数字电路基础 课件 第8章 数模和模数转换器

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辑D/A转换器A/D转换器本章导读数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），能实现D/A转换的电路称为D/A转换器。模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），能实现A/D转换的电路则称为A/D转换器。一般在微型计算机工业检测与控制、数字测量仪表、数字通信等领域中，常常需要用到数模和模数转换。本章主要介绍D/A转换器和A/D转换器的原理、电路结构和主要技术指标。掌握D/A转换器和A/D转换器的电路结构、工作原理和技术参数01了解数字控制系统原理,集成D/A转换器和A/D转换器的典型系列产品02掌握权电阻网络D/A转换器的工作原理03学习目标掌握逐次逼近型A/D转换器的工作原理04D/A转换器A/D转换器8.1.1D/A转换器的结构D/A转换的结构如图8.1.1所示。它由数码锁存器、电子开关、电阻网络和求和电路构成。数/模转换是需要时间的，数码锁存器的作用就是把要转换的输入数字暂时保存起来，便于完成数/模转换。电子开关有两挡位置，一挡接基准电压UREF，一挡接地（U=0）。电子开关受数码锁存器中的数字控制，当数字为1时，开关接于UREF，为0时接地。电阻网络由不同阻值的电阻构成，电阻的一端跟随开关的位置分别接UREF或接地。当接UREF时，电阻上有电流，接地时无电流。求和电路的作用是把电阻网络中各电阻上的电流汇合起来，再经过一个输出反馈电阻形成输出电压。输入的数字量越大，汇合的电流也越大，输出电压越高，使输出电压与输入的数字成正比例关系，从而实现数字量到模拟量的转换。

8.1.1D/A转换器的结构

根据电阻网络结构可分为权电阻网络D/A转换器，T形D/A转换器、倒T形电阻网络D/A转换器和倒T形D/A转换器。图8.1.1数/模转换结构图

8.1.1D/A转换器的结构1.权电阻网络D/A转换器权电阻网络D/A转换器（4位）的电路结构如图8.1.2所示。它由基准电压UREF、权电阻电路R3～R0、求和运算电路A和电子模拟开关S3～S0组成。图8.1.24位权电阻型D/A转换器原理图

8.1.1D/A转换器的结构

权电阻型D/A转换器的工作原理如下：在反相加法运算放大器的各输入支路中接入不同的权电阻，使其在运算放大器输入端叠加而成的电流与相应的数字量成正比，然后利用运算放大器将电流转换成电压的原理，在其输出端得到一个与相应数字量成正比的电压。运算放大器输出的模拟电压量与输入数字量的关系为uo=UR·D式中，D为输入的数字量；uo为运放输出的模拟电压量；UR为基准电压，也是输出量与输入量的比例系数。

8.1.1D/A转换器的结构

对于一个4位二进制数，D=D3D2D1D0=D323+D222+D121+D020，其中23、22、21、20分别表示各位的权，将它们代入uo=UR·D可得uo=UR（D323+D222+D121+D020）

8.1.1D/A转换器的结构

这样，在参考电压UR的作用下，各电阻上流过的电流与权对应，所以称I3～I0为权电流，相对应的各支路的电阻则为权电阻，此时输出电压电压与对应的二进制数（1111）B成比例。

8.1.1D/A转换器的结构但二进制数除了数字“1”外，还有可能为“0”。可在每一条权电阻支路中串入电子模拟开关S。当电子模拟开关的控制端数字D为“1”时，相应的电子开关将此支路的电流引入求和运算电路；当控制端数字D为“0”时，相应的电子开关将此支路的电流直接引入接地端，电流就不能流入运算放大器。设输入二进制数字为（1010）B，即D2和D0为0，开关S2和S0将电流引入接地端，而D3和D1为1，开关S3和S1将电流引入求和运算电路，流入求和电路的电路为

8.1.1D/A转换器的结构8.1.2D/A转换器的主要技术指标D/A转换器的主要技术参数有以下几种。1.分辨率一个N位D/A转换器的额定分辨率就是最低位（LSB）的相对值，即。由于该参数是由D/A转换器数字量的位数N所决定的，故常用位数表示，如8位（bit）、12位、16位等。位数越多，输出电压可分离的等级就越多，分辨率也越高。2.精度精度是指输入端加有最大数值量（全1）时，D/A转换器的实际输出值和理论计算值之差，它主要包括以下几点。8.1.2D/A转换器的主要技术指标（1）非线性误差。当每两个相邻数字量对应的模拟量之差都是2N-1时，即为理想的线性特性。在满刻度范围内，偏离理想的转换特性的最大值称为非线性误差。它是由电子开关导通的电压降和电阻网络的电阻值的偏差产生的。常用满刻度的百分数来表示。（2）比例系数误差。它是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的误差，是由参考电压UR的偏离引起的，也用满刻度的百分数来表示。（3）失调误差。它是由运算放大器的零点漂移引起的误差，与输入的数字量无关。8.1.2D/A转换器的主要技术指标3.建立时间D/A转换器的输入变化为满刻度时，其输出达到稳定值所需的时间称为建立时间或稳定时间，也称转换时间。除上述参数外，还有电源电压和输出值范围等，这些都在手册中查到。8.1.3集成D/A转换器集成D/A转换器主要有8位D/A转换器DAC08系列和12位D/A转换器DAC12系列产品芯片，DAC08系列产品包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，DAC12系列包括DAC1208、DAC1209和DAC1210，它们可以完全代换。DAC08系列的D/A转换器集成芯片具有价格低廉，接口简单、转换控制容易等特点，因此目前还在很多技术领域被使用。下面以DAC08系列的DAC0832为例，介绍集成D/A转换器的内部结构、工作原理和使用方法。8.1.3集成D/A转换器5.DAC0832的内部结构8.1.3集成D/A转换器图8.1.5DAC0832内部结构示意图8.1.3集成D/A转换器图8.1.5中的UR为外部标准电压输入端，工作电压范围为+10V～-10V；IOUT1和IOUT2是一组差动模拟电流输出端，当DAC锁存器中的数码为全“1”（最大）时，IOUT1的电流最大；为全“0”（最小）时，IOUT1=0；RFB是内部反馈电阻引出端，该引出端可以直接接到外部运算放大器的输出端；UCC是芯片的工作电压输入端，电压范围为+5V～+15V，15V时工作为最佳；AGND是模拟地，接于系统的模拟电路的工作地电压；DGND是数字地，接于系统数字电路的地电压。概述施密特触发器8.2.1A/D转换器的基本原理A/D转换器的原理框图如图8.2.1所示，要实现模拟量到数字量的转换，通常要经过取样-保持、量化和编码等过程。图8.2.1A/D转换器的原理框图8.2.1A/D转换器的基本原理1.取样-保持取样就是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，并为A/D转换保持一定的时间。取样-保持电路基本形式如图8.2.2所示，UI为输入模拟信号，UO为输出信号。取样脉冲fS的波形如图8.2.3所示，fS高电平经历的时间是取样时间，低电平经历的时间是保持时间。8.2.1A/D转换器的基本原理图8.2.2取样-保持电路的基本形式

图8.2.3取样脉冲fS波形图8.2.1A/D转换器的基本原理在图8.2.2中，VT是N沟道增强型MOS管，作为模拟开关。当取样脉冲fS为高电平时VT导通，输入模拟信号UI经RI和VT向电容C充电。若取RI=RF，充电结束后，UO=UC=-UI，UC是电容C上的电压。当fS为低电平时VT截止，由于VT的漏电阻和运放的输入电阻都很大，电容C上的电压和输出电压可以保持一定时间。取样过程的实质就是将连续变化的模拟信号，变成一连串等距而不等幅的脉冲过程。为了能正确无误地用取样信号代替输入信号，取样脉冲必须有足够高的频率。奈奎斯特（Nyquist）取样定理证明，为了保证被取样的原始信号能不失真地恢复，取样频率脉冲的频率fS必须大于或等于信号中最高频率fimax的两倍，即

fS≥2fimax8.2.1A/D转换器的基本原理2.量化虽然取样输出是由离散电平构成，但电平的等级数还是无穷的，还不能用有限位数字来表示这些等级数，因此必须把取样电平规范到某个最小单位电压的若干倍，这个转换过程叫做量化，所取的最小单位电压称为量化单位，用Δ表示。显然，Δ就是把模拟量转化成数字量后的数字最低有效位为1时，代表的输入电平的大小。3.编码由于量化等级数是有限的，所以可以用有限位二进制数来表示。把量化后Δ的倍数用二进制数表示称为编码。编码有不同的方式，例如自然二进制数编码、循环码和BCD码等。经过编码后，输入信号就转换成一组由n位的二进制符号构成的数字输出。8.2.2A/D转换器的类型A/D转换器的种类很多，按转换后的数字位数来分，有8位、10位、12位、16位等A/D转换器。位数越高，其分辨率就越高。按转换原理来分，有直接转换型和间接转换型两大类。本章以直接转换型为例来介绍。1.直接型A/D转换器直接型（也称比较型）A/D转换器能把输入的模拟电压，直接转换为数字量，而不需要经过中间变量。在直接型A/D转换器中，将取样-保持后的输入信号电压与基准电压比较，在比较的过程中输入电压被量化为数字量，通过计数器计数并输出转换结果。常用的直接型电路有逐次逼近型A/D转换器。8.2.2A/D转换器的类型逐次逼近型A/D转换器电路的原理框图如图8.2.4所示。电路主要由控制逻辑、逐次逼近寄存器、D/A转换器、电压比较器和输出缓冲器等组成。数字输出有n位，即Qn-1～Q0，其中Qn-1是最高位（MSB），Q0是最低位（LSB）。图8.2.4逐次逼近型A/D转换器原理框图8.2.2A/D转换器的类型电路在启动脉冲的启动下开始工作，n位逐次逼近型A/D转换器需要n+1个时钟完成一次转换，或者说分为n+1个步骤进行。第一步，控制逻辑使复位后的逐次逼近寄存器的最高位Qn-1为1，然后将Qn-1=1经过D/A转换，产生相应的输出送电压比较器，与取样-保持后的输入电压UI进行比较。第二步，根据第一步的比较结果决定Qn-1的去留，如果由Qn-1=1产生输出电压低于输入电压，则Qn-1=1被保留；若高于输入电压则使Qn-1=0。同时还使次高位Qn-2=1，然后由Qn-1和Qn-2组成最高两位二进制数，经D/A转换后与输入电压比较。以此类推，当第n步到来时，根据上一步的比较结果，决定Q1=1的去留，并使Q0=1，组成n位数字后与输入电压比较。第n+1步，根据比较结果决定Q0=1的去留。至此，完成一次A/D转换，控制逻辑打开输出缓冲器，把转换后的数字送出。8.2.2A/D转换器的类型根据上述分析可知，n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换的时间是（n+1）TCP，其中TCP是输入时钟的周期。逐次逼近型A/D转换器具有转换速度快和转换精度高的特点，因此是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种电路结构。8.2.3A/D转换器的主要技术指标转换精度和转换速度是A/D转换器的主要技术指标。1.转换精度在A/D转换器中采用分辨率（又称分解度）和转换误差来描述转换精度。分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。有N位输出的A/D转换器能区分输入模拟信号的2n个不同等级。因此，其分辨率为：分辨率=UIMAX/2n式中，UIMAX是输入模拟信号的最大值。8.2.3A/D转换器的主要技术指标【例8.2.1】已知8位A/D转换器的基准电压UR=5.12V，求当输入为UI=3.8V时的数字量输出。解：根据题意可知，A/D转换器的基准电压UR就是输入信号的最大值。8位A/D转换器的分辨率（以Δ表示）为Δ=UIMAX/28=UR/256=5.12/256=0.02（V）输入UI=3.8V时的数字量输出为UI/Δ=3.8/0.02=（190）10=（10111110）28.2.3A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的转换误差通常以输出误差的最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论上应得到的输出数字量之间的差别。通常规定转换误差应小于+LSB，即实际输出数字量和理论上输出数字量之间的误差，应小于最低有效位的半个字。转换误差也反映了A/D转换器所能辨认的最小输入量，因而转换误差与分辨率是统一的，提高分辨率可减小转换误差。8.2.3A/D转换器的主要技术指标2.转换速度A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度差异很大。并联比较型A/D转换器的转换速度最快，完成一次转换的时间一般不超过50ns。逐次逼近型A/D转换器的转换速度次之，一般在10μs～100μs之间。双积分型A/D转换器的转换速度最慢，一般在数十毫秒至数百毫秒之间。8.2.4集成A/D转换器集成A/D转换器的品种较多，目前使用广泛的有逐次逼近型、V-F转换型和双积分型三种，下面以逐次逼近型A/D转换器ADC0809为例，介绍集成A/D转换器的内部结构、工作原理和使用方法。1.ADC0809的内部结构ADC0809是NEC公司生产的8路模拟输入逐次逼近型A/D转换器，采用CMOS工艺。ADC0809的内部结构如图8.2.5所示。8.2.4集成A/D转换器图8.2.5ADC0809的内部结构8.2.4集成A/D转换器芯片内部包括通道选择开关、通道地址锁存与译码、8位逐次逼近型A/D转换器、定时与控制、输出控制等电路。其中，通道选择开关用于选择IN0～IN7这8路模拟输入中的某一个输入完成A/D转换；通道地址锁存与译码用于锁3位地址ADDC、ADDB和ADDA，锁存信号为ALE。当ADDC、ADDB和ADDA为“000”时，译码输出控制通道选择开关的模拟输入IN0选中；当ADDC、ADDB和ADDA为“001”时，选中IN1，以此类推。8位逐次逼近型A/D转换器用于完成选中的模拟输入的A/D转换，其转换需要的基准参考电压UR（+）和UR（－），一般将UR（+）接电源正极，UR（－）接电源负极（地）；定时与控制用于完成整个转换电路的时序脉冲的产生与控制，其时钟输入端为CLOCK，启动A/D开始控制输入端为START，当START的上升沿到来时，转换器开始转换，输入输出端EOC用于反映A/D转换的进程，当EOC的下降沿到来时，表示A/D转换开始，当EOC的上升沿到来时，表示A/D转换结束；输出控制用于控制A/D转换结束后的数据输出，其控制输入端为OE，当OE为高电平时，数据输出D7～D0有效，当OE为低电平时，