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1、12.1 概述 12.2 D/A转换器 12.3 A/D转换器 12.4 本章小结,12.1 概述,模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电信号到数字电信号的转换。,（Analog - Digital Converter），简称A/D转换器、ADC,数模转换器一般属于系统的后级电路，完成数字电信号到模拟电信号的转换。,（Digital - Analog Converter），简称D/A转换器、DAC,12.2 D/A 转换器,12.2.1 D/A 转换原理,例如：,输出模拟电压实际是不连续的，而是由一系列“台阶电压”组成。,其最小单位就是输入“0001”所对应的模拟电压大小，就是比例系数
2、k 的大小。,MSB：输入n位二进制数 的最高位； LSB：最低位； FSR：最大输入数字量 “1111”。,一. 权电阻网络DAC,1. 电路结构,0,0,0,0,1,1,1,1,2. 工作原理,一. 权电阻网络DAC,1. 电路结构,0,0,0,0,1,1,1,1,3. 器件特点,优点： 电路结构简单； 转换速度也比较快。,缺陷： 电路中电阻大小各不相同，且差异很大，转换器位数越大，这种差异就越大。权电阻的阻值精度直接限制了转换精度。同时不利于集成化。 电子开关的导通电阻和导通压降都会影响转换精度和转换速度。,二. 倒 T 形电阻网络DAC,1. 电路结构,R,R,R,R,1,1,1,1,
3、0,0,0,0,2. 工作原理,外接电压VREF 输出的总电流：,3. 器件特点,只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。,倒 T 型电阻网络DAC的转换精度和转换速度，都优于权电阻网络DAC，许多型号的集成DAC芯片都采用此结构。,三. 其他类型DAC,1. 权电流型DAC,2. 权电容型DAC,3. 双极性输出型DAC,电路结构与权电阻网络DAC类似，内部使用多个恒流源，其大小依次为前一个的一半，从而构成“权结构”。,仍采用权电阻网络DAC类似的电路结构，但用多个电容替代了权电阻网络中的各电阻，且电容大小仍满足“权结构”。,实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号转换
4、为对应的模拟信号，此时就需要使用双极性输出型DAC。,12.2.2 D/A 转换器的性能指标,一. 转换精度,表征DAC的理论转换精度。,表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。,1. 分辨率,DAC输入的最小有效数字“0001”和最大有效数字“1111”分别对应的输出模拟量的比值，即MSB和FSR对应的输出模拟量的比值。,一. 转换精度,2. 转换误差,转换误差是一个综合性的静态指标，它通常包括比例系数误差、非线性误差、漂移误差等多个成分，这些误差的绝对值之和，就是DAC的转换误差大小。,由于DAC电路内各环节不可避免地存在与理论性能不一致的差异，因此实际的输出模拟量和理论输出量之间存
5、在一定误差，这种误差的最大差值称为DAC的转换误差。,二. 转换速度（建立时间）,DAC的转换速度通常用建立时间来描述，指从数字信号输入DAC开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整个转换过程所需要的时间。,建立时间 tset 的定量： 从输入数字量发生突变开始，到输出模拟量进入与稳态值相差(1/2)LSB 范围以内的这段时间。,现在常用的集成DAC器件从内部组成上区分，有两大类：, 内部只包含电阻网络（或恒流源网络、电容网络等） 和电子开关。, 另一类内部还集成了运算放大器和参考电压源发生器。,使用时需要外接运算放大器和参考电压源，其转换速度相对较慢，建立时间比第二类大一些。同时，要选用
6、高稳定度的参考电压源和低漂移高精度的运算放大器，以降低转换误差。,使用更方便，转换速度也更快。, 直接ADC, 间接ADC,通过一套基准电压与取样保持信号相比较，从而直接转换为数字量。一般而言，转换速度较快，转换精度与基准电压设定精度有很大关系。常见的有并联比较型ADC、逐次逼近型ADC 等。,将输入的模拟信号首先转换为与其成正比的时间或频率，然后再以某种方式将中间量转换为数字量，也常称为计数式ADC。可实现很高的转换精度，但转换速度往往不如直接ADC。常见的有双积分型ADC（V-T 变换型）、V-f 变换型ADC等。,12.3.1 D/A 转换原理,12.3 A/D 转换器,一. A / D
7、 转换原理,uI(t),1. 取样和保持,1,fS 2 fImax,在取样间隔内完成对应的量化和编码，输出对应的数字信号。, 取样过程,取样脉冲 S(t) = 1期间：,VT导通，输入模拟信号uI (t)经VT向电容C充电。,电容的充电时间常数远小于取样脉冲脉宽，则电容电压uC (t)在取样期间完全可以跟上输入信号uI (t)的变化，uO (t) = uI (t) 。, 保持过程,取样脉冲 S(t) = 0期间：,VT截止，则电容电压uC (t)将保持为前一个瞬间uI (t)的数值，相应的输出信号也保持为该数值不变，直到下一次取样时刻的到来。,2. 量化和编码,输出 n 位数字信号“0001”
8、对应的输入模拟电压，是量化的最小数量单位。,0 V,1/8 V,3/8 V,5/8 V,6/8 V,7/8 V,1 V,4/8 V,2/8 V,000,001,010,011,100,101,110,111,二进制 代码,二进制 代码, 对工作过程的理解,二. 并联比较型ADC,1. 电路结构,2. 工作原理,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,代码转换表,3. 器件特点,并联比较型ADC的最显著优点是转换速度快，转换时间纳秒（ns）级，并且，如果增加输出代码位数，对转换时间的影响很小。,转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细（即越小），精度越高。此外，
9、转换精度还受分压电阻和外接参考电平的精度、电压比较器的灵敏度的影响。,并联比较型ADC的主要缺点是使用的比较器和触发器太多，并且，随着输出代码位数的增加，数量还会急剧增加。,综上所述，并联比较型ADC适用于要求转换速度很高，但转换精度不太高的场合。,三. 逐次逼近型ADC,1. 电路结构, 开始转换前， 先将寄存器。, uL 有效时，开始转换，寄存器的最高位置1，输出为100，并被DAC转换为对应的模拟电压uO，送入电压比较器C，与uI 比较。, 如果uO uI ：则去掉对应的1； 如果uO uI ：则保留对应的1。, 然后以相同的方法将寄存器输出状态的次高位置1，并继续 比较,确定是否该保留
10、这个1。, 按上述方法逐位比较，直到最低位比较完为止。,用天平秤重过程比喻说明。四个砝码重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 5克，可以用下表步骤秤量：,4 g,4 g + 2 g,4 g + 1 g,8 g,8g 5g ，,4g 5g ，,6g 5g，,5g 5g，,0 g,4 g,4 g,5 g,撤去,保留,撤去,保留,n 位计满只需 n 个CLK,2. 工作原理,3位：5个CLK n位: (n+2)个CLK,VR,转换开始前各触发器状态,放哪一 个砝码,砝码是 否保留,试探电压,待转换 模拟电压,VR,1,0,0,1,0,1,0,1,0,0,0,VR -8V,1,0,0,1,0
11、,1,0,1,0,0,0,5. 5V,第1个CLK 来到后各触发器状态?,VR -8V,5. 5V,0,1,1,0,0,?,0,1,0,0,0,?,0,0,0,4V,0,0,0,第1个CLK 来到后各触发器状态,第2个CLK 来到后各触发器状态?,VR -8V,5. 5V,0,1,0,1,1,0,0,0,0,1,0,?,?,6V,1,1,0,0,第2个CLK来到后各触发器状态,第3个CLK来到后各触发器状态?,VR -8V,5. 5V,0,5V,？,0,0,0,0,？,0,0,第3个CLK来到后各触发器状态,第4个CLK来到后各触发器状态?,VR -8V,5. 5V,第4个CLK来到后各触发器
12、状态,5V,0,0,0,0,0,0,第5个CLK来到后各触发器状态？,0,VR -8V,1,0,0,1,0,1,0,1,0,0,0,5. 5V,第5个CLK来到后各触发器状态,第6个CLK来到后各触发器状态?,3位转换只需5个CLK时间,n 位转换只需n +2个CLK时间,第二次转换,5V,0,3. 器件特点,n 位逐次逼近型ADC，完成一次转换需要n +2个时钟信号周期的时间，转换速度要慢一些，属于中速ADC。而并联比较型ADC一般都是高速ADC。,当输出数字量位数较高时，逐次逼近型ADC的电路规模比并联比较型ADC小很多，更适于集成，可以用于实现高分辨率ADC，而转换误差也易于控制。,逐次
13、逼近型ADC是目前集成ADC产品中应用最广泛的形式。,四. 双积分型ADC,1. 电路结构,1. 工作原理,3. 器件特点,双积分型ADC的最显著优点是工作性能稳定，转换精度高。转换结果与R、C 的具体数值无关，而且其数值误差也不会影响转换精度。也不要求使用高稳定度的时钟信号源，只要求时钟信号源在一个转换周期内（即两次积分过程中），保持稳定即可。,双积分型ADC的另一个优点是抗干扰能力强，对交流噪声有很强的抑制能力，电路结构也相对简单。,综上所述，双积分型ADC主要适用于要求转换精度很高，但转换速度要求不高的场合。,双积分型ADC的主要缺点是工作速度低，目前常见的单片产品的转换速度一般都在每秒
14、几十次以内。,12.3.2 A/D 转换器的性能指标,一. 转换精度,1. 分辨率,ADC的分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，用来说明ADC对输入模拟信号的分辨能力，是ADC在理论上能达到的转换精度。,例如：输出信号为 n 位二进制数字量的ADC，能分辨的输入电压的最小差异为 (1/2n)FSR（最大量程的1/2n）。,一. 转换精度,2. 转换误差,具体表示时： ADC的转换误差一般以最低有效位LSB的倍数给出。,ADC的转换误差，即相对转换精度，由输出误差的最大值决定，用来表示ADC的实际输出数字量和理论输出数字量之间的偏差。,二. 转换速度,ADC的转换速度主要取决于转换器的电路
15、结构，不同类型结构的ADC的转换速度差异极大。,并联比较型ADC的转换速度最快。,8位并联比较型ADC的转换时间一般为几十纳秒（ns）以内。,逐次逼近型ADC的转换速度次之。,多数8位逐次逼近型ADC的转换时间都在几百纳秒（ns）到几十微秒（s）之间。,间接ADC的转换速度就低得多了。,现在常用的双积分型ADC的转换时间大多在几十毫秒（ms）到几百毫秒之间。,常用的集成ADC器件具有多种不同类型，主要可分为三大类：, 内部仅集成了量化-编码电路,使用时需要在前级外接取样-保持电路，最终实现的ADC电路的性能指标也不易确定，因此要求用户有一定的设计经验和技巧。, 内部集成了取样-保持电路和量化编码电路,具备了A/D转换必须的四个环节，性能比较明确，使用比较简便。, 内部还集成其他功能电路,很多集成ADC器件内部还集成了输入/输出端口、存储电路和更复杂的控制单元，甚至是带有微处理器，扩展了器件功能，适合于一些更复杂的应用场合。,
