数字逻辑与数字系统

数字逻辑与数字系统第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统本章内容第十章数模转换器与模数转换器1

数模转换器的功能和基本原理模数转换器的功能和基本原理3DAC和ADC的应用第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

概述在实际工程中大量遇到的是连续变化的物理量。所谓连续，包括两方面的含义：一方面从时间上来说，它是随时间连续变化的；另一方面从数值上来说，它的数值也是连续变化的。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。在数字系统内部，只能对数字信号进行处理。必须先转化成离散的数字信号，再输入数字系统识别和处理；又必须把数字系统发出的控制命令等转化为模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这两个过程，都需要数/模和模/数转换接口来完成。第十章数模转换器与模数转换器第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

概述数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

模数转换即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。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

第十章数模转换器与模数转换器第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统A/D

转换器

D/A

转换器

模拟

控制器

工业生产过程控制对象

模

拟

传感器

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制

计算机

概述A/D和D/A转换器是把微型计算机的应用领域扩展到检测和过程控制的必要装置，是把计算机和生产过程、科学实验过程联系起来的重要桥梁。第十章数模转换器与模数转换器第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流数字计算机工业控制系统示意图由计算机依次选通，进入ADC转换成数字量信号经过计算机数据处理，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统10.1数模转换器(DAC)

D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。

D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。uO＝DnUREF第十章数模转换器与模数转换器第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统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，从而实现数字量--模拟量的转换。①实现D/A转换的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20将二进制数ND＝(11001)B转换为十进制数。D/A转换的基本原理第十章数模转换器与模数转换器第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。①实现D/A转换的基本思想D/A转换的基本原理第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入

用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码

由输入数字量控制

产生权电流

将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压②

D/A转换器的组成D/A转换的基本原理第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统③

D/A转换器的分类:按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC

权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转

换

器D/A转换的基本原理第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统(1)T型电阻网络DAC

R-2RT型电阻网络DAC是由模拟开关、R-2R电阻网络、运算放大器、基准电压几部分组成。10.1数模转换器(DAC)T型电阻网络模拟开关运算放大器（求和运算）基准电压第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

10.1数模转换器(DAC)由R和2R两种规格电阻组成电阻网络，常称为R-2RT型D/A转换器，S0、S1

、S2

、S3四个模拟开关，表示数字信号d0、d1

、d2

、d3的取值情况。2R4位T型电阻网络DAC电路第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

10.1数模转换器(DAC)总电流I2R34位T型电阻网络DAC电路第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

10.1数模转换器(DAC)4位T型DAC电路输出电压为：2R第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

10.1数模转换器(DAC)4位T型电阻网络DAC电路输出电压为：2R第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统例：设8位T型电阻网络DAC如图所示，已知UREF＝－10V，输入量数字D＝11010110。试求：(1)RF＝3R时，输出模拟电压U0＝？(2)RF，＝2R时，输出模拟电压U0，＝？

10.1数模转换器(DAC)第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统例：设8位T型电阻网络DAC如图所示，已知UREF＝－10V，输入量数字D＝11010110。试求：(1)RF＝3R时，输出模拟电压U0＝？(2)RF，＝2R时，输出模拟电压U0，＝？

10.1数模转换器(DAC)解：在电路中n＝8，D＝11010110

（1）当RF＝3R时，由可得：第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统例：设8位T型电阻网络DAC如图所示，已知UREF＝－10V，输入量数字D＝11010110。试求：(1)RF＝3R时，输出模拟电压U0＝？(2)RF，＝2R时，输出模拟电压U0，＝？

10.1数模转换器(DAC)解：在电路中n＝8，D＝11010110（2）当RF＝2R时，

第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统模拟开关S3-S0表示四位二进制数四位的二进制数当Di=1表示Si接1,电阻上通过电流流向I01当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端各节点向右看的二端网络的等阻值为R

等效电路为4位倒T型电阻网络DAC电路

10.1数模转换器(DAC)第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统由基准电源VREF供出电流为:IR=VREF/R因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有等效电路为4位倒T型电阻网络DAC电路第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统同理可以得出：当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,

4位倒T型电阻网络DAC电路

10.1数模转换器(DAC)第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反相求和运算电路。可得输出电压为：若取Rf=R,则D/A转换后的输出电压表示为:同理,当Di为n位的二进制数,则相应R-2R倒T形电阻网络也有n个节点,则D/A转换后的输出电压为:4位倒T型电阻网络DAC电路

10.1数模转换器(DAC)第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统DAC的主要参数

10.1数模转换器(DAC)分辨率

这是D／A转换器中最重要的指标，它表示D/A转换器对模拟量的分辨能力。理论定义为最小输出电压(对应的输入数字量仅最低位为“1”)与最大输出电压(对应的数字输入量为全“1”)之比。对于前述4位D/A转换器，其分辨率为1/15。分辨率越高，转换时对应最小数字输入的模拟信号电压数值越小，也就越灵敏。通常，使用数字输入量的位数来给出分辨率。例如，单片集成D/A转换器AD7522的分辨率为10位，单片集成D/A转换器ADll47的分辨率为16位等。第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统DAC的主要参数

10.1数模转换器(DAC)线性度

通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。而非线性误差为理想的输入/输出特性曲线与实际转换曲线的偏差，一般取偏差的最大值表示。转换精度

转换精度以最大的静态转换误差（综合误差）的形式给出。这个转换误差应该是包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。但是有的产品说明书中,只是分别给出各项误差,而未给出综合误差。应该注意,转换精度和分辨率是2个不同的概念。精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果发生影响的最小输入量,对于分辨率很高的D／A转换器并不一定具有很高的精度。第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统DAC的主要参数

10.1数模转换器(DAC)建立时间

所谓建立时间，系指数模转换器中的输入代码有满度值的变化时,其输出模拟信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值±1/2LSB精度时所需要的时间。对于一个理想的D/A转换器,其数字输入信号从一个二进制数变到另一个二进制数时,其输出模拟信号电压,应立即从原来的输出电压跳变到与新的数字信号相对应的新的输出电压。但是在实际的D/A转换器中,电路中的电容、电感和开关电路会引起电路时间延迟。不同型号的D/A转换器，其建立时间不同,一般从几个纳秒到几个微秒。输出形式是电流的,其D/A转换器的建立时间是很短的；输出形式是电压的,D/A转换器的主要建立时间是其输出运算放大器所需的响应时间。第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统T型/倒T型电阻网络D/A转换器的特点：①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。

10.1数模转换器(DAC)第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统

A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。A/D转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出

10.2模数转换器(ADC)第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.取样和保持取样过程采样脉冲输入模拟信号采样输出信号

10.2模数转换器(ADC)A/D转换器的基本工作原理第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统10.3模数转换器(ADC)1.取样和保持A/D转换器的基本工作原理第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于τ，则有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样②采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形1.取样和保持A/D转换器的基本工作原理第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。2.量化和编码将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq

。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位Δ，位数越多，量化等级越细，Δ就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。A/D转换器的基本工作原理

10.2模数转换器(ADC)第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统1)只舍不入法

当Uo的尾数＜Δ时，舍尾取整。这种方法ε总为正值，εmax＝Δ

。2)有舍有入法

当Uo的尾数＜Δ/2时，舍尾取整；当Uo的尾数≥Δ/2时，舍尾入整。这种方法ε可正可负，但是|ε

max|=Δ

/2。可见，它的误差要小。2.量化和编码A/D转换器的基本工作原理第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。A/D转换器的主要电路形式

10.2模数转换器(ADC)第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统逐次逼近型A/D转换器它是一种常用A/D转换方式,转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型A/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。

(1)先在砝码盘上加上128g砝码，经天平比较结果，重物149g<128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。

（2）再加64g砝码，经天平比较，重物149g<(128+64)g，则舍下64g砝码，即相当于数码记为0。

10.2模数转换器(ADC)第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下，否则舍去。保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7—D0=10010101逐次逼近型A/D转换器被保留的电压相当于天平所称的物体质量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码质量。

10.2模数转换器(ADC)第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统逐次逼近型A/D转换器原理图逐次逼近型A/D转换器

10.2模数转换器(ADC)第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器数码寄存器环形右移寄存器逐次逼近型A/D转换器第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压=0.5V,作为量化误差修正,送入比较器的电压为uO‘=uO-,使精度提高一倍。

3位D/A转换器输出的相当于砝码值的电压,根据D/A转换器原理可知,若VREF=8V,则3位DAC能分辨的最小电压为S==×8V=1V

在CP时钟脉冲作用下，QA~QE逐个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍脉冲逐次逼近型A/D转换器第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2FF1、FF0清零。设QAQBQCQDQE

=10000G变为高电平以后，转换开始。逐次逼近型A/D转换器第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统Q2=1应保留5.9V10000第一个节拍1003.5V001000工作原理逐次逼近型A/D转换器第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统Q1=1应保留Q2=Q1

=1应保留5.9V第二个节拍1100010005.5V00100工作原理逐次逼近型A/D转换器第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统Q2=Q1

=1应保留5.9V第三个节拍11116.5V00100Q0=1不应保留00010工作原理逐次逼近型A/D转换器第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六数字逻辑与数字系统5.9V第四个节拍1100