电子技术基础 数字部分（第8版）课件9 模数与数模转换器

《电子技术基础》（数字部分）第八版华中科技大学AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter9.1D/A转换器9.2A/D转换器9模数与数模转换器3、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。教学基本要求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

计算机概述处理模拟信号的模拟电路:模拟电路与数字电路的接口模数（数模）转换电路。AnalogtodigitalconverterEncoderMp3(wma)CDromMemory模拟电路模数混合电路

数字电路9.1D/A转换器9.1.1权电阻网络D/A转换器9.1.3权电流型D/A转换器9.1.5D/A转换器的双极性输出方式9.1.4电阻串联分压式D/A转换器9.1.6D/A转换器的技术指标9.1.7D/A转换器的应用9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器9.1.1权电阻网络D/A转换器

二进制每位代码都有一定的权值，按其权的大小转换成模拟量，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

NB=Dn×2n+Dn-1×2n-1+…+D1×21+D0×20

用加权和将二进制数转换为十进制数2.

实现D/A转换的原理电路

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按电子开关分类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

器电阻串联分压式DAC9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器Di=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、4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压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。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入运放的总电流：i

=

I0+I1+I2+I3输出模拟电压：

电路的输出电压与输入的二进制数成正比，实现了数字量到模拟量的转换。4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：n位DAC有：令：则

O=–KNB

SC3534_D/A转换器使用:1)要外接运放，2.集成倒T形电阻网络D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器

2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可用外接电阻）(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；(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。为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等SC3534_D/A转换器Di=1时，开关Si接运放的反相端;Di=0时，开关Si接地。9.1.3权电流型D/A转换器1.4位权电流D/A转换器在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。2.实际的权电流D/A转换器电路电压恒定各BJT的发射结电压相等基准电流产生电路++-输入数字量D2D1D0通过3-8线译码器控制相应开关导通，使对应节点电压通过缓冲器输出。9.1.4电阻串联分压式D/A转换器1.3位电阻串联分压式D/A转换器DAC121S101是CMOS12位D/A转换器2.集成电阻串联分压式D/A转换器SDI:串行输入端SCLK：时钟输入SYNC:帧同步输入端(通信系统中，在发送端需提供每帧的起始标记，在接收端检测并获取这一标志的过程称为帧同步)n

位无符号二进制数R-2R倒T型DAC单极性模拟量VREF＞0，vo为负值。VREF＜0，vo为正值。9.1.5D/A转换器的双极性输出方式1、单极性输出2.具有双极性输出的D/A转换器十进制数补码偏移码+701111111+601101110+501011101………+100011001000001000-111110111

…

……

-710010001-810000000

计算机中用偏移码表示有符号的数，0表示负数，1表示正数。偏移码将补码最高位取反得到。

如果将偏移码作为4位无符号二进制数，转换成10进制后，减去8，就是其对应的十进制结果。如：15(1111)-8(1000)=+7。1.具有双极性输出的D/A转换器IB应取值为输入1000对应的电流，即IB=I/2，I=VREF/R偏移电路反相器1.具有双极性输出的D/A转换器十进制数补码偏移码电流iO+701111111(7/16)I+601101110(6/16)I+501011101(5/16)I…………+100011001(1/16)I0000010000-111110111-(1/16)I

-710010001-(7/16)I-810000000-(8/16)I将补码带入方程得到双极性输出电流。经过运放变成双极性电压输出。3.用单极性D/A转换器实现双极性输出其中，NB为补码，（NB+23）为偏移码。10.1.6D/A转换器的主要技术指标VLSB：输入数码最低位为1，其余位为0时的输出值。Vmax：输入所有位为1时的输出电压。分辨率定义为：最小输出电压VLSB与最大输出电压Vmax之比。n位D/A转换器的分辨率可表示为1、分辨率生产厂商常用位数表示，n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。2、转换精度转换精度也称为转换误差，是指D/A转换器实际转换特性与理想转换特性之间的最大偏差。有静态误差与动态误差之分。几种转换误差：失调误差、增益误差、级差非线性误差和整体非线性误差等2、转换精度（1）失调误差又称为零点偏移误差，是指输入数字量全为0时，D/A转换器实际值与起始零点之间的偏差。产生原因：主要是放大器的零漂。2、转换精度（2）增益误差又称为比例系数误差，是指修正了失调误差后，实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率之间的最大偏差。

与输入数字量成正比。输入全1时，误差最大。产生原因：VREF或运放闭环增益偏离设计值所致。（3）级差非线性误差DNL是指任何两个相邻数字量所对应的模拟量的实际差值和理想步长之间的相对偏差。如左图。（4）整体非线性误差INL是指实际转换特性曲线与两个端点连线之间的最大偏差。如右图。2、转换精度通常用稳定时间和转换速率描述。（1）稳定时间指输入数字量变化时,输出稳定在规定的误差范围所需的时间。一般用输入的数字量从全0变为全1时,输出电压（或电流）进入与稳态值相差(±LSB/2)范围以内时所需时间表示，用tset表示。（2）转换速率指大信号工作状态下,模拟输出电压的最大变化率。与运放的转换速率SR类似。3、转换速度(1)

脉冲波产生电路74LVC161和与非门构成十进制计数器：0000~100110.1.7D/A转换器的应用10.1.7D/A转换器的应用(2)数字式可编程增益控制电路

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形电阻网络OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根据虚断有:(2)数字式可编程增益控制电路9.2.6集成A/D转换器及其应用9.2A/D

转换器9.2.1A/D转换的一般工作过程9.2.2并行比较型A/D转换器9.2.3逐次比较型A/D转换器9.2.4双积分式A/D转换器9.2.5A/D转换器的主要技术指标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转换器功能10.2A/D

转换器①并联比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1

s,但电路复杂。②逐次逼近型

特点:转换速度适中,转换时间为几

s~100

s,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

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转换器分类取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散10.2.1A/D转换的一般工作过程

A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。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

I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimax S(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开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，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样保持取样与保持电路及工作原理2.量化与编码

数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。

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。量化编码

在量化过程中由于采样电压不一定能被

整除，所以量化前后一定存在误差，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：只舍不入四舍五入3.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差4.量化方式011111101011000110100010000Δ=0V7Δ=7/8V6Δ=6/8V5Δ=5/8V4Δ=4/8V3Δ=3/8V2Δ=2/8V1Δ=1/8V输入信号编码量化后电压a)只舍不入量化方式:是把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码b)四舍五入方式:是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。最大量化误差为：最小量化单位：011111101011000110100010000Δ=0V7Δ=14/15V6Δ=12/15V5Δ=10/15V4Δ=8/15V3Δ=6/15V2Δ=4/15V1Δ=2/15V输入信号编码模拟电平1/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V13/15VΔ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码10.2.2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网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量1、3位并行比较(闪速)型A/D转换器VI=8VREF/151111000100VREF/153VREF/157VREF/159VREF/155VREF/15

vI

CO7CO6CO5CO4CO3CO2CO1

D2D1D0

7VREF/15

vI

<9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI<11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

<7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

<5VREF/15000001101011VREF/15

vI

<13VR/15

011111111013VREF/15

vI

<15VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

<3VREF/15

0000001001

0vI<VREF/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，经代码转换器，得到数字量输出。3、电路特点：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。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。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法，即半闪速型或流水线型A/D转换器。单片集成并行比较型A/D转换器输出一般6-8位，如MAX1003，在芯片内部有2个6位A/D转换器。10.2.2并行比较型A/D转换器*2.8位半闪速型A/D转换器先将

I经过ADC1转换为高4位。同时将高4位经DAC变为

O。将

q(=

I-

O)放大，经过ADC2转换为低4位。两个4位ADC需要各需要15个比较器，但串行工作需要2个CP。但如果用全闪需要255个比较器，一个CP全部输出。10.2.2并行比较型A/D转换器*3.流水线型A/D转换器

I经过第1级得到p位数字量，将DAC与减法器得到的残差经放大作为第2级输入。第1级完成后将残差送第2级，第1级接受下一个取样信号，并与第二级同时转换，以此类推，各子模块并行工作。半闪速型ADC子模块第2级得到q位数字量，以此类推，得到(p+q+…+r)所有位数字量。所加砝码重量

结果

10.2.3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。第一次8克砝码总重<待测重量Wx

，8克砝码保留8克第二次再加4克砝码总重仍<待测重量Wx

，4克砝码保留12克第三次再加2克砝码总重>待测重量Wx

，2克砝码撤除12克第四次再加1克砝码总重＝待测重量Wx

，1克砝码保留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。1.转换原理电路组成：比较器、逐次逼近寄存器和控制逻辑、D/A转换器、时钟源等。START：由0变1时，开始转换。EOC：结束信号。转换时一直为高电平，其下降沿来到后，输出数据有效。100…0

I

≥5V

1

I=6.84VVREF=−10V以8位为例，首先将D7置1，将100…0送入D/A转换器，vO1=5V＜6.84V，保留D7=1。1.转换原理110…01

I=6.84VVREF=−10V再将D6置1，即110…0，vO2=7.5V＞6.84V，则D6=0。以此类推，直到D0置1，进行判断。最后得出数字量为10101111。0

I

<7.5V1.转换原理小结：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；10.2.4双积分型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。双积分式A/D转换器也称为电压－时间－数字式积分器。1、电路组成00000

Cr

信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2使电容的初始电压为0。2、工作原理①准备阶段：经过2n个CP(2)第一次积分：t=t0时，开关S1与A端相接，积分器开始对

I积分。经2n个CP,开关切换到B，

，=VP。第一积分时间为2nTCVREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压

O≥0，比较器输出

C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。(3)第二次积分：T1=2nTC

T2=

Tc

T2=t1

t2

在计数器所计的数

=Qn-1…Q1Q0，

就是A/D转换器得到的结果。10.2.4双积分型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.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。例：

已知8位A/D转换器的基准电压VREF=5.12V，求当输入vI=3.8V时，输出的二进制数字量。10.2.5A/D转换器的主要技术指标1.分辨率