数电数~模转换器

1、18 数数/模与模模与模/数转换数转换基本要求：基本要求： 1、了解典型的、了解典型的D/A和和A/D转换器的电路结构，理解其转换器的电路结构，理解其工作原理及应用；工作原理及应用； 2、了解、了解D/A和和A/D转换器的主要性能指标。转换器的主要性能指标。1、电信号分类：电信号分类：l模拟信号：时间上、数值上均连续；模拟信号：时间上、数值上均连续；l数字信号：时间上、数值上均离散；数字信号：时间上、数值上均离散；l采样（取样）信号：时间上离散、数值上连续。采样（取样）信号：时间上离散、数值上连续。8.1概述概述2 能将数字信号转换成模拟信号的电路，称为数能将数字信号转换成模拟信号的电路，称为

2、数/模转模转换器，简称换器，简称D/A 转换器。转换器。 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模/数转数转换器，简称换器，简称A/D转换器。转换器。 沟通模拟电路与数字电路的桥梁，是计算机和许沟通模拟电路与数字电路的桥梁，是计算机和许多电子系统中不可或缺的接口电路。多电子系统中不可或缺的接口电路。完整的电子系统通常是模拟数字混合系统。完整的电子系统通常是模拟数字混合系统。3、D/A和和A/D转换器的功用转换器的功用2、D/A和和A/D转换器转换器3(1) 自动控制系统自动控制系统被控被控物理量物理量传感器传感器模拟模拟信号信号A/D转换器转换器数字数字

3、信号信号DSPD/A转换器转换器模拟模拟信号信号驱动驱动执行机构执行机构(2) 数字测量仪表数字测量仪表数字信号处理数字信号处理衰减器衰减器或放大器或放大器被测被测物理量物理量传感器传感器模拟模拟信号信号A/D转换器转换器数字数字信号信号计数译码计数译码显示显示4 模模拟拟信信号号 放放大大 A/D 编编码码 调调制制 发发射射 解调解调 解码解码 D/A 放大放大 执行执行 (3)数据传输系统数据传输系统接收端：接收端：发送端：发送端：58.2 D/A转换器转换器一、实现一、实现D/A转换的基本思路：转换的基本思路：数字量是用代码按数位组合起来表示的，每位代码数字量是用代码按数位组合起来表示

4、的，每位代码都有一定的权（有权码），都有一定的权（有权码），要把数字量转换成与之成正比的模拟量，要把数字量转换成与之成正比的模拟量，2)将每一位数字量转换成的模拟量相加。将每一位数字量转换成的模拟量相加。即可得到与数字量成正比的总模拟量。即可得到与数字量成正比的总模拟量。必须：必须：1)用一个解码网络来分配各位的权，将每一位代用一个解码网络来分配各位的权，将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量；码按其权的大小转换成相应的模拟量；8.2.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理6二、二、n位位D/A转换器的方框图：转换器的方框图：n位数字位数字量输入量输入数码数码寄存器寄存器n位模拟位模拟开关

5、开关解码解码网络网络求和求和电路电路模拟量模拟量输出输出基准电压基准电压三、三、 D/A转换器的分类：转换器的分类：按解码网络的结构分按解码网络的结构分权电阻网络型权电阻网络型T形电阻网络型形电阻网络型倒倒T形电阻网络型形电阻网络型权电流型权电流型权电容网络型权电容网络型开关树型开关树型7按模拟电子开关分按模拟电子开关分CMOS开关开关D/A转换器转换器双极型开关双极型开关D/A转换器转换器电流开关型电流开关型ECL电流开关型电流开关型非饱和型高速数非饱和型高速数字集成电路字集成电路转换速度较低转换速度较低转换速度较高转换速度较高8.2.3 倒倒T形电阻网络型形电阻网络型D/A转换器转换器一、

6、原理电路一、原理电路（以（以4位位D/A转换器为例）转换器为例）介绍预备知识：介绍预备知识：集成运算放大器的线性运用集成运算放大器的线性运用 运算放大器运算放大器:具有高输入阻抗、低输出阻抗、高具有高输入阻抗、低输出阻抗、高增益、低漂移的直耦式多级放大器。增益、低漂移的直耦式多级放大器。8C+v vIPv vINv vO同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端i idv vd集成运放线性运用时的两个重要法则：集成运放线性运用时的两个重要法则：1、虚短：虚短：两输入端的电位两输入端的电位差为零。差为零。即：即： v vd = v vIP - v vIN =02、虚断：虚断：流入两输入端流入两输入

7、端的电流为零。的电流为零。即：即： i id =0 i id =0i iF = i i1 v vP = v vN =0 v vO = - i iFRFC+v vIv vOR1RFi i1i iFv vPv vNi idv vd910.1.2D0D3 :待转换的数字信号；待转换的数字信号； v vo :模拟电压输出；模拟电压输出；R-2R：组成倒组成倒T型电阻解码网络；型电阻解码网络；+ VREF :基准电压；基准电压；S0 S3 :受受Di 控制的模拟开关，当控制的模拟开关，当Di =1时，时， Si打向右侧，与打向右侧，与运放运放A的反相输入端相连；当的反相输入端相连；当Di =0时，时，

8、Si打向左侧，与运打向左侧，与运放放A的同相输入端相连；的同相输入端相连；运放运放A:组成求和及电流组成求和及电流-电压转换电路电压转换电路(外接外接)。P257 图图8-2-410AABBCCDD 1、根据运放、根据运放A线性运用时的虚短线性运用时的虚短（现为虚地）（现为虚地）法则，法则，无论无论Si打向何处，与之相连的打向何处，与之相连的2R电阻均接电阻均接“地地”；即流；即流经经2R电阻的电流与电阻的电流与Si的位置无关。的位置无关。 2、则从、则从D、C、B、A向左看的二端网络的等效电阻向左看的二端网络的等效电阻均为均为R。二、工作原理：二、工作原理：则，从基准电压源提供的总电流则，从

9、基准电压源提供的总电流I=VREF/R；11AABBCCDD3、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。即：流入各开关支路的电流（从右至左）分别为即：流入各开关支路的电流（从右至左）分别为I/2、 I/4 、 I/8 、 I/16 。4、总电流为、总电流为)2(2)2222(30413223140iiiREFREFDRVDDDDRVi5、输出模拟电压为、输出模拟电压为)2(2304iiiREFffoDVRRRiv12 6、将输入数字量扩展到、将输入数字量扩展到n位，则，倒位，则，倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字

10、量的一般关系式为：转换器输出模拟量与输入数字量的一般关系式为：BiniinREFffoKNDVRRRiv)2(210nREFfVRRK2其中其中n位二进制数对应位二进制数对应的十进制数的十进制数)2(10niiiBDNv vo NB若取若取 Rf=R，则，则nREFVK2BnREFiniinREFfoNVDVRiv2)2(210比例系数比例系数131、各支路电流直接流入运放的输入端，之间不存在传、各支路电流直接流入运放的输入端，之间不存在传输上的时间差，所以转换速度较快；输上的时间差，所以转换速度较快；2、模拟开关在地、模拟开关在地-地之间转换，减少了动态过程中输出地之间转换，减少了动态过程中

11、输出端可能出现的尖脉冲。端可能出现的尖脉冲。常用集成电路有：常用集成电路有：AD7520（10位）、位）、AD7533 （10位）等位）等三、倒三、倒T形电阻网络型形电阻网络型D/A转换器的特点转换器的特点是目前广泛应用的转换速度较快的是目前广泛应用的转换速度较快的D/A转换器转换器14AD7533D/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 AD7533 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放， 2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈

12、电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻也可采用外接电阻10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR BREFiiiREFNVDV1090102)2(2取取 Rf=R时时若用不完若用不完10位，则位，则多余的高位输入端多余的高位输入端Di要全部接地！要全部接地！15四、四、CMOS模拟开关电路模拟开关电路(不讲不讲)T1T3：电平移动电路，使输入端可与：电平移动电路，使输入端可与TTL电平兼容，电平兼容，T4T5和和T6T7组成两个反相器，分别作为模拟开关管组成两个反相器，分别作为模拟开关管T8T9的驱动电路；的驱动电路；T8T9构成单刀双

13、掷开关。构成单刀双掷开关。附带提醒：附带提醒：若实际输入数字量少于若实际输入数字量少于10位，对多余输入端如何处理？位，对多余输入端如何处理？100101增强型增强型P型沟道型沟道增强型增强型N型沟道型沟道增强型增强型N型沟道型沟道多余的高位输入端全多余的高位输入端全部接地！部接地！9.1.616五、为提高转换精度，对电路参数的要求五、为提高转换精度，对电路参数的要求（1）基准电压的稳定性要好；）基准电压的稳定性要好；（2）倒）倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R阻值比值的精度要高；阻值比值的精度要高；（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）模拟开关的导

14、通电阻应按）模拟开关的导通电阻应按2的整数倍递增。的整数倍递增。倒倒T形电阻网络型形电阻网络型D/A转换器对元件参数要求高！转换器对元件参数要求高！178.2.4 权电流型权电流型D/A转换器转换器（P259图图8-2-6） 用一组恒流源代替倒用一组恒流源代替倒T形电阻网络，恒流源从高位到形电阻网络，恒流源从高位到低位依次为低位依次为I/2、 I/4、 I/8、 I/16。 则，各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的则，各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的影响，即降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。影响，即降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。MSBLSB188.2.4 权电流

15、型权电流型D/A转换器转换器（P259图图8-2-6）MSBLSB012316842DIDIDIDIRRivffO00112233422222DDDDRIf30422iiifDRI1900112233422222DDDDRIvfo实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路REF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDD电压恒定电压恒定各各BJT的的 发射发射结电压相等结电压相等基准电流产生电路基准电流产生电路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB I

16、EC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 电电 流流 16I + +多发射极多发射极三极管三极管208.2.5 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式一、单极性输出一、单极性输出: 若输入二进制数的每一位都是数字位，即均为正若输入二进制数的每一位都是数字位，即均为正数，输出模拟电压为数，输出模拟电压为0V满度值。满度值。 则，选择不同的电路形式或不同的参考电压极性则，选择不同的电路形式或不同的参考电压极性即可实现。即可实现。1、反相电压输出、反相电压输出

17、v vo=i iRf倒倒T型型电阻网络电阻网络D/A.D0D1Dn-1VREFRfv voAI212、同相电压输出、同相电压输出v vo= i iR（1+R2/ R1）8位单极性输出位单极性输出D/A的输入的输入/输出关系输出关系见见P261表表8-2-1I倒倒T型型电阻网络电阻网络D/A.D0D1Dn-1VREFR2v voAR1R22 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV表表8-2-1 8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系0000000010000000111

18、11110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB)256255(maxREFoVv)2561(minREFoVv23 输入的数字量有正负极性，则输出的模拟电压也有正输入的数字量有正负极性，则输出的模拟电压也有正负极性，即从负极性，即从满度值满度值 +满度值。满度值。双极性双极性D/A转换常用的编码方式有：转换常用的编码方式有：2的补码、偏移二进制码、符号的补码、偏移二进制码、符号-数值码等数值码等二、双极性输出二、双极性输出 在二进制算术运算中，通常把带符号的数值表示为补在二进制算术运算中，通常把带符号的数值表示为补码的形式，故介绍输入为码的形

19、式，故介绍输入为2的补码的正负数转换为正负极的补码的正负数转换为正负极性的模拟电压输出的情况。性的模拟电压输出的情况。 P261表表8-2-2 列出了列出了8位位2的补码、偏移二进制码与输的补码、偏移二进制码与输出模拟量之间的关系出模拟量之间的关系1、偏移二进制码：、偏移二进制码：24十进十进制数制数2的补码的补码D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0偏移二进制码偏移二进制码D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量模拟量v vO/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 0

20、12610 0 0 0 0 0 0 1100 0 0 0 0 0 0 00-11 1 1 1 1 1 1 1-1-1271 0 0 0 0 0 0 1-127-1281 0 0 0 0 0 0 0-1281 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0表表8-2-2常用双极性编码常用双极性编码注注: 其中其中VLSB=VREF/256注意注意0值代码的区别！值代码的区别！25注意注意:n位位2的补码只有的补码只有n-1位数值码，最高位是符号位。位数值码，最高位是符号位。符号位为符号位为0，表示

21、正数，正数和，表示正数，正数和0的补码与原码相同！的补码与原码相同！符号位为符号位为1，表示负数，负数的补码为反码加，表示负数，负数的补码为反码加1。什么是偏移二进制码？什么是偏移二进制码？ 则，偏移后的数中，只有大于则，偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于的才是正数，而小于128的数为负数。的数为负数。比较表比较表8-2-2可知，可知，8位偏移二进制码是把位偏移二进制码是把8位二进制补位二进制补码对应的模拟量的零值偏移至码对应的模拟量的零值偏移至80H。即每个二进制码。即每个二进制码加加80H，即，即27。80H是十六进制数，等于是十六进制数，等于16 8 =128=27=1000

22、0000B若是若是n位二进制码，则是偏移位二进制码，则是偏移2n-1，并舍弃进位。，并舍弃进位。最简的偏移方法：最简的偏移方法：将将2的补码的符号位求反！的补码的符号位求反！？26(1)首先将首先将n位位2的补码的补码NB转换为转换为n位偏移二进制码；位偏移二进制码；(2)将将n位偏移二进制码作为单极性位偏移二进制码作为单极性D/A转换器的输入；转换器的输入；(3)从单极性从单极性D/A转换器的输出电压中减去偏移量对应的模转换器的输出电压中减去偏移量对应的模拟电压拟电压2221REFREFnnVV3、双极性输出的、双极性输出的D/A转换器电路转换器电路:运放运放A2组成反相求和电路组成反相求和

23、电路,2、将、将2的补码转换为双极性模拟电压的方法：的补码转换为双极性模拟电压的方法：8位倒位倒T型电阻型电阻网络网络D/AVREFD7D6D5. D0(补码补码)NBRf=R2R1R1R1i iv v1v voA1A2+27REFoVvv2112)22(1REFREFnnBVVNREFnBVN28位倒位倒T型电阻型电阻网络网络D/AVREFD7D6D5. D0NBRf=R2R1R1R1i iv v1v voA1A2+288.2.6 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标一、转换精度一、转换精度1、分辨率：、分辨率：用于表征用于表征D/A转换器对输入量微小变化的转换器对输入量微小变化的

24、敏感程度，定义为敏感程度，定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。的等级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越个模拟输出电压。位数越多多D/A转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。分辨率分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输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。出电压之比给出。n位位D/A转换器的分辨率的转换器的分辨率的理论理论精度精度可表示为可表示为121n29(1)比例系数误差比例系数误差基准电压偏离标准值引基准电压偏离标准值引起的误差。起的误差。比例系数误差比例系数误差实际实际理想理想2、转换误差：、转换误差： 指

25、对给定的数字量，指对给定的数字量，D/A转换器实际值与转换器实际值与理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。 产生原因：产生原因：由于由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基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零漂等各种因素的影响。准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。 几种转换误差：几种转换误差： 比例系数误差、比例系数误差、 失调误差、失调误差、 非线性误差等非线性误差等30(2)失调误差失调误差由由集成运集成运放的零漂等引起的误差。放的零漂等引起的误差。(3)非线性非线性误差误差因素较多因素较多（如：解码网络的模拟开关（如：解码网络的模拟开关

26、的导通压降、导通电阻不同的导通压降、导通电阻不同等）等）失调或漂移误差失调或漂移误差理想理想实际实际非线性非线性误差误差311 1、D/A转换器转换器的建立时间的建立时间(t(tsetset) )二、二、D/A转换器转换器的转换速度的转换速度 输入数字量输入数字量NB从全从全0转到全转到全1时，输出电压达到规定的误时，输出电压达到规定的误差范围差范围(LSB/2)时所需的时间。时所需的时间。32结论：结论： 要获得高精度要获得高精度D/A转换器，转换器，不仅要选择位数较多不仅要选择位数较多的高分辨率的高分辨率D/A转换器，转换器，还要选用高稳定度的基准还要选用高稳定度的基准电压和低零漂的集成运放与之配合。电压和低零漂的集成运放与之配合。2、转换速率、转换速率(SR)在大信号工作状态下，用模拟电压的变化率来表示。在大信号工作状态下，用模拟电压的变化率来表示。338.2.7 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用(1) 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 a.D/A转换器与集成运放接成反相比例放大器；转换