第9章数模和模数转换器

第九章数-模（D/A）和

模-数（A/D）转换§9.1概述模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为A/D（AnalogtoDigital）把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（AnalogDigitalConverterADC）从数字信号到模拟信号的转换称为D/A（DigitaltoAnalog）转换把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（DigitalAnalogConverterDAC）D/A转换、A/D转换的应用

模

拟

传感器

A/D

转换器

数字控制计算机

D/A

转换器

模拟控制器

工业生产过程控制对象

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器(温度、压力、流量、应力等）计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制信号DAC网络DAC权电阻☆倒梯形电阻网络DACADC直接ADC间接ADC权电流型DAC权电容型DAC开关树型DAC输入/输出方式并行串行1、DAC的功能:将数字量成正比地转换与之对应成模拟量。（设D/A转换器的输入数字量为n位）n位数字量模拟量0~5V或0~10V等DAC4位8位10位11位16位等n=9.2D/A转换器概述

数字量是用代码按数位组合而成的,对于有权码,每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后，将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的模拟量,这样，就可以实现数字量--模拟量的转换。2.实现D/A转换的基本思想如何实现D/AD/A转换原理一、电路结构和工作原理9.2.1权电阻网络D/A转换器S3～S0受数字d3～d0控制。优缺点：1.优点：简单2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部vODiDi=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”或虚地。1、原理电路9.2.1倒T形电阻网络D/A转换器2、D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。3.工作原理：II2I1I0I3流入运放的总电流：

i

＝

I0+I1+I2+I3(P-461)3.工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压：

3.工作原理：4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：推广到n位倒T形电阻网络DAC,有：上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出vo。若Rf=R，并代入上式，则有P-461式(9.2.5)D/A计算公式为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(3)每个模拟开关的开关电压降要相等(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。4、对电路参数的要求补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V9.2.6具有双极性输出的DAC一、原理例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±。原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为01*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为0二、单极变双极的

电路实现9.2.7D/A转换器的主要技术指标1.转换精度：通常用分辨率和转换误差来描述。分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。分辨率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。n位D/A转换器的分辨率可表示为转换误差产生原因：由于D/A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。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差。集成DA转换器实例集成D/A转换器AD7520的管脚及内部电路如图所示，它是10位倒T型电阻网络D/A转换器。AD7520也叫CB7520,须外加运算放大器,运算放大器的反馈电阻可以使用内设的,也可以另选反馈电阻接到1端和vo之间。输入的数字量与输出的模拟量之间的关系如表9.1.1所示。集成DA转换器

八位集成DAC0832集成D/A转换器0832DAC0832管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3VCCVREFRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片选端WR1、WR2：写入端D7--D0：数据输入端XFER：转移控制端ILE：锁存使能端Iout2Iout1：电流输出端VREF：参考电压端Rfb：内部反馈电阻输出端DAC0832几种接线方式★课堂提问1．D/A转换器如图所示。试问：(1)这是那种类型的D/A转换器，写出vo的表达式；当RfR时，vo的表达式又如何？(2)试求输出电压的取值范围和分辨率。(3)若要求电路输入数字量为200H时输出电压Vo=5V，试问VREF应取何值？

A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。9.3A/D转换器ADCDn~D0输出数字量输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能:A/D转换器概述A/D转换原理①并联比较型（直接型：VD）

特点:转换速度快,转换时间10ns~1s,但电路复杂。②逐次逼近型（直接型：VD）

特点:转换速度适中,转换时间为几s~100s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。③双积分型（间接型：V-T转换型）

特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms,但抗干扰能力最强。2.A/D转换器分类9.3.1A/D转换的一般工作过程

1.取样与保持

采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。

采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。

采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号vI(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimax (9.3.1)1.取样与保持电路要求：AV1AV2=1，A1的Ri高，A2的Ri高，A2的Ro低采样不能放电保持（1）电路及工作原理要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要保加持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。

2.量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将采样–保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。9.2.1A/D转换的一般工作过程量化编码任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。(1)量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。⑴只舍不入量化方式:量化中把不足1个量化单位的部分舍弃；最大量化误差为：⑵四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为（2）两种量化方式01V1111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号编码模拟电平01V110101100011010001000输入信号编码模拟电平0Δ=0v1Δ=2/15v2Δ=4/15v3Δ=6/15v4Δ=8/15v5Δ=10/15v6Δ=12/15v7Δ=14/15v111一、并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻分压电路精密参考电压D触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量9.3.3直接型A/D转换器P--481把输入的模拟电压直接转换成输出的数字量,不经过中间量。11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111100vivO2、工作原理代码转换电路工作原理代码转换电路与寄存器输出的关系：d2=Q4当Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1=0001111则d2d1d0=100

vI

Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1

d2d1d0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/151111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经代码转换电路转换，得到数字量输出。2、工作原理P--482在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端，从I加入到三位数字量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。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间。

缺点是电路复杂，如三位ADC需比较器的个数目为7个位数越多矛盾越突出。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。3、电路特点：二、反馈比较型A/D转换器！简单！慢1、计数型基本原理：取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则D为所求值。2、逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似

。所加砝码重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝码总重<待测重量Wx，8克砝码保留砝码总重仍<待测重量Wx，4克砝码保留砝码总重>待测重量Wx，2克砝码撤除砝码总重＝待测重量Wx，1克砝码保留

结果8克12克12克13克

（1）.转换原理

所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。称重过程

逐次比较型A/D转换器1.转换原理

100…0100…0I

≥VREF/2

1I

<VREF/2

01.转换原理010…0110…0vi

≥3/4VREF

1010vi<3/4VREF

1.转换原理001…0101…0vi

≥5/8VREF

1010vi

<5/8VREF

1110000000vA=6.84VVREF=10V10101111

逐次比较型A/D转换器1100003位：5个CLKN位:(n+2)个CLK逐次比较型A/D转换器电路原理11000100021D/A转换器输出电压vO＝VREF/2,送入比较器C与vI比较；若vI＞vo则比较器C输出vc为1，否则为0。比较结果（1或0）送至数据寄存器的D4~D1。小结：

1、

逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；

2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间为（n+2）CP，与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；

逐次比较型A/D转换器式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得因此电容器被充电，其充电电流为i2设电容器C的初始电压为零，则积分电路复习当vI为阶跃电压时，有vO与t成线性关系积分电路复习9.3.4间接型A/D转换器1、双积分式A/D转换器的基本指导思想

对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值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，进而得到相应的数字量输出。该A/D转换器也称为电压－时间－数字式积分器。一、双积分型（V-T变换型）先将V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数。1、起始状态：计数器清零。2、VL=1，转换开始,（S0断开）。第一步，S1接通VI,积分器作固定时间T1的积分,VI保持不变。vo

VIT2vovI结论：输出数字D正比于模拟输入vI定时积分，(计数器设定)定值积分，(T2vO)电路实现双积分式A/D转换器优点：1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。

T1=2nTC3.不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。1.转换精度

A/D转换器的主要技术指标

单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。

分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。①以输出二进制(或十进制)数的位数表示;转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示，例如转换误差(1/2)LSB。②A/D转换器的主要技术指标2.转换时间

指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较A/D转换器的转换速度最高,逐次比较型A/D转换器次之,间接A/D转换器(如双积分A/D)的速度最慢。

并行比较A/D转换器(8位）

逐次比较型A/D转换器

间接A/D转换器10~50s<50ns10ms~1000ms选择A/D转换器例题例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1秒钟内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0~0.025V(对应于0~450℃温度范围)，需要分辨的温度为0.1℃，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？解：由题意可知要求的分辨率为

12位A/