第13章-数模与模数转换器课件

第13章数/模与模/数转换器

13.1数/模（D/A）转换器

13.2模/数（A/D）转换器

6/13/2023引言模拟信号数字信号：

A/D转换器(ADC－AnalogDigitalConverter)数字信号

模拟信号：

D/A转换器(DAC－DigitalAnalogConverter)图13-1A/D和D/A转换器应用示意图6/13/2023A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压力、流量、应力等）采样/保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等6/13/202313.1数/模（D/A）转换器常用在电阻网络D/A转换器和T形电阻网络D/A转换器13.1.1权电阻网络D/A转换器权电阻网络、电子开关、基准电压源和运算放大器等部分组成。图13-2

权电阻网络D/A转换器6/13/20231.电子开关的作用及其组成双向电子开关分别受输入二进制数码的控制

图13-35位二进制数11010D/A转换示意图6/13/2023电子开关由晶体管或场效应晶体管构成

图13-4

晶体管双向电子开关2.权电阻网络权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和每一位的“权”相对应，所以称为权电阻网络6/13/2023运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可以将权电阻网络所转换得的各位模拟量相加，最后获得D/A转换。3.运算放大器6/13/2023

D/A的组成输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:模拟电子开关D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3++-3R3R/2UO6/13/2023VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0V

D/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R++-3R/2R等效电路3R0000AV=-16/13/2023VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO

D/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV=-13R6/13/2023VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO

D/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-16/13/2023D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8

当D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/166/13/2023

D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根据叠加原理:UO=–(D3VREF/21+

D2VREF/22+

D1VREF/23+

D0VREF/24)=–(D3/21+

D2/22+

D1/23+

D0/24)VREF

=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)6/13/2023UO=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)D/A转换原理(续)此式表明:D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比6/13/2023

例13-1

设，试分别求出二进制数1010和1111相对应的模拟输出量。解：

（1）当数字量为1010时（2）当数字量为1111时显然，输出模拟量与输入数字量成正比权电阻网络D/A转换器的优点：电路结构简单，可适用于各种有权码；缺点：阻值有一定的误差，且易受温度变化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大6/13/202313.1.2T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换器只采用了R、2R两种阻值的电阻，克服了权电阻网络D/A转换器的不足在集成D/A转换芯片中得到更广泛的应用图13-5T形电阻网络D/A转换器6/13/2023基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：

输出电流和各支路电流的关系为：

因为

输出模拟电压Uo：

T形电阻网络D/A转换器的输出模拟电压Uo与输入的数字量成正比（13-4）

6/13/2023一般取RF=R，则式（13-4）可写成如下形式（13－5）T形电阻网络D/A转换器的特点：电子开关Sk不管是接地还是接虚地，流过各支路2R电阻中的电流总是近似恒定值，在集成芯片中应用得最广泛

6/13/202313.1.3D/A转换器主要技术指标1.分辨率

DAC电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与最大输出电压Um之比称为分辨率，它是转换器的一个重要参数，其表示式为：2.线性度通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性度，并且把偏离理想的输入—输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。6/13/20233.绝对精度在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实际模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为绝对精度，它描述了在整个工作区内实际的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差4.建立时间实际上D/A转换器内的电容、电感和开关电路均存在时间延迟，即经过一段时间才能使新的模拟量稳定下来，这段时间就是D/A转换器的建立时间，它反映了D/A转换器的转换速度。6/13/202313.1.4集成D/A转换器举例集成D/A转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数的位数分类有8位、10位、12位和16位等多种。8位的如DAC0832、DAC0808，10位的如DA7533、DA7520，12位的如DA7543等。CC7520集成D/A转换器（相应的国产型号为5G7520）图13-6CC7520集成D/A转换器6/13/2023在其基本应用电路图13-6中，运算放大器的输出电压为图13-7CC7520的CMOS电子开关6/13/202313.2模/数（A/D）转换器13.2.1A/D转换器概述A／D转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接A／D转换器

一类是间接A／D转换器

A/D转换采样和保持量化和编码两大步骤采样—保持电路来完成A/D转换器内实现6/13/2023将一个时间上和幅值上连续的模拟量vI转换成时间上离散的模拟量vS的过程称为采样:图13-8

模拟信号的采样采样后，vI被转换成连续的相等时间间隔的脉冲信号，其幅值等于采样时输入模拟量的值采样后的电压需要保持一段时间6/13/2023把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。只舍不入

有舍有入

图13-9

划分量化电平的两种方法示意图用数字代码表示量化结果的过程叫做编码6/13/202313.2.2并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器（量化标尺）、电压比较器、寄存器和编码电路4部分组成。图13-10电路为2位二进制数输出的并联比较型A/D转换器

6/13/2023表13-1

图13-10中输入模拟电压和输出数码之间的关系

输入模拟电压UI寄存器状态C2C1C0数字输出D2D100000001010111011111最大量化误差为。6/13/2023并联比较型A/D转换器（三位）原理(补充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI6VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=0UI6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编码器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密参考电压精密电阻网络（23个电阻）输出数字量CPUIVR/8时，输出=1UIVR/8时，输出=06/13/2023并联比较型A/D转换器中的编码器真值表

UIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D0

6VR/8

>UI>5VR/8

0011111101

5VR/8

>UI>4VR/8

0001111100

7VR/8

>UI>6VR/8

0111111110VR>UI>7VR/8

1111111111

4VR/8

>UI>3VR/8

0000111011

3VR/8

>UI>2VR/8

0000011010

2VR/8

>UI>VR/8

0000001001

VR/8

>UI>

0

0000000000特点：输入电压UI每增加VR/8

，输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）6/13/202313.2.3逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换的过程与天平称物重量的过程相似逐次逼近型A/D