《数字电子技术基础》第9章数模模数转换电路

《数字电子技术基础》第9章数模模数转换电路第一页，共35页。9.1D/A转换电路9.2A/D转换电路9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用第9章数/模和模/数转换电路第二页，共35页。

D/A转换电路按不同的分类方法划分有多种类型。按转换网络结构区分，有权电阻网络、倒T电阻网络、权电流网络等D/A转换电路。按半导体器件区分，有单极型CMOS和双极型TTLD/A转换电路。TTLD/A转换电路的转换速度高于单极型CMOSD/A转换电路，在转换速度要求较高的场合下，可选用双极型TTLD/A转换电路。9.1D/A转换电路第三页，共35页。图9.1.4是利用权电阻解码网络构成的D/A转换电路。图中包括四个主要部分：n个电子开关，n个权电阻（R/2n-1，R/2n-2，…，R/2，R）组成的解码网络，参考电压UREF（或称基准电压），求和运算放大器。图9.1.4权电阻网络D/A转换电路9.1D/A转换电路9.1.1权电阻网络第四页，共35页。

n位倒T电阻网络D/A转换电路原理图如图9.1.5所示。图9.1.5倒T电阻网络D/A转换电路9.1D/A转换电路9.1.2倒T电阻网络第五页，共35页。

倒T电阻网络D/A转换电路中的模拟开关存在着导通电阻和导通压降，它们会引起流过各支路的电流变化，产生转换电流误差问题。为了改进倒T电阻网络D/A转换电路的精度，可以采用恒流源代替各支路电阻产生电流的权电流D/A转换电路。9.1D/A转换电路9.1.3权电流D/A转换电路第六页，共35页。1）分辨率2）满量程3）失调误差5）温度系数4）非线性误差9.1D/A转换电路9.1.4D/A转换电路的主要技术指标1.转换精度第七页，共35页。1）建立时间2）转换速率ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.9.1D/A转换电路2.转换速度第八页，共35页。

A/D转换是D/A转换的逆过程，在A/D转换电路中，将一个输入连续的模拟信号变换为输出离散的数字信号。若模拟参考量为UERF，则输出数字量D和输入模拟量A之间的关系为9.2A/D转换电路第九页，共35页。在A/D转换过程中，有时需要用到采样保持电路，使输入A/D转换电路的信号在一次转换时间内保持不变。所谓采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。图9.2.3表示出了模拟信号与采样信号的波形关系。图9.2.3模拟信号采样过程9.2A/D转换电路9.2.1采样-保持电路第十页，共35页。假定被转换的模拟输入电压ui在0～UREF范围内变化。量化采用有舍有入方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段（量化阶梯），其中6段间隔为1/7UREF，另外两段间隔（最初和最末）为1/14UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过UREF/14，如图9.2.6所示。图9.2.6数字输出与模拟输入之间的对应关系9.2A/D转换电路9.2.2并行比较A/D转换电路第十一页，共35页。例9.2.1在图9.2.7电路中，已知UREF=12V，输入模拟电压4.9V，确定3位并行比较A/D电路的输出数字量。解：当输入模拟电压4.9V时，从图9.2.7电路中的比较器输入电压是在5UREF/14到7UREF/14之间，可得出输出C1C2C3C4C5C6C7=1110000。对照表9.2.1或分析电路图9.2.7，得到输出的数字量为011。9.2A/D转换电路第十二页，共35页。

在图9.2.8电路中，若使量化误差减小，提高精度，可采用有舍有入量化方法。图9.2.83位逐次比较A/D转换电路图9.2A/D转换电路9.2.3逐次比较A/D转换电路1.补偿电压电路第十三页，共35页。

逐次比较A/D转换电路不像并行比较A/D转换电路速度快，所以在模拟输入信号转换到数字信号期间，输入模拟量应该保持不变，输入端需设采样保持电路。9.2A/D转换电路2.采样-保持电路第十四页，共35页。

逐次比较A/D转换电路中包含D/A转换电路，其精度主要取决于D/A转换电路的精度。模拟信号转换到数字信号的过程中，移位寄存器在时钟的作用下，RS触发器不断地翻转，D/A转换电路的电子开关不断接通与断开，所有这些都将产生时间延迟。9.2A/D转换电路3.D/A转换电路第十五页，共35页。首先为3位D/A转换电路输入3位数字量，依次从高到低为100，由D/A转换电路转换为模拟电压uo，与ui进行比较，若uo较小，则再在次高位二进制码上置1，即给D/A转换电路置为110。若uo较大，则去掉100，换上010。9.2A/D转换电路4.比较器第十六页，共35页。由5个D触发器FA～FE连成模数为5的环形计数器和门电路组成。将环形计数器中FA先置“1”，在时钟CP的控制下，“1”按FA→FB→FC→FD→FE循环移位，同时在比较器输出信号的作用下，控制寄存器输出二进制数的变化。

9.2A/D转换电路5.控制逻辑电路第十七页，共35页。

3个边沿RS触发器用来暂存变化的二进制数字。1号触发器寄存二进制数的最低位（LSB），3号触发器寄存二进制数的最高位（MSB）。9.2A/D转换电路6.逐次比较寄存器第十八页，共35页。

GA、GB、GC与门组成了输出电路，当QE=1时，打开输出与门GA、GB、GC，读出经逐次比较后的二进制数码。9.2A/D转换电路7.输出电路第十九页，共35页。例9.2.2在图9.2.8中3位A/D转换电路中,3位D/A转换电路中参考电压UREF=7V，若模拟输入电压ui=5.6V，输出的3位数字量Q2Q1Q0为多少？解：经采样保持电路将输入模拟电压ui=5.6V转换ui=5.6V。开始环形计数器的QA=1，则RS触发器输出Q3Q2Q1=100，所以uo=4-0.5=3.5V。因为uo＜ui，所以CO=0。在第2个时钟脉冲上升沿到来后，QB=1，RS触发器输出Q3=1，Q2=1，此时Q3Q2Q1=110，所以uo=6-0.5=5.5V。因为uo＜ui，所以CO=0。接着第3个时钟脉冲上升沿到来后，QC=1，RS触发器输出Q3Q2Q1=111，经D/A转换器后uo=7-0.5=6.5V，使uo＞ui，CO=1。在第4个时钟脉冲上升沿到来后，QD=1，RS触发器Q3Q2Q1变化为110。在第5个时钟脉冲上升沿到来后，QE=1，打开输出门GA、GB、GC，将转换的数字结果读出，即模拟输入电压为5.6V时,转换为三位二进制码110。9.2A/D转换电路8.工作原理第二十页，共35页。

图9.2.10是一个n位双积分A/D转换电路，它由积分器A1、比较器A2、n位二进制计数器和控制逻辑电路四部分组成。图9.2.10双积分A/D转换电路9.2A/D转换电路9.2.4双积分A/D转换电路第二十一页，共35页。双积分A/D转换电路先把电压转换成中间量时间，再将时间转换为数字量，所以也称为VT转换电路。还可以把电压转换成其他物理量，如先把电压转换成频率，再将频率转换为数字量，即VF转换电路。上述介绍的转换方法属于间接转换，双积分A/D转换电路是间接转换方法中应用最为普遍的电路。逐次比较、并行比较等A/D转换方法直接将电压转换为数字，属于直接转换法。9.2A/D转换电路第二十二页，共35页。1）分辨率2）量化误差9.2A/D转换电路9.2.5A/D转换电路的主要技术指标1.转换精度第二十三页，共35页。1）转换时间2）转换速率9.2A/D转换电路2.转换速度第二十四页，共35页。

并行数字量输入集成DAC进行转换时，输出建立时间短。随着输入数字量的增多，引脚增多，芯片面积较大，与其他器件连接也较为复杂，下面介绍并行数据输入的集成DAC1210。9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用9.3.1集成D/A转换电路及其应用第二十五页，共35页。（3）控制电路。（2）D/A寄存器。（1）输入寄存器。9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用1.并行数字量输入集成DAC1210第二十六页，共35页。在不考虑转换时间的场合下，为了减少输入二进制输入端的数量，使电路简单，采用串行数字量输入集成D/A转换电路。其特点是芯片引脚少，体积小，电路简单。下面介绍串行数据输入的集成MAX515。集成MAX515是MAXIM公司生产的DAC产品，功能框图如图9.3.4所示。主要由10位并行DAC寄存器、10位倒T电阻网路、16位串行移位寄存器组成。9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用2.串行数字量输入集成MAX515第二十七页，共35页。图9.3.4串行输入MAX515功能框图9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用第二十八页，共35页。ADC0809采用CMOS工艺制造，内部结构如图9.3.5所示，ADC0809输出是8位数据，输入通道配备8路，可分时选通8路模拟量进行转换。输出设有三态TTL锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。图9.3.5A/D转换电路0809结构框图9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用9.3.2集成A/D转换电路及其应用第二十九页，共35页。

例9.3.2图9.3.6所示电路由8位ADC0809、4位二进制计数器74161和16×8的RAM构成，分析电路逻辑功能。图9.3.6例9.3.29.3集成D/A与A/D转换电路及其应用第三十页，共35页。解：（1）图9.3.6中的8位ADC0809两个参考电压输入端UREF(+)与UREF(-)可分别连接到UDD和GND。OE接高电平输出使能。ADDCADDBADDA=000，则选择IN0通道的模拟输入信号进行转换。若START、ALE和EOC相连，可分析上一次转换结束后，EOC发出高电平脉冲信号，使寄存器复位，地址选定了通道。EOC(START)在下降沿时，又开始新一轮的A/D转换，则上一次转换结束就是下一次转换的开始。（2）ADC0809每转换一次，EOC发出一个高电平时钟脉冲信号，发给4位8421码二进制计数器74161的时钟输入端。74161的输出按0000到1111计数，往复循环。（3）74161的输出数据控制16×8RAM的地址输入端，而ADC0809的数字量送到16×8RAM的数据输入端。每次ADC0809转换后的数据在EOC时钟脉冲的作用下存入16×8RAM，不断记录，但最多存放16个8位二进制数据。因此图9.3.6是一个简易数字采集存储电路。9.3集成D/A与A/D转换电路及其应用第三十一页，共35页。本章小结A/D转换电路和D/A转换电路是电子系统设计过程中的关键环节，为现实中的各种物理量（或被转换成的模拟电压或电流信号）和数字测量、处理的数字量起着沟通的作用。数字系统的精度和速度主要取决于A/D和D/A转换电路，因此A/D和D/A转换电路的转换速度、转换精度是主要技术指标。随着集成电路工艺制造技术的发展，A/D和D/A转换电路的转换速度、转换精度、噪声、功耗等性能有了很大的进步，目前最快的A/D转换电路的转换速度超过350MHz，最大分辨率已超过24位。常用的集成D/A转换主要采用权电阻网络、权电容网络、用双极型的权电流和用CMOS倒T电阻网络等方法。由于倒T电阻网络电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，在集成D/A转换电路中被普遍采用。双极型的权电流方法因采用恒流源和高速模拟开关具备了转换精度高、转换速度快的优点，适用于高速、高精度D/A转换的场合。第9章数/模和模/数转换电路第三十二页，共35页。本章小结输入数字量的数据格式可分为两类：数字量