第12章模数与数模转换电路

1、数数 字字 电电 子子 技技 术术 基基 础础第第1212章章 模模/数与数数与数/模转换电路模转换电路12.1 概述概述12.2 D/A转换器转换器12.3 A/D转换器转换器12.4 本章小结本章小结第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.1 12.1 概述概述模数转换器模数转换器数模转换器数模转换器 模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电信号到数字电信号的转换。信号到数字电信号的转换。（Analog - Digital Converter），简称），简称A/D转换器转换器、ADC 数模转换器一般属于系统的后

2、级电路，完成数字电数模转换器一般属于系统的后级电路，完成数字电信号到模拟电信号的转换。信号到模拟电信号的转换。（Digital - Analog Converter），简称），简称D/A转换器转换器、DAC第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.2 12.2 D/A 转换器转换器12.2.1 12.2.1 D/A 转换原理转换原理d0d1dn-1DACuO或或iO例如：例如：DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 11113148212121)1101(0232 10O)2(niiiDku输出模拟电压输出模拟电压实际是实际是不连续

3、不连续的，而是由一系列的，而是由一系列“台阶电压台阶电压”组成。组成。 其最小单位就是输入其最小单位就是输入“0001”所对应的模拟电压大小，就所对应的模拟电压大小，就是是比例系数比例系数 k 的大小。的大小。MSB：输入：输入n位二进制数位二进制数 的最高位；的最高位；LSB：最低位；：最低位；FSR：最大输入数字量：最大输入数字量 “1111”。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 权电阻网络权电阻网络DAC1. 1. 电路结构电路结构000011112. 2. 工作原理工作原理3REF3dRVI )(20123FOIIIIRiRu 2REF22dR

4、VI 12REF12dRVI 03REF02dRVI )2222(2 )222(2001122334REF03REF12REF2REF3REFOddddVdRVdRVdRVdRVRu nnnnnnDVddddVu4REF00112211REFO2)2222(2 第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 权电阻网络权电阻网络DAC1. 1. 电路结构电路结构000011113. 3. 器件特点器件特点优点优点： 电路结构简单；电路结构简单； 转换速度也比较快。转换速度也比较快。缺陷缺陷： 电路中电阻大小各不相电路中电阻大小各不相同，且差异很大，转换器同，且差异

5、很大，转换器位数越大，这种差异就越位数越大，这种差异就越大。权电阻的阻值精度直大。权电阻的阻值精度直接限制了转换精度。同时接限制了转换精度。同时不利于集成化。不利于集成化。 电子开关的导通电阻和电子开关的导通电阻和导通压降都会影响转换精导通压降都会影响转换精度和转换速度。度和转换速度。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路二二. . 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络DAC1. 1. 电路结构电路结构RRRR11110000第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路2. 2. 工作原理工作原理)21212121(168420413223REF01

6、23ddddRVdIdIdIdIi )2222(2001122334REFOddddViRu 外接电压外接电压VREF输出的总电流：输出的总电流：RVIREF 3. 3. 器件特点器件特点只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。 倒倒 T 型电阻网络型电阻网络DAC的转换精度和转换速度，都优于权电的转换精度和转换速度，都优于权电阻网络阻网络DAC，许多型号的集成许多型号的集成DAC芯片都采用此结构。芯片都采用此结构。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路三三. . 其他类型其他类型DAC1. 1. 权电

7、流型权电流型DAC2. 2. 权电容型权电容型DAC3. 3. 双极性输出型双极性输出型DAC 电路结构与权电阻网络电路结构与权电阻网络DAC类似，类似，内部使用多个恒流源内部使用多个恒流源，其大小依次为前一个的一半，从而构成其大小依次为前一个的一半，从而构成“权结构权结构”。 仍采用权电阻网络仍采用权电阻网络DAC类似的电路结构，类似的电路结构，但用多个电容替但用多个电容替代了权电阻网络中的各电阻代了权电阻网络中的各电阻，且电容大小仍满足，且电容大小仍满足“权结构权结构”。 实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号转换为对应的模拟信

8、号，此时就需要使用双极性输出型转换为对应的模拟信号，此时就需要使用双极性输出型DAC。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.2.2 12.2.2 D/A 转换器的性能指标转换器的性能指标一一. . 转换精度转换精度表征表征DAC的理论转换精度。的理论转换精度。分辨率分辨率转换误差转换误差表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。1. 1. 分辨率分辨率DAC输入的最小有效数字输入的最小有效数字“0001”和最大有效数字和最大有效数字“1111”分别对应分别对应的输出模拟量的比值，即的输出模拟量的比值，即MSB和

9、和FSR对应的输出模拟量的比值对应的输出模拟量的比值。121)12(212REFREFFSRMSB nnnnVVVV121FSRMSB n分分辨辨率率n 位位DAC器件，常常直接把器件，常常直接把“2n”或者或者“n位位”称为分辨率。称为分辨率。例如：例如：8位位DAC的分辨率就是的分辨率就是 255，或者，或者8位。位。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 转换精度转换精度2. 2. 转换误差转换误差 转换误差是一个转换误差是一个综合性的静态指标综合性的静态指标，它通常包括，它通常包括比例系数误差比例系数误差、非线性误差非线性误差、漂移误差漂移误差等多

10、个成分，等多个成分，这些误差的这些误差的绝对值之和绝对值之和，就是，就是DAC的转换误差大小。的转换误差大小。 由于由于DAC电路内各环节不可避免地存在与理论性电路内各环节不可避免地存在与理论性能不一致的差异，因此能不一致的差异，因此实际的输出模拟量实际的输出模拟量和和理论输出理论输出量量之间存在一定误差，之间存在一定误差，这种误差的最大差值这种误差的最大差值称为称为DAC的转换误差。的转换误差。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路二二. . 转换速度（建立时间）转换速度（建立时间） DAC的的转换速度转换速度通常用通常用建立时间建立时间来描述，指从数字信号来描述

11、，指从数字信号输入输入DAC开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整个转换过程所需要的时间。个转换过程所需要的时间。建立时间建立时间 tset 的定量：的定量： 从输入数字量发从输入数字量发生突变开始，到输出生突变开始，到输出模拟量进入与稳态值模拟量进入与稳态值相差相差(1/2)LSB 范围范围以内的这段时间。以内的这段时间。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路现在常用的集成现在常用的集成DAC器件从内部组成上区分，有两大类：器件从内部组成上区分，有两大类： 内部只包含电阻网络（或恒流源网络、电容网络等）内部只包含电

12、阻网络（或恒流源网络、电容网络等） 和电子开关。和电子开关。 另一类内部还集成了运算放大器和参考电压源发生器。另一类内部还集成了运算放大器和参考电压源发生器。 使用时需要使用时需要外接运算放大器和参考电压源外接运算放大器和参考电压源，其，其转换转换速度相对较慢速度相对较慢，建立时间比第二类大一些。同时，要选，建立时间比第二类大一些。同时，要选用高稳定度的参考电压源和低漂移高精度的运算放大器，用高稳定度的参考电压源和低漂移高精度的运算放大器，以降低转换误差。以降低转换误差。使用更方便，转换速度也更快。使用更方便，转换速度也更快。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路

13、A / D转换器转换器（模数转换器）（模数转换器） （ADC）模拟信号模拟信号数字信号数字信号 直接直接ADC 间接间接ADC 通过一套基准电压与取样保持信号相比较，从而直接转换为通过一套基准电压与取样保持信号相比较，从而直接转换为数字量。一般而言，数字量。一般而言，转换速度较快转换速度较快，转换精度与基准电压设定精转换精度与基准电压设定精度有很大关系度有很大关系。常见的有。常见的有并联比较型并联比较型ADC、逐次逼近型逐次逼近型ADC 等。等。 将输入的模拟信号首先转换为与其成正比的时间或频率，然将输入的模拟信号首先转换为与其成正比的时间或频率，然后再以某种方式将中间量转换为数字量，也常称为

14、后再以某种方式将中间量转换为数字量，也常称为计数式计数式ADC。可实现可实现很高的转换精度很高的转换精度，但，但转换速度往往不如直接转换速度往往不如直接ADC。常见。常见的有的有双积分型双积分型ADC（V-T 变换型）变换型）、V-f 变换型变换型ADC等。等。12.3.1 12.3.1 D/A 转换原理转换原理12.3 12.3 A/D 转换器转换器第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . A / D 转换原理转换原理取样取样保持保持量化量化编码编码量化编码量化编码 电路电路uI(t)模拟信号模拟信号u I(t)数字信号数字信号dn-1d1d0取样保持取样

15、保持 电路电路第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路1. 1. 取样和保持取样和保持取样保持取样保持 电路电路tuStuItu I1取样取样保持保持第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路tu I取样定理取样定理fS 2 fImax 在取样间隔内在取样间隔内完成对应的量化和完成对应的量化和编码，输出对应的编码，输出对应的数字信号。数字信号。ImaxS)53(ff 第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路取样取样- -保持电路保持电路 取样过程取样过程取样脉冲取样脉冲 S(t) = 1期间：期间：CuIuOuCVTA

16、S(t) VT导通，输入模拟信号导通，输入模拟信号uI (t)经经VT向电容向电容C充电。充电。 电容的电容的充电时间常数远小于取样脉冲脉宽充电时间常数远小于取样脉冲脉宽，则电容电压，则电容电压uC (t)在取样期间完全可以跟上输入信号在取样期间完全可以跟上输入信号uI (t)的变化，的变化，uO (t) = uI (t) 。 保持过程保持过程取样脉冲取样脉冲 S(t) = 0期间：期间： VT截止，则电容电压截止，则电容电压uC (t)将保持为前一个瞬间将保持为前一个瞬间uI (t)的数值，的数值，相应的输出信号也保持为该数值不变，直到下一次取样时刻的相应的输出信号也保持为该数值不变，直到下

17、一次取样时刻的到来。到来。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路2. 2. 量化和编码量化和编码 tu I量化单位量化单位 输出输出 n 位数字信号位数字信号“0001”0001”对应的输入模对应的输入模拟电压，是量化的最小数量单位。拟电压，是量化的最小数量单位。0 V1/8 V3/8 V5/8 V6/8 V7/8 V 1 V4/8 V2/8 V输入输入0 01V1V输出输出3 3位代码位代码000001010011100101110111V 81 1 2 3 4 5 6 7 0001010011100101110111000第第1212章章 模模/ /数与数数与数

18、/ /模转换电路模转换电路0000101001011101110110010000101001011101110110011/15 V5/15 V9/15 V11/15 V13/15 V7/15 V3/15 V0 V1/8 V3/8 V5/8 V6/8 V7/8 V 1 V4/8 V2/8 V模拟模拟信号信号二进制二进制 代码代码0 = 0 V1 =1/8 V2 =2/8 V3 =3/8 V4 =4/8 V5 =5/8 V6 =6/8 V7 =7/8 V 代表的代表的模拟电压模拟电压二进制二进制 代码代码0 V 1 V模拟模拟信号信号V 81 V 811 V 152 V 15121 舍去法舍去

19、法0 =0 V1 =2/15 V2 =4/15 V3 =6/15 V4 =8/15 V5 =10/15 V6 =12/15 V7 =14/15 V 代表的代表的模拟电压模拟电压四舍五入法四舍五入法量化方式与量化误差量化方式与量化误差第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路取样取样保持保持量化量化编码编码时间上离散时间上离散幅值上离散幅值上离散幅值归并幅值归并代码赋值代码赋值取样定理取样定理量化编码的量化编码的 工作区间工作区间量化方式量化方式量化误差量化误差最终数字化最终数字化 对工作过程的理解对工作过程的理解总总 结结第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模

20、转换电路模转换电路二二. . 并联比较型并联比较型ADC1. 1. 电路结构电路结构2. 2. 工作原理工作原理REFIREF153151VuV 100000000010101100第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路uI Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1d2 d1 d0O O O O O O O O O O O O O OO O O O O O O O O O O O 1 1O O O O O O O O O O 1 1 1 1O O O O O O O O 1 1 1 1 1 1O O O O O O 1 1 1 1 1 1 1 1O O O O 1

21、1 1 1 1 1 1 1 1 1O O 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1O O O O O OO O O O 1 1O O 1 O 1 OO 1 1O 1 11 O 1 O O O1 1 O O 1 11 1 1 1 O O1 1 1 1 1 1REF )157155(VREF )1510(VREF )153151(VREF )155153(VREF )11513(VREF )159157(VREF )1511159(VREF )15131511(V代码转换表代码转换表第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模

22、转换电路3. 3. 器件特点器件特点 并联比较型并联比较型ADC的的最显著优点是转换速度快最显著优点是转换速度快，转换时，转换时间间纳秒（纳秒（ns）级）级，并且，如果增加输出代码位数，对转换，并且，如果增加输出代码位数，对转换时间的影响很小。时间的影响很小。 转换精度主要取决于量化电平的划分转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细（即，分得越细（即越小），精度越高。此外，转换精度还受分压电阻和外越小），精度越高。此外，转换精度还受分压电阻和外接参考电平的精度、电压比较器的灵敏度的影响。接参考电平的精度、电压比较器的灵敏度的影响。 并联比较型并联比较型ADC的的主要缺点是使用的比较器和触发器

23、主要缺点是使用的比较器和触发器太多太多，并且，随着输出代码位数的增加，数量还会急剧增，并且，随着输出代码位数的增加，数量还会急剧增加。加。 综上所述，综上所述，并联比较型并联比较型ADC适用于要求转换速度很高，适用于要求转换速度很高，但转换精度不太高的场合但转换精度不太高的场合。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路三三. . 逐次逼近型逐次逼近型ADC1. 1. 电路结构电路结构uOCDAC逐次渐进逐次渐进 寄存器寄存器输入模拟输入模拟信号信号uI转换控制转换控制信号信号uLCLK(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)并并行行数数字字输输出出 开始转换前，开始转

24、换前， 先将寄存器。先将寄存器。 uL 有效时，开始有效时，开始转换，寄存器的最转换，寄存器的最高位置高位置1，输出为，输出为100，并被，并被DAC转转换为对应的模拟电换为对应的模拟电压压uO，送入电压比，送入电压比较器较器C，与，与uI 比较。比较。 如果如果uO uI ：则去掉对应的：则去掉对应的1； 如果如果uO uI ：则保留对应的：则保留对应的1。 然后以相同的方法将寄存器输出状态的次高位置然后以相同的方法将寄存器输出状态的次高位置1，并继续，并继续 比较比较,确定是否该保留这个确定是否该保留这个1。 按上述方法逐位比较，直到最低位比较完为止。按上述方法逐位比较，直到最低位比较完为

25、止。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路 用天平秤重过程比喻说明。四个砝码重量用天平秤重过程比喻说明。四个砝码重量分别为分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 5克，克，可以用下表步骤秤量：可以用下表步骤秤量： 4 g4 g + 2 g 4 g + 1 g8 g8g 5g ，4g 5g，5g 5g，0 g4 g4 g5 g撤去撤去保留保留撤去撤去保留保留234 1暂时结果暂时结果砝砝 码码 重重比比 较较 判判 断断顺顺 序序n 位位计满只需计满只需 n 个个CLK2. 2. 工作原理工作原理第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电

26、路模转换电路3位：位：5个个CLKn位位: (n+2)个个CLKVR第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路转换开始前转换开始前各触发器状态各触发器状态放哪一放哪一个砝码个砝码砝码是砝码是否保留否保留试探电压试探电压待转换待转换模拟电压模拟电压VR10010101000第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路VR -8V100101010005. 5V第第1个个CLK 来到后来到后各触发器状态各触发器状态?000第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路VR -8V5. 5V01100?01000?0004V000第第

27、1个个CLK 来到后来到后各触发器状态各触发器状态第第2个个CLK 来到后来到后各触发器状态各触发器状态?000第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路VR -8V5. 5V0101100 0010?6V1100第第2个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态第第3个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态?000第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路VR -8V5. 5V0011010005V？0000？00第第3个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态第第4个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态?000第第1212

28、章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路VR -8V5. 5V第第4个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态5V01000001100000011第第5个个CLK来到后来到后各触发器状态？各触发器状态？0第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路VR -8V100101010005. 5V第第5个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态000第第6个个CLK来到后来到后各触发器状态各触发器状态?3位转换只需位转换只需5个个CLK时间时间n 位转换只需位转换只需n +2个个CLK时间时间011第二次转换第二次转换5V0第第1212章章 模模/ /数

29、与数数与数/ /模转换电路模转换电路3. 3. 器件特点器件特点 n 位逐次逼近型位逐次逼近型ADC，完成一次转换需要，完成一次转换需要n +2个时钟个时钟信号周期信号周期的时间，转换速度要慢一些，属于的时间，转换速度要慢一些，属于中速中速ADC。而。而并联比较型并联比较型ADC一般都是高速一般都是高速ADC。 当输出数字量位数较高时，逐次逼近型当输出数字量位数较高时，逐次逼近型ADC的电路规的电路规模比并联比较型模比并联比较型ADC小很多，小很多，更适于集成更适于集成，可以，可以用于实现用于实现高分辨率高分辨率ADC，而，而转换误差也易于控制转换误差也易于控制。逐次逼近型逐次逼近型ADC是目

30、前集成是目前集成ADC产品中应用最广泛产品中应用最广泛的形式。的形式。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路四四. . 双积分型双积分型ADC1. 1. 电路结构电路结构1. 1. 工作原理工作原理第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路3. 3. 器件特点器件特点 双积分型双积分型ADC的的最显著优点是工作性能稳定，转换精最显著优点是工作性能稳定，转换精度高度高。转换结果与。转换结果与R、C 的具体数值无关，而且其数值误差的具体数值无关，而且其数值误差也不会影响转换精度。也也不会影响转换精度。也不要求使用高稳定度的时钟信号不要求使用高稳定

31、度的时钟信号源源，只要求时钟信号源在一个转换周期内（即两次积分过，只要求时钟信号源在一个转换周期内（即两次积分过程中），保持稳定即可。程中），保持稳定即可。 双积分型双积分型ADC的的另一个优点是抗干扰能力强另一个优点是抗干扰能力强，对交流，对交流噪声有很强的抑制能力，电路结构也相对简单。噪声有很强的抑制能力，电路结构也相对简单。 综上所述，综上所述，双积分型双积分型ADC主要适用于要求转换精度很主要适用于要求转换精度很高，但转换速度要求不高的场合高，但转换速度要求不高的场合。 双积分型双积分型ADC的的主要缺点是工作速度低主要缺点是工作速度低，目前常见的，目前常见的单片产品的转换速度一般都在

32、每秒几十次以内。单片产品的转换速度一般都在每秒几十次以内。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.3.2 12.3.2 A/D 转换器的性能指标转换器的性能指标一一. . 转换精度转换精度1. 1. 分辨率分辨率 ADC的分辨率以的分辨率以输出二进制数或十进制数的位数输出二进制数或十进制数的位数表示，表示，用来说明用来说明ADC对输入模拟信号的分辨能力，是对输入模拟信号的分辨能力，是ADC在理论上在理论上能达到的转换精度。能达到的转换精度。3位半十进制位半十进制 例如：输出信号为例如：输出信号为 n 位二进制数字量的位二进制数字量的ADC，能分辨的，能分辨的输入电压的最小差异为输入电压的最小差异为 (1/2n)FSR（最大量程的最大量程的1/2n）。）。4位半十进制位半十进制输出十进制数可以从输出十进制数可以从0到到1999输出十进制数可以从输出十进制数可以从0到到19999第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 转换精度转换精度2. 2. 转换误差转换误差具体表示时：具体表示时： ADC的转换误差一般的转换误差一般以最低有效位以最低有效位LSB的倍数给出。的倍数给出。