数字逻辑设计基础第11章课件

1第11章数模和模数转换器2022/11/1811第11章数模和模数转换器2022/11/101222022/11/18赖祖亮@小木虫1了解数模转换器和模数转换器的基本工作原理及其分类234掌握数模转换器和模数转换器的参数指标进行应用设计时，能够根据参数指标进行器件选型能够使用典型数模及模数转换器件进行常规模数与数模接口电路设计本章目标222022/11/10赖祖亮@小木虫1了解数模转换器和模数332022/11/18随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。模数和数模转换器是一种在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路引言332022/11/10随着数字技术，特别是信息技术的飞速发集成ADC及其应用模数转换器（ADC）集成DAC及其应用数模转换器（DAC）

概述内容提要集成ADC及其应用模数转换器（ADC）集成DAC及其应用数模552022/11/18在数字系统内部，只能对数字信号进行处理，而自然界的电压、电流、声音、图像、温度、压力等实际信号大多是连续变化的模拟信号，因此，必须把这些模拟量转换成数字量才能由数字系统进行处理，这种将模拟信号转换成数字信号的过程称为“模数转换”。经数字系统处理后的数字量，如用于控制调节电机转速、合成函数信号、数字音频功放等场合，又常常要求将其转换为模拟量

，这种将数字信号转换成模拟信号的过程称为“数模转换”。完成模数转换的电路称为模数转换器，简称ADC（AnalogtoDigitalConverter）；完成数模转换的电路称为数模转换器，简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）；ADC和DAC是数字系统与模拟系统及自然界的关键接口部件。11.1概述552022/11/10在数字系统内部，只能对数字信号进行处662022/11/18数字系统结构框图662022/11/10数字系统结构框图772022/11/18关键术语分辨率：指DAC能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高转换误差：转换误差是指DAC输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。11.2数模转换器（DAC）

转换时间：转换时间是指DAC在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。根据位权网络不同，DAC可分为权电阻网络DAC、R-2R倒T形电阻网络DAC和权电流型网络DAC772022/11/10关键术语分辨率：指DAC能够转换的二882022/11/1811.2.1数模转换的表示数字量通常是用有权代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有固定的“权”，大多采用二进制码，DAC实际上就是将输入的二进制码（数字量）转换为相应的模拟电压输出，二者的大小成正比，数模转换器的输出电压Vo与数字量的一般关系式为：常数k为比例系数，

为二进制数按位权展开所对应的十进制数值。882022/11/1011.2.1数模转换的表示数字量通常9两个相邻二进制数码转换出的模拟电压值实际上并不连续，其电压差值由最低码位所代表的位权值决定。FSR（FullScaleRange）：是最大输入数字量时的最大电压输出值，即11…11所对应的十进制值乘以系数k的结果。LSB(LeastSignificantBit)：是信息所能分辨的最小量，即00…01所对应的十进制值乘以系数k的结果。数字量代表的模拟电压实际上是离散的9两个相邻二进制数码转换出的模拟电压值实际上并不连续，其电压104位DAC的转换关系对照表104位DAC的转换关系对照表112022/11/184位DAC的转换关系曲线112022/11/104位DAC的转换关系曲线12122022/11/1812.2.2DAC的一般构成DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成数字寄存器用于存放待转换的数字量，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由求和运算放大器对各电流值求和，并转换成模拟电压值。12122022/11/1012.2.2DAC的一般构成13电路结构111.2.3权电阻网络DAC

20R、21R、22R、…

，构成的电阻网络称为权电阻某位权电阻的阻值大小和该位的权值成反比，相邻低位权电阻值是其高位电阻值的2倍。电流差1/2，由运算放大器求和，转换成对应的模拟电压值13电路结构111.2.3权电阻网络DAC20R、2114工作原理2运算放大器的∑点是虚地，该点电位总是近似为零。假设输入是n位二进制数，因此当任一位的Di=0，经电子开关Si使该位的权电阻

接地时，因

两端电位相等，故流过该电阻的电流Ii=0，而当

Di=1，Si使该电阻接VREF时，

对于受

Di位控制的权电阻流过的电流为当

Di=0，

则Ii=0，根据叠加定理，通过各权电阻的电流之和为：14工作原理2运算放大器的∑点是虚地，该点电位总是近似为零15因运算放大器的故得到输出电压：若取=R/2，则15因运算放大器的故得到输出电压：若取=R/2，则16在权电阻网络DAC中，n=4，设VREF=-10V，RF=R/2，试求：

（1）当输入数字量D3D2D1D0=0001时，输出电压的值；（2）当输人数字量D3D2D1D0=1001时，输出电压的值；（3）当输入数字量D3D2D1D0=1111时，输出电压的值。（1）（2）（3）显然，输出电压的范围是0~9.375V，且相邻两个二进制数码所对应的模拟电压差值Δ为1LSB，即0.675V例316在权电阻网络DAC中，n=4，设VREF=-10V，RF17其他类型的DAC4权电阻DAC的优点是电路简单，转换速度也比较快；其转换精度取决于VREF、权电阻精度及模拟电子开关若各个电阻的阻值相差较大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，难以保证对电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，也不利于集成化因此权电阻DAC并不单独使用，而是将其权电阻网络由相应的权电流网络替换，以保证转换精度，即权电流型网络DACR-2R倒T型电阻网络DAC克服了权电阻网络带来的较大误差，结构简单、工作速度块，得到广泛应用17其他类型的DAC4权电阻DAC的优点是电路简单，转换速度18R-2R倒T型电阻网络DAC电路原理图因运算放大器的Σ点为虚地，故不论输入数字量D取值为0还是1，对于R-2R电阻网络来说，各2R电阻的均上端相当于接地，所以依次从网络的各节点向做看的对地电阻都是2R18R-2R倒T型电阻网络DAC电路原理图因运算放大器的Σ19因此在网络中的电流分配如图中标注，由基准电源VREF流出的总电流I，每经过一个2R电阻就被分流一半，这样流过n个2R电阻的电流分别是I/2、I/4、……、I/（n-1）n个电流是流入地，还是流向运算放大器，由输入数字量D控制的电子开关S决定，因此运算放大器的总输出电压：相邻两个二进制数码所对应的模拟电压差值Δ实际上取决于VREF及DAC的位数，VREF越小，Δ就越小；同时，DAC的位数越多，Δ也越小。Δ越小，越逼近真实的模拟电压值19因此在网络中的电流分配如图中标注，由基准电源VREF流出20衡量一个D/A转换器的性能的主要参数有分辨率、转换误差和转换时间是指DAC能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高一般用DAC的位数来衡量分辨率的高低，因为位数越多，其输出电压V0的取值个数就越多(2n个)，也就越能反映出输出电压的细微变化，分辨能力就越高分辨率

111.2.4

DAC的主要参数分辨率为DAC最低位有效数字量(00…01)对应输出的模拟电压与最大数字量(11…11)对应的输出模拟电压V0的比值。20衡量一个D/A转换器的性能的主要参数有分辨率、转换误差和21转换误差是指DAC输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值，反映了当数字量变化时，DAC输出的模拟量按比例关系变化的程度模拟电子开关的导通电阻和导通压降以及R、2R电阻值的偏差会导致非线性误差基准电压VREF和运算放大器的增益不稳定会导致增益误差（比例系数误差）转换误差2求和运算放大器的零点漂移会导致漂移误差（平均误差）为了实现高精度的D/A转换，应选用低漂移高精度的运算放大器，采用高稳定度的VREF，选用高分辨率DAC21转换误差是指DAC输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差22转换时间是指DAC在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。这个时间越短，器件的工作速度越高。转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在FSR土(1／2)LSB范围内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。转换时间3电流型D/A转换较快，一般在几ns到几百ns之间。电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。例如10位D/A转换器AD7520的建立时间不大于500ns22转换时间是指DAC在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达23232022/11/1811.3集成DAC及其应用DAC广泛用于各种数模接口的系统中，如用于构成数控电压或电流源、数字衰减器、数控增益放大器、频率合成器、可编程有源滤波器、数控频率波形发生器等。下面给出了DAC应用的两个常见领域11.3.1集成DAC在数字系统中的应用数字系统的输出通道1如：电机转速控制，采用低速DAC，如DAC0832；

数字音频回放，采用音频DAC，如AD1861；

23232022/11/1011.3集成DAC及其应用DA24波形发生器

2DAC以直接模拟量的方式所合成的周期性波形的实现过程就称为DDS（直接数字式频率合成器）。DDS可以灵活地产生锯齿波、正弦波、特殊形状波形等任意波形，这种技术已获得广泛应用。

24波形发生器2DAC以直接模拟量的方式所合成的周期性波形25几种典型的DAC指标参数11.3.2集成DAC的选型原则25几种典型的DAC指标参数11.3.2集成DAC的选型原【例1】AD7524实现数模转换11.3.3集成DAC应用实例电位器RP1、RP2、RP3用于电路校准片选和写有效控制数字量输入当输入最小数字量“00000000”时，输出的电压模拟量应为0，若不为0，可调节调零电位器RP3，使输出为0V，这一过程称为零点校准。【例1】AD7524实现数模转换11.3.3集成DAC应用272022/11/18当输入最大数字量“11111111”时，输出电压应为若实测值小于9.96V，可调节RP2，使其阻值逐步增大，以增大反馈电阻，提高运算放大器的放大倍数，使Vomax上升到9.96V。若实测输出值大于9.96V，可增大RP1的阻值，以降低VREF，使Vomax下降，这一过程称为增益校准。272022/11/10当输入最大数字量“11111111”【例2】DAC0832的三种典型应用方式DAC0832是8位D／A转换器，内有8位输入寄存器、8位DAC寄存器，因此可进行二次缓冲操作，可直接与微机总线相连而无需附加逻辑部件。

所以，DAC0832有三种典型应用方式：两级缓冲型、一级缓冲型和无缓冲型(直通式)。（a）两级缓存

（b）一级缓存

（c）直通方式【例2】DAC0832的三种典型应用方式DAC29292022/11/1811.4模数转换器（ADC）模数转换器的用途很多。例如，在应用数字计算机处理数据时，常常需要把模拟量转换成数字量，再送入计算机进行运算；数字电压表是电压-数字转换器；数字频率计是频率-数字转换器在信息处理和数字通信中常常需要把信号电压进行幅度量化（幅度量化就是把信号接其幅度分层，或者说把信号电压的幅度数字化）通常所说的模数转换器实际上是电压的模数转换器29292022/11/1011.4模数转换器（ADC）30302022/11/18A／D转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤。一般，前两个步骤在取样-保持电路中一次性完成，后两个步骤在A／D转换电路中一次性完成。将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。取样脉冲的频率越高,取样越密，取样值就越多，其取样输出信号的包络线也就越接近于输入信号的波形取样及取样定理111.4.1

AD转换的步骤30302022/11/10A／D转换过程包括取样、保持、量要使取样后的样点值能够被转换为数字量，应通过取样-保持电路将样点值保存下来，并在取样脉冲结束之后到下一个取样脉冲到来之前保持不变。取样-保持2采样保持器LF198可以实现取样-保持功能，它依靠电容器C上的电压不会突变而使样值电压得以保持将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化量化与编码3样值电压的大小仍属于模拟量，要将取样-保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化通常将数字信号最低位（LSB）为1时（即00……01）对应的模拟电压作为量化单位，用△表示。要使取样后的样点值能够被转换为数字量，应通过取样-保持电路将在量化时，样值电压一般不能被△整除，非整数部分的余数被舍去，这就必然会产生误差，这个误差称为量化误差。下面给出了四舍五入及去整取余的两种量化方法在量化时，样值电压一般不能被△整除，非整数部分的余数被舍去，33采用四舍五入法量化时，凡落在某一量化级范围内的模拟电压都取整归并到该量化值上，例如，1.5V的输入电压，应量化到量化值2V以上，而1.49V则应量化到量化值1V上。按上述四舍五入的量化方法，其最大量化误差为△／2。实际上可通过提高编码位数，从而将量化单位再进一步分割，即可减小量化误差电压。由于量化过程中四舍五入的结果，必然造成实际输入电压值与量化值之间的偏差，如输入1.5V与其量化值2V之间偏差0.5V；而输入1.49V与其量化值1V之间差0．49V。这种偏差称为量化误差。余取整法量化方法的最大量化误差为△，量化误差比四舍五入法大。A/D转换器位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小量化误差分析：将量化的结果用二进制代码表示的过程称为编码，量化与编码过程由A/D转换器完成33采用四舍五入法量化时，凡落在某一量化级范围内的模拟电压都34三位并行比较型ADC由电阻分压网络、电压比较器、锁存器及编码器组成，如下图所示。11.4.2并联比较型ADC8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器C1～C7的参考电压，其数值分别为VREF／15，3VREF／15，…，13VREF／15。输入电压为

，它的大小决定各比较器的输出状态，D触发器构成锁存器，通过锁存脉冲CP，再由高电平输出有效的优先编码器产生相应的二进制代码，从而完成AD转换的过程。34三位并行比较型ADC由电阻分压网络、电压比较器、锁存器及35A/D种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型ADC。ADC的种类直接ADC则直接将输入模拟电压转换成数字量，常用的有并联比较型ADC、逐次逼近型ADC35A/D种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接362022/11/183位并联比较型ADC量化编码表362022/11/103位并联比较型ADC量化编码表37在并行A／D转换器中，输入电压

同时加到所有比较器的输入端，从

加入到稳定输出所经历的时间为比较器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑上述器件的延迟，可认为三位数字量是与

输入时刻同时获得的。所以并联比较型ADC转换速度最快，但所用的元器件较多。如一个n位转换器，所用的比较器的个数为2n-1个并联比较型ADC的速度37在并行A／D转换器中，输入电压同时加到所有38逐次逼近型ADC的工作原理很像人们量体重的过程；假如你的体重不超过200公斤，你会先加一个100公斤的秤砣试试看，如果发现100公斤的秤砣太大(比如实际体重是70公斤)，就将此砣去掉；换一个50公斤的秤砣再试，发现50公斤的秤砣又偏小，故将其保留；然后再加一个25公斤的秤砣，发现体重不足75公斤，再将此25公斤的秤砣去掉，换一个更小一点的秤砣……，如此进行，逐次逼近，直到满足要求为止逐次比较型ADC逐个产生比较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换，每次转换时需要n+1个节拍脉冲，因此转换速度比并联比较型慢，属于中速ADC器件。位数多时，所用的元器件比并联比较型少得多，所以在集成ADC中应用最广泛。11.4.3逐次逼近型ADC38逐次逼近型ADC的工作原理很像人们量体重的过程；假如你的39双积分型ADC属于间接型ADC，由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。双积分型A／D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响11.4.4双积分型ADC先对输入取样电压和基准电压进行两次积分，获得与取样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉CP计数，计数器输出的结果就是对应的数字量。双积分型ADC的转换精度高，由于输入端使用了积分器进行取样，抗干扰能力强，选取合适的取样时间，可以有效地滤除工频干扰。不足之处是转换速度慢，主要用于数字万用表等低速测试系统中。39双积分型ADC属于间接型ADC，由积分器、比较器、计数器40输出的二进制位数越多，量化单位越小，能分辨出的最小模拟电压越小，分辨率也越高。11.4.5

ADC的主要参数分辨率为A/D转换器输出最低位（LSB）变化一个数码对应输入模拟量的变化量，反映了A／D转换器能够分辨最小信号的能力，一般用输出的二进制位数来表示。如ADC0809的分辨率为8位，输入满量程模拟电压为5V，则其分辨率为：分辨率

1对于输入同样为5V满量程模拟电压的10位A/D转换器，其分辨率为：40输出的二进制位数越多，量化单位越小，能分辨出的最小模拟电41如AD5711的转换误差

≤LSB，说明其实际输出的数字量和理论上得到的数字量之间的误差不大于最低位为1的一半。转换误差，也称相对精度，是A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的差值。常用LSB的倍数表示。转换误差

241如AD5711的转换误差≤LSB，说42ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型ADC的转换速度最高（转换时间可小于50ns），逐次逼近型次之（转换时间在10～100μs之间），双积分型ADC转换速度最低（转换时间在几十ms～数百ms之间）转换速度是完成一次A／D转换所需的时间，故又称为转换时间。它是A／D转换启动时刻起到输出端输出稳定的数字信号所经历的时间。转换速度

342ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型AD43432022/11/1811.5集成ADC及其应用集成ADC的应用比集成DAC更为广泛，由于转换的原理和电路结构及工艺技术有所不同，不同型号的集成ADC在转换速度、转换精度、分辨率以及价格上都各具优势。集成ADC广泛用于各种模数接口的系统中，用以将自然界的温度、电压、声音、图像等物理量转化为数字量，再由计算机进行处理。如在数字温度计、数字电压表、手机的受话器、数字视频监控系统、有线电视机顶盒等数字设备中，ADC是必不可少的关键环节。11.5.1集成ADC在数字系统中的应用43432022/11/1011.5集成ADC及其应用集44442022/11/18目前，ADC已形成齐全的集成产品门类，应用于不同的需求场合，有效位数有8、10、12、14、16、24位以及BCD码输出的3位半、4位半和5位半等多种。11.5.2集成ADC的选型原则转换速度有低速(≤1s)、中速(≤1ms)、高速(≤1μs)和超高速(≤1ns)等。有些芯片不但包括ADC基本电路，还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源等，功能更加齐全。选用ADC芯片主要根据系统对于转换精度、转换误差、分辨率的实际需求进行，此外还要考虑其他一些特性，如输入通道数（即A／D转换路数）、输出方式，其中包括输出编码方式（如二进制码、BCD码、7段显示译码）、输出逻辑电平（CMOS、LSTTL）与微机接口能力等。其他方面可参考DAC的选型原则综合进行。44442022/11/10目前，ADC已形成齐全的集成产45452022/11/18如在数字温度计的设计中，一般温度只需精确到小数点后一位有效数字即可，测量范围也不宽，且变化缓慢，因此8位的AD0804足以胜任。

经典ADC型号及参数而在数字电压表的设计中，往往要求测量电压的精度达到mV级以下，因此至少要选择10位或10位以上的ADC，由于对速度要求不高，考虑到成本，中速、低速的逐次逼近型、双积分型集成ADC是不错的选择。，如TLC1549、ICL7135、ICL7106等45452022/11/10如在数字温度计的设计中，一般温度462022/11/18如在数字温度计的设计中，一般温度只需精确到小数点后一位有效数字即可，测量范围也不宽，且变化缓慢，因此8位的AD0804足以胜任。而在数字电压表的设计中，往往要求测量电压的精度达到mV级以下，因此至少要选择10位或10位以上的ADC，由于对速度要求不高，考虑到成本，中速、低速的逐次逼近型、双积分型集成ADC是不错的选择。，如TLC1549、ICL7135、ICL7106等语音/话音信号频率成分复杂，故手机的受话器中一般使用专用的音频ADC，如AIC23。有线电视机顶盒的闭路输入、数字视频监控系统需要专用的视频ADC，为了保证快速采样，一般采用结构复杂的并联比较型集成ADC，如SAA7113，ADV7181等。ADC选型示例462022/11/10如在数字温度计的设计中，一般温度只需47472022/11/18例：设计AD0809与FPGA的接口电路，实现8路A／D转换。11.5.3集成ADC的应用实例AD0809是8路8位ADC芯片，片内有8路模拟开关、地址锁存与译码、256电阻梯形网络、电子开关树、逐次逼近寄存器、比较器和三态输出锁存器等，特别适合与微机及单片机等微处理器接口。FPGA是现场可编程门阵列，提供了大量等效的可用IO，能够很容易地与其它外设进行接口。通过灵活的HDL语言设计，能够将外部温度、压力、电流等物理量所对应的电压值转换为数字量。47472022/11/10例：设计AD0809与FPGA的482022/11/18用ADC0809和FPGA组成的多路A/D转换器在启动A／D转换时，输出A、B、C地址信号，选择转换通道，并将ALE置为高电平，锁存地址；由IO输出一个下降沿，使START保持为低电平，即启动A／D转换。转换期间，EOC=0，表示正在进行A／D转换，转换完毕后，EOC=1，FPGA检测到EOC=1时，即将OE置为高电平，此时就可以通过8位数据口读取AD0809转换产生的8位数据了，A／D转换过程随之结束。需要进行下次转换时，重复上述操作流程即可。482022/11/10用ADC0809和FPGA组成的多路492022/11/18ADC0809的转换时序图492022/11/10ADC0809的转换时序图50使用4位同步二进制计数器74LS161、D/A转换器DAC0832、二输入与非门74LS00、运算放大器OP07设计一个能产生如图所示的10阶梯波形发生器。实践与提高50使用4位同步二进制计数器74LS161、D/A转换器DA51第11章数模和模数转换器2022/11/18511第11章数模和模数转换器2022/11/10152522022/11/18赖祖亮@小木虫1了解数模转换器和模数转换器的基本工作原理及其分类234掌握数模转换器和模数转换器的参数指标进行应用设计时，能够根据参数指标进行器件选型能够使用典型数模及模数转换器件进行常规模数与数模接口电路设计本章目标222022/11/10赖祖亮@小木虫1了解数模转换器和模数53532022/11/18随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。模数和数模转换器是一种在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路引言332022/11/10随着数字技术，特别是信息技术的飞速发集成ADC及其应用模数转换器（ADC）集成DAC及其应用数模转换器（DAC）

概述内容提要集成ADC及其应用模数转换器（ADC）集成DAC及其应用数模55552022/11/18在数字系统内部，只能对数字信号进行处理，而自然界的电压、电流、声音、图像、温度、压力等实际信号大多是连续变化的模拟信号，因此，必须把这些模拟量转换成数字量才能由数字系统进行处理，这种将模拟信号转换成数字信号的过程称为“模数转换”。经数字系统处理后的数字量，如用于控制调节电机转速、合成函数信号、数字音频功放等场合，又常常要求将其转换为模拟量

，这种将数字信号转换成模拟信号的过程称为“数模转换”。完成模数转换的电路称为模数转换器，简称ADC（AnalogtoDigitalConverter）；完成数模转换的电路称为数模转换器，简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）；ADC和DAC是数字系统与模拟系统及自然界的关键接口部件。11.1概述552022/11/10在数字系统内部，只能对数字信号进行处56562022/11/18数字系统结构框图662022/11/10数字系统结构框图57572022/11/18关键术语分辨率：指DAC能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高转换误差：转换误差是指DAC输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。11.2数模转换器（DAC）

转换时间：转换时间是指DAC在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。根据位权网络不同，DAC可分为权电阻网络DAC、R-2R倒T形电阻网络DAC和权电流型网络DAC772022/11/10关键术语分辨率：指DAC能够转换的二58582022/11/1811.2.1数模转换的表示数字量通常是用有权代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有固定的“权”，大多采用二进制码，DAC实际上就是将输入的二进制码（数字量）转换为相应的模拟电压输出，二者的大小成正比，数模转换器的输出电压Vo与数字量的一般关系式为：常数k为比例系数，

为二进制数按位权展开所对应的十进制数值。882022/11/1011.2.1数模转换的表示数字量通常59两个相邻二进制数码转换出的模拟电压值实际上并不连续，其电压差值由最低码位所代表的位权值决定。FSR（FullScaleRange）：是最大输入数字量时的最大电压输出值，即11…11所对应的十进制值乘以系数k的结果。LSB(LeastSignificantBit)：是信息所能分辨的最小量，即00…01所对应的十进制值乘以系数k的结果。数字量代表的模拟电压实际上是离散的9两个相邻二进制数码转换出的模拟电压值实际上并不连续，其电压604位DAC的转换关系对照表104位DAC的转换关系对照表612022/11/184位DAC的转换关系曲线112022/11/104位DAC的转换关系曲线62622022/11/1812.2.2DAC的一般构成DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成数字寄存器用于存放待转换的数字量，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由求和运算放大器对各电流值求和，并转换成模拟电压值。12122022/11/1012.2.2DAC的一般构成63电路结构111.2.3权电阻网络DAC

20R、21R、22R、…

，构成的电阻网络称为权电阻某位权电阻的阻值大小和该位的权值成反比，相邻低位权电阻值是其高位电阻值的2倍。电流差1/2，由运算放大器求和，转换成对应的模拟电压值13电路结构111.2.3权电阻网络DAC20R、2164工作原理2运算放大器的∑点是虚地，该点电位总是近似为零。假设输入是n位二进制数，因此当任一位的Di=0，经电子开关Si使该位的权电阻

接地时，因

两端电位相等，故流过该电阻的电流Ii=0，而当

Di=1，Si使该电阻接VREF时，

对于受

Di位控制的权电阻流过的电流为当

Di=0，

则Ii=0，根据叠加定理，通过各权电阻的电流之和为：14工作原理2运算放大器的∑点是虚地，该点电位总是近似为零65因运算放大器的故得到输出电压：若取=R/2，则15因运算放大器的故得到输出电压：若取=R/2，则66在权电阻网络DAC中，n=4，设VREF=-10V，RF=R/2，试求：

（1）当输入数字量D3D2D1D0=0001时，输出电压的值；（2）当输人数字量D3D2D1D0=1001时，输出电压的值；（3）当输入数字量D3D2D1D0=1111时，输出电压的值。（1）（2）（3）显然，输出电压的范围是0~9.375V，且相邻两个二进制数码所对应的模拟电压差值Δ为1LSB，即0.675V例316在权电阻网络DAC中，n=4，设VREF=-10V，RF67其他类型的DAC4权电阻DAC的优点是电路简单，转换速度也比较快；其转换精度取决于VREF、权电阻精度及模拟电子开关若各个电阻的阻值相差较大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，难以保证对电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，也不利于集成化因此权电阻DAC并不单独使用，而是将其权电阻网络由相应的权电流网络替换，以保证转换精度，即权电流型网络DACR-2R倒T型电阻网络DAC克服了权电阻网络带来的较大误差，结构简单、工作速度块，得到广泛应用17其他类型的DAC4权电阻DAC的优点是电路简单，转换速度68R-2R倒T型电阻网络DAC电路原理图因运算放大器的Σ点为虚地，故不论输入数字量D取值为0还是1，对于R-2R电阻网络来说，各2R电阻的均上端相当于接地，所以依次从网络的各节点向做看的对地电阻都是2R18R-2R倒T型电阻网络DAC电路原理图因运算放大器的Σ69因此在网络中的电流分配如图中标注，由基准电源VREF流出的总电流I，每经过一个2R电阻就被分流一半，这样流过n个2R电阻的电流分别是I/2、I/4、……、I/（n-1）n个电流是流入地，还是流向运算放大器，由输入数字量D控制的电子开关S决定，因此运算放大器的总输出电压：相邻两个二进制数码所对应的模拟电压差值Δ实际上取决于VREF及DAC的位数，VREF越小，Δ就越小；同时，DAC的位数越多，Δ也越小。Δ越小，越逼近真实的模拟电压值19因此在网络中的电流分配如图中标注，由基准电源VREF流出70衡量一个D/A转换器的性能的主要参数有分辨率、转换误差和转换时间是指DAC能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高一般用DAC的位数来衡量分辨率的高低，因为位数越多，其输出电压V0的取值个数就越多(2n个)，也就越能反映出输出电压的细微变化，分辨能力就越高分辨率

111.2.4

DAC的主要参数分辨率为DAC最低位有效数字量(00…01)对应输出的模拟电压与最大数字量(11…11)对应的输出模拟电压V0的比值。20衡量一个D/A转换器的性能的主要参数有分辨率、转换误差和71转换误差是指DAC输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值，反映了当数字量变化时，DAC输出的模拟量按比例关系变化的程度模拟电子开关的导通电阻和导通压降以及R、2R电阻值的偏差会导致非线性误差基准电压VREF和运算放大器的增益不稳定会导致增益误差（比例系数误差）转换误差2求和运算放大器的零点漂移会导致漂移误差（平均误差）为了实现高精度的D/A转换，应选用低漂移高精度的运算放大器，采用高稳定度的VREF，选用高分辨率DAC21转换误差是指DAC输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差72转换时间是指DAC在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。这个时间越短，器件的工作速度越高。转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在FSR土(1／2)LSB范围内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。转换时间3电流型D/A转换较快，一般在几ns到几百ns之间。电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。例如10位D/A转换器AD7520的建立时间不大于500ns22转换时间是指DAC在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达73732022/11/1811.3集成DAC及其应用DAC广泛用于各种数模接口的系统中，如用于构成数控电压或电流源、数字衰减器、数控增益放大器、频率合成器、可编程有源滤波器、数控频率波形发生器等。下面给出了DAC应用的两个常见领域11.3.1集成DAC在数字系统中的应用数字系统的输出通道1如：电机转速控制，采用低速DAC，如DAC0832；

数字音频回放，采用音频DAC，如AD1861；

23232022/11/1011.3集成DAC及其应用DA74波形发生器

2DAC以直接模拟量的方式所合成的周期性波形的实现过程就称为DDS（直接数字式频率合成器）。DDS可以灵活地产生锯齿波、正弦波、特殊形状波形等任意波形，这种技术已获得广泛应用。

24波形发生器2DAC以直接模拟量的方式所合成的周期性波形75几种典型的DAC指标参数11.3.2集成DAC的选型原则25几种典型的DAC指标参数11.3.2集成DAC的选型原【例1】AD7524实现数模转换11.3.3集成DAC应用实例电位器RP1、RP2、RP3用于电路校准片选和写有效控制数字量输入当输入最小数字量“00000000”时，输出的电压模拟量应为0，若不为0，可调节调零电位器RP3，使输出为0V，这一过程称为零点校准。【例1】AD7524实现数模转换11.3.3集成DAC应用772022/11/18当输入最大数字量“11111111”时，输出电压应为若实测值小于9.96V，可调节RP2，使其阻值逐步增大，以增大反馈电阻，提高运算放大器的放大倍数，使Vomax上升到9.96V。若实测输出值大于9.96V，可增大RP1的阻值，以降低VREF，使Vomax下降，这一过程称为增益校准。272022/11/10当输入最大数字量“11111111”【例2】DAC0832的三种典型应用方式DAC0832是8位D／A转换器，内有8位输入寄存器、8位DAC寄存器，因此可进行二次缓冲操作，可直接与微机总线相连而无需附加逻辑部件。

所以，DAC0832有三种典型应用方式：两级缓冲型、一级缓冲型和无缓冲型(直通式)。（a）两级缓存

（b）一级缓存

（c）直通方式【例2】DAC0832的三种典型应用方式DAC79792022/11/1811.4模数转换器（ADC）模数转换器的用途很多。例如，在应用数字计算机处理数据时，常常需要把模拟量转换成数字量，再送入计算机进行运算；数字电压表是电压-数字转换器；数字频率计是频率-数字转换器在信息处理和数字通信中常常需要把信号电压进行幅度量化（幅度量化就是把信号接其幅度分层，或者说把信号电压的幅度数字化）通常所说的模数转换器实际上是电压的模数转换器29292022/11/1011.4模数转换器（ADC）80802022/11/18A／D转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤。一般，前两个步骤在取样-保持电路中一次性完成，后两个步骤在A／D转换电路中一次性完成。将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。取样脉冲的频率越高,取样越密，取样值就越多，其取样输出信号的包络线也就越接近于输入信号的波形取样及取样定理111.4.1

AD转换的步骤30302022/11/10A／D转换过程包括取样、保持、量要使取样后的样点值能够被转换为数字量，应通过取样-保持电路将样点值保存下来，并在取样脉冲结束之后到下一个取样脉冲到来之前保持不变。取样-保持2采样保持器LF198可以实现取样-保持功能，它依靠电容器C上的电压不会突变而使样值电压得以保持将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化量化与编码3样值电压的大小仍属于模拟量，要将取样-保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化通常将数字信号最低位（LSB）为1时（即00……01）对应的模拟电压作为量化单位，用△表示。要使取样后的样点值能够被转换为数字量，应通过取样-保持电路将在量化时，样值电压一般不能被△整除，非整数部分的余数被舍去，这就必然会产生误差，这个误差称为量化误差。下面给出了四舍五入及去整取余的两种量化方法在量化时，样值电压一般不能被△整除，非整数部分的余数被舍去，83采用四舍五入法量化时，凡落在某一量化级范围内的模拟电压都取整归并到该量化值上，例如，1.5V的输入电压，应量化到量化值2V以上，而1.49V则应量化到量化值1V上。按上述四舍五入的量化方法，其最大量化误差为△／2。实际上可通过提高编码位数，从而将量化单位再进一步分割，即可减小量化误差电压。由于量化过程中四舍五入的结果，必然造成实际输入电压值与量化值之间的偏差，如输入1.5V与其量化值2V之间偏差0.5V；而输入1.49V与其量化值1V之间差0．49V。这种偏差称为量化误差。余取整法量化方法的最大量化误差为△，量化误差比四舍五入法大。A/D转换器位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小量化误差分析：将量化的结果用二进制代码表示的过程称为编码，量化与编码过程由A/D转换器完成33采用四舍五入法量化时，凡落在某一量化级范围内的模拟电压都84三位并行比较型ADC由电阻分压网络、电压比较器、锁存器及编码器组成，如下图所示。11.4.2并联比较型ADC8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器C1～C7的参考电压，其数值分别为VREF／15，3VREF／15，…，13VREF／15。输入电压为

，它的大小决定各比较器的输出状态，D触发器构成锁存器，通过锁存脉冲CP，再由高电平输出有效的优先编码器产生相应的二进制代码，从而完成AD转换的过程。34三位并行比较型ADC由电阻分压网络、电压比较器、锁存器及85A/D种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型ADC。ADC的种类直接ADC则直接将输入模拟电压转换成数字量，常用的有并联比较型ADC、逐次逼近型ADC35A/D种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接862022/11/183位并联比较型ADC量化编码表362022/11/103位并联比较型ADC量化编码表87在并行A／D转换器中，输入电压

同时加到所有比较器的输入端，从

加入到稳定输出所经历的时间为比较器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑上述器件的延迟，可认为三位数字量是与

输入时刻同时获得的。所以并联比较型ADC转换速度最快，但所用的元器件较多。如一个n位转换器，所用的比较器的个数为2n-1个并联比较型ADC的速度37在并行A／D转换器中，输入电压同时加到所有88逐次逼近型ADC的工作原理很像人们量体重的过程；假如你的体重不超过200公斤，你会先加一个100公斤的秤砣试试看，如果发现100公斤的秤砣太大(比如实际体重是70公斤)，就将此砣去掉；换一个50公斤的秤砣再试，发现50公斤的秤砣又偏小，故将其保留；然后再加一个25公斤的秤砣，发现体重不足75公斤，再将此25公斤的秤砣去掉，换一个更小一点的秤砣……，如此进行，逐次逼近，直到满足要求为止逐次比较型ADC逐个产生比较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换，每次转换时需要n+1个节拍脉冲，因此转换速度比并联比较型慢，属于中速ADC器件。位数多时，所用的元器件比并联比较型少得多，所以在集成ADC中应用最广泛。11.4.3逐次逼近型ADC38逐次逼近型ADC的工作原理很像人们量体重的过程；假如你的89双积分型ADC属于间接型ADC，由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。双积分型A／D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响11.4.4双积分型ADC先对输入取样电压和基准电压进行两次积分，获得与取样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉CP计数，计数器输出的结果就是对应的数字量。双积分型ADC的转换精度高，由于输入端使用了积分器进行取样，抗干扰能力强，选取合适的取样时间，可以有效地滤除工频干扰。不足之处是转换速度慢，主要用于数字万用表等低速测试系统中。39双积分型ADC属于间接型ADC，由积分器、比较器、计数器90输出的二进制位数越多，量化单位越小，能分辨出的最小模拟电压越小，分辨率也越高。11.4.5

ADC的主要参数分辨率为A/D转换器输出最低位（LSB）变化一个数码对应输入模拟量的变化量，反映了A／D转换器能够分辨最小信号的能力，一般用输出的二进制位数来表示。如ADC0809的分辨率为8位，输入满量程模拟电压为5V，则其分辨率为：分辨率

1对于输入同样为5V满量程模拟电压的10位A/D转换器，其分辨率为：40输出的二进制位数越多，量化单位越小，能分辨出的最小模拟电91如AD5711的转换误差

≤LSB，说明其实际输出的数字量和理论上得到的数字量之间的误差不大于最低位为1的一半。转换误差，也称相对精度，是A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的差值。常用LSB的倍数表示。转换误差

241如AD5711的转换误差≤LSB，说92ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型ADC的转换速度最高（转换时间可小于50ns），逐次逼近型次之（转换时间在10～100μs之间），双积分型ADC转换速度最低（转换时间在几十ms～数百ms之间）转换速度是完成一次A／D转换所需的时间，故又称为转换时间。它是A／D转换启动时刻起到输出端输出稳定的数字信号所经历的时