(1)(21REFP2O dtVVtvtt I2REF2VTTVCn

17、T2=TC IREFC22VVTTn IREFC22VVTTn 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。压一定时，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，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

18、字。到的输出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。出数字量之间的差别。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。数字信号所经过的时间。 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转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。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