第九章 数模、模数转换电路

概述D/A转换器A/D转换器第九章数模、模数转换电路9.1概述模数转换（A/D）——模拟信号到数字信号的转换

A/D转换器或ADC（AnalogtoDigitalConverter）——实现A/D转换的电路。数模转换（D/A）——数字信号到模拟信号的转换

D/A转换器或DAC（DigitaltoAnalogConverter）——能实现D/A转换的电路。数字控制系统原理框图非电模拟量电模拟量模数转换计算机或数字系统传感器开关控制数模转换模拟控制温度压力流量速度

电流电压

数据传输系统原理框图电模拟量模数转换存储、传输、处理声音或图像声音或图像传感器数模转换9.2数模（D/A）转换

一、D/A转换器的结构

数字输入数码锁存器电子开关电阻网络求和电路模拟输出VO···D0D1Dn-1VREF······数码锁存器——完成输入数字的锁存并为转换保留一定时间电子开关——完成基准电压VREF和地之间的倒换电阻网络——根据输入数字产生不同的电流或电压求和电路——产生模拟输出电压1.权电阻网络D/A转换器

（1）电路结构（2）工作原理当输入数字D0=1时

当输入数字D1=1时

当输入数字Di=1时

→I0S0S1Sn-1数码锁存器···D0D1Dn-1数字输入···VREFR0=2n-1RR1=2n-2RRn-1=20R模拟输出

VO－＋RfA→I→In-1I电子开关求和运放设n=4，Rf=R/2，VREF=-5V，则:VOVOt0【例】已知某8位D/A转换器的输入为11010001时，输出VO=2.09V，求输入为00111100时的输出电压值。权电阻网络D/A转换器的特点：（1）电路结构比较简单；（2）电阻网络中各个电阻的阻值相差太大；（3）容易产生输出尖峰现象。2.倒T形电阻网络D/A转换器

（1）电路结构（AD7520、CB7520）→I模拟输出

VO－＋RfA2RI/162RI/82RI/42RI/22RRRRVREFII/2I/4I/8I/16S0S1S2S3D0D1D2D3（2）工作原理倒T形电阻网络D/A转换器的特点：（1）电路结构比较简单；（2）电阻网络中的种类少（仅R和2R两种）。二、电子开关1.CMOS电压开关2.CMOS电流开关（CB7520）1RiIiDi-VREFVDDVSS2RRRIout1Iout2VDDVSSDi2RRRUREF（参考电压）2R2R2Rd0d1d2d2d0d1-

+R电子开关三、集成D/A转换器DAC0832——8位数模转换器1.DAC0832的内部结1）8位输入寄存器——第一级数据锁存器2）8位DAC寄存器——第二级数据锁存器3）8位D/A转换器——完成数模转换8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器DI7～DI0ILECSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RBFAGNDVCCDGNDIE1IE2&&&CS——片选信号，用于芯片寻址；ILE——允许锁存信号；WR1——写信号1；当LE1（内部输入锁存信号1）=CS•WR1•ILE=1时，将数据锁存于输入锁存器；WR2——写信号2；XFER——通道控制信号，当LE2（内部输入锁存信号2）=WR2

•XFER=1时，8位DAC寄存器可作为数据通道；2.信号线DI7～DI0——8位数据输入IOUT1——模拟电流输出1，当DI7～DI0为FFH时，IOUT1最大，当DI7～DI0为0时，IOUT1=0（最小）IOUT2——模拟电流输出2，IOUT2=常数-IOUT1RFB——反馈电阻引出端；VREF——参考电压输入，范围：+10V～-10V；VCC——芯片电压，范围：+5V～+15V，最佳15V；AGND——模拟地；DGND——数字地；3.使用说明（1）双缓冲器方式——特点：转换速度快，但控制电路复杂。（2）单缓冲器方式——特点：转换速度慢，但控制电路简单（常用方式）。4.DAC0832应用举例——DAC0832采用单缓冲器方式四、D/A转换器的主要技术指标1.转换精度（分辨率或位数n）（一）分辨率用输入二进制数的有效位数表示

（位数越多，精度越高）用DAC的最小输出电压与最大输

出电压之比给出——（二）转换误差误差来源

A、非线性误差

B、比例系数误差

C、零漂误差表示方法

A、用输出电压满刻度的百分比表示

B、用最低有效位的倍数表示（一）建立时间tS大信号工作下，输出电压达到某一规定值所需要的时间。2、转换速度（二）转换速率SR大信号工作下，输出模拟电压的变化率。DAC完成一次转换所需时间为

TTR（max）=ts

+UO（max）/SR9-3模数转换器（ADC）9.3.1A/D转换的一般步骤和取样定理量化和编码取样定理

fS≥2fimaxA/D转换的一般步骤

采样——保持——量化——编码取样——用周期性的取样脉冲fS，对输入模拟信号的幅度定时取出样值，将其变成一连串等距而不等幅的脉冲的过程。

保持——把取样电压保持一段时间，保证完成A/D转换

。

一、取样—保持电路1、取样－－保持2、电路组成及工作原理-+ChuORiRFuLTuI取样保持电路的基本形式T管作为开关管使用，由uL来控制uL=1，T导通，uI向Ch充电，充电过程结束后，uO=uC=uIuL=0，T截止，uO=uC=uI可以保持一段时间不变。UL取样时间保持时间0tVI0tVO波形表示LF198UOFFV+V-uIuLCh4512uO38763、单片集成取样—保持电路LF1981.量化——把取样电平规范到某个最小单位电压的若干倍的过程。0tVO12345678量化方法（1）只舍不取法量化误差=（2）有舍有取法量化误差=/2二、量化、编码2.编码编码——把量化后的倍数用二进制数表示的过程00000101001110010111011101234567012345678000001010011100101110111012345670123456789.3.2A/D转换器的类型直接型A/D转换器间接型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器

并联比较型A/D转换器

双积分型ADC（1）电路组成D/A

转换器参考

电源逐次渐近型寄存器时钟

信号-+uIMSBLSBMSBLSB转换控制信号并行数据输出一、直接型A/D转换器

1、逐次逼近型A/D转换器（2）工作原理：①第一步送出Qn-1=1（最大砝码）将产生的D/A电压与输入电压VI比较。②第二步根据比较结果决定Qn-1的去留，并加入Qn-2与VI比较。③依此类推直至加入Q0。④最后一步根据比较结果决定Q0的去留，并输出转换结果。-+A逐次逼近寄存器D/A转换器控制逻辑输出缓冲器Qn-1Qn-2…Q0Qn-1(MSB)Qn-2Q0(LSB)数字输出时钟脉冲CP启动脉冲模拟输入VI基准电压VREF电压比较器完成转换时间：(n+1)TCP逐次渐近寄存器清零寄存器最高有效位置1

DAC比较器比较

uo>uI?保留此位的1将此位的1清除寄存器次高有效位置1uOuIADC逻辑控制电路寄存器最低有效位置1……yesno（3）逐次渐近型ADC的特点分辨率较高转换误差较低转换速度较快应用较为广泛2、并联比较型A/D转换器

-+C6-+C5-+C4-+C3-+C2-+C1-+C7DDDDDDDRRRRRRRR/2VREF模拟输入VIVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/15&&&&FF1FF7FF3FF4FF5&&D2(MSB)D0(LSB)D1CP电压比较器锁存器编码器FF6FF2输入模拟电压

VI

寄存器状态（编码器输入）Q7Q6Q5Q4Q3Q2

Q1

数字量输出（编码器输出）D2

D1

D0

（0～1/15）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）VREF

000000000000010000011000011100011110011111011111111111110000010100111001011101111、电路组成S2n位二进制计数器定时器逻辑控制门uIS1RCuOCOCP&dn-1d0基准电压输入电压-+-+积分器时钟输入控制门二、间接型A/D转换器电压—频率变换（V—F变换）；电压—时间变换（V—T变换）过零比较器（V—T变换）（2）工作原理-+A-+AFF2Q2D2FF1Q1D1FF0Q0D0FFn-1Qn-1Dn-1FFnQn…RD启动&CPRC积分器过零比较器VAVBVCVDVI-VREF…GM（3）工作波形（4）波形分析0tQn0tVA0tVC0tVB0tVD-VREFVIt1t2①0—t1阶段积分器对VI积分：②t1—t2阶段积分器对-VREF积分：（5）双积分型ADC的特点性能稳定，转换精度高电路简单，抗干扰能力强工作速度低——低速ADC;

最小转换时间=2nTCP

最大转换时间=2n+1TCP适用于要求精度高，速度要求不高的场合三、A/D转换器的主要技术指标

转换精度

【例】已知8位A/D转换器的基准电压VREF=5.12V，求当输入为VI=3.8V时的数字量输出。解：

2.转换速度（1）高速ADC——并联比较型ADC（2）中速ADC——逐次逼近型（3）