数字电子技术基础全套课件第07章数模和模数转换器

第7章

数模和模数转换器7.1D/A转换器7.2A/D转换器读图练习：3位半数字电压表在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量，通信过程中的语言、图像、文字等物理量需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，是数字电子技术的重要组成部分。能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。能将数字量转换为模拟量(电流或电压)，使输出的模拟量与输入的数字量成正比的电路称为数模转换器，简称D/A或DAC（Digital

to

Analog

Converter）。能将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比的电路称为模数转换器，简称A/D或ADC（Analog

to

Digital

Converter）。D/A、A/D转换技术的发展非常迅速，目前已有各种中、大规模的集成电路可供选用。虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。7.1D/A转换器将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。基本原理转换特性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压

uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：7.1.1二进制权电阻网络D/A转换器1.电路结构

不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。设RF=R/2总结二进制权电阻网络的电阻值是按4位二进制数的位权大小取值的，最低位电阻值最大，为23R，然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同相输入端（地）；若d=1，相应的S合向反相输入端。i正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的转换。采用运算放大器进行电压转换有两个优点：一是起隔离作用，把负载电阻与电阻网络相隔离，以减小负载电阻对电阻网络的影响；二是可以调节RF控制满刻度值（即输入数字信号为全1）时输出电压的大小，使D/A转换器的输出达到设计要求。7.1.2R-2RT型网络D/A转换器1.电路结构

①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。总结当只有一个电子模拟开关S合向1，而其余电子模拟开关S均合向0时，从该支路的2R电阻向左、右看去的等效电阻均为2R，该电流流向A点时，每经过一节R-2R电路，电流就减少一半。

iΣ正比于输入的二进制数，实现了数字量到模拟量的转换。输出电压也与输入数字量成正比。7.1.3电子模拟开关1电路结构图7.3所示是一个CMOS电子模拟开关电路，它由两级CMOS反相器产生两路反相信号，各自控制一个CMOS开关管，实现模拟单刀双掷的开关功能。图7.3CMOS电子模拟开关（2）工作原理当输入数字信号DI=1时，V1截止，V3导通，V3输出为低电平0，经V4、V5组成的第一级反相器后输出高电平，使V9导通；同时第一级反相器输出的高电平再经V6、V7组成的第二级反相器后输出低电平，使V8截止。此时，2R支路经导通管V9接向位置1。反之当输入数字信号DI=0时，V8导通，V9截止，2R支路被连到位置0。7.1.4D/A转换器的主要技术参数1.分辨率

分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位(LSB)为1，其余位均为0时的输出电压，记为ULSB。最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记为UFSR。10位D/A转换器的分辨率为：

2.转换精度D/A转换器的转换精度分绝对精度和相对精度。绝对精度是指实际输出模拟电压值与理论输出之差，通常用最小分辨电压的倍数表示，即最大静态转换误差。相对精度是绝对精度与满刻度输出电压（或电流）之比，通常用百分数表示。3.转换时间D/A转换器从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值为止所需要的时间，称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。7.1.4集成D/A转换器集成D/A转换器品种繁多。从内部结构上看，有只含有电阻网络和电子模拟开关的基本D/A转换器。也有在内部增加了数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端的D/A转换器。还有将基准电压源、求和运放等均集成在芯片上的完整的D/A转换器。根据DAC的转换位数和转换速度不同，集成D/A转换芯片有多种型号，如DAC0832、DAC0830、DAC0831、AD7524等。5.2.3集成D/A转换器及其应用1.DAC0832介绍D/A集成芯片DAC0832(DAC0830、DAC0831)的内部结构如图7.4所示。从图7.4中可以看出，DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器三大部分组成。图7.4DAC0832(DAC0830、DAC0831)的内部结构DAC0832的外部引脚图如图7.5所示。图7.5DAC0832的外部引脚图2.DAC0832的应用DAC0832在应用中有三种方式：双缓冲型、单缓冲型和直通型，如图7.6所示。图7.6DAC0832的三种应用方式

D/A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。D/A转换器根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T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A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D/A转换器普遍采用这种电路结构。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：小结7.2A/D转换器7.2.1概述1.A/D转换的基本原理

模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。2.采样-保持原理

t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。3.A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。7.2.2常用的A/D转换器类型1.并联比较型A/D转换器

0≤ui＜VREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。3VREF/14≤ui＜5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。2.逐次逼近型A/D转换器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理3位A/D转换器的原理图

转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若ui＜uo时，比较器输出uc=1；当ui≥uo时，uc=0。

第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理图7.12逐次逼近式A/D转换的逼近过程一个n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行n次比较，需要n+2个时钟脉冲。其转换速度较慢，属于中速A/D转换器。但由于电路简单，成本低，因此，也被广泛使用。3.双积分型A/D转换器基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。原理电路双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器是一种间接型A/D转换器，它由基准电压VREF、积分器、比较器、计数器和定时触发器组成双积分型A/D转换器的基本原理是对输入模拟电压uI和参考电压VREF分别进行积分，将两次电压平均值分别变换成与之成正比的时间间隔，然后，利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，通过运算得到相应的数字量输出。双积分型A/D转换器由于转换一次要进行两次积分，所以，转换时间长，工作速度慢，但它的电路结构简单，转换精度高，抗干扰能力强，因此，常用于低速场合。7.2.3集成A/D转换器及其应用集成A/D转换器种类很多，如从使用角度上可分为两大类：一类在电子电路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能端，可与计算机相连。1.ADC0804A/D转换器ADC0804是逐次逼近型单通道CMOS8位A/D转换器，其转换时间小于100μs，电源电压+5V，输入输出都和TTL兼容，输入电压范围0～+5V模拟信号，内部含有时钟电路，图7.14为ADC0804的管脚排列图。图7.14ADC0804管脚排列图图7.15是ADC0804的典型应用电路。图7.15ADC0804的典型应用电路

A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D