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1、11.1 概述 11.2 D/A转换器 11.3 A/D转换器 第十一章 数-模和模-数转换 11.1 概述 将模拟量转换成相应的数字量； 将数字量转换成相应的模拟量。 实现A/D转换的电路; 实现D/A转换的电路。 模/数转换： 数/模转换： A/D转换器 (ADCAnalog Digital Converter): D/A转换器 (DAC Digital Analog Converter)： 典型应用：计算机自动控制系统。 A/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 ADC 计算机显示器 DAC 示波器 打印机 计算机进行各种 数字处
2、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。 11. 2 D / A 转换器 ( DAC ) D/A转换器的方框图: n位数 字量 输入 数 码 寄 存 器 n位 模拟 开关 解码 网络 求和 电路 基准电压 模拟量 输出 基本思想： 将数字量的每一位代码按权的大小转 换成相应的模拟量，再将各模拟量相 加，即得到相应的模拟量输出。 D/A转换器按解码网络结构不同分为: 在速度要求不高的情况可选CMOS开关D/A转换 器；如果要求较高的转换速度则应选用双极型 电流开关D/A转换器。 权电阻网络 D / A 转换器 、T形电阻网 络D/A转换器、倒T形电阻网络
3、D/A转换器 、权电流型D/A转换器等。 D/A转换器按模拟电子开关电路不同分为： CMOS开关型和双极型开关D/A转换器。 11. 2. 1 权电阻网络 D / A 转换器 VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) S0S1S2S3 D3D2D1D0 S0S1S2S3 所谓“权电阻”， 是指电阻值的 大小， 与有关 数字量的权密 切相关。(LSB)(MSB) 最低位最高位 VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) S0S1S2S3
4、 D3D2D1D0 S0S1S2S3 电子开关 ： Dn = 1 时， Sn 接VREF ； Dn = 0 时， Sn 接地端 。 VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) 23R22R21R20R VREF I1 = 2I0 I2 = 4I0 I3 = 8I0 当 D3D2D1D0 = 1111时 ： S0S1S2S3 D3D2D1D0 I = I0 + I1 + I2 + I3 I0 = VREF 23 R 参考 电压 I = VREF 23R ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20
5、) VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) uo = - IR / 2 VREF 24 = - ( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 ) = - KNB D/A电路输出模拟 电压UO与输入的 数字量D3D2D1D0成 正比！ VREF RRR 2R2R2R2R + + - A vo S2S3S1S0 RF I 2R i D0D1D2D3 11.2.2 倒T形电阻网络D / A转换器 电阻网络 S0S3: 模拟电子开关 求和运算放大器 I1I2I3I0 Di=0, Si接地； Di=1, Si接运放
6、 的反相端。 2R2R 2R2R + VREF 2R RRR ABCD I0 I1 I2I3 I I= VREF R I3= VREF 2R I2= VREF 4R I1= VREF 8R I0= VREF 16R 无论模拟电子开关Si 处于何种位置，与Si相 连的2R电阻都将接“地”，因此电阻网络可以等 效为： I = I3 + I2 + I1 + I0 VREF 2R =D3 VREF 16R D0 VREF 8R D1 VREF 4R D2+ = VREF 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) I= VREF R VREF RRR 2R2R2R2R + - A vo
7、 S2S3S1S0 RF I 2R i D0D1D2D3 I / 2I / 4I / 8 I / 16 I / 16 = VREF RF 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )vo - VREF RRR 2R2R2R2R + - A vo S2S3S1S0 RF I 2R i D0D1D2D3 I / 2I / 4I / 8 I / 16 I / 16 vo= - I RF D/A电路输出模拟电压VO与输 入的数字量D3D2D1D0成正比！ 倒T形电阻网络单片集成D / A转换器 CB7520（AD7520） 图11.2.5 CB7520（AD7520）的电路原理图 外接
8、反馈电阻可 外接，也可 以用内部反 馈电阻R。 11.2.3 权电流型 D / A 转换器 + - vo Rf - VREF I/16I / 8I / 4I / 2 S0S1S2S3 i D0D1 D2 D3 vo I Rf 24 ( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 ) = 每个支路电流 的大小，与有 关数字量的权 密切相关。 图图11.2.10 DAC080811.2.10 DAC0808的电路结构框图的电路结构框图 集成权电流型 D / A 转换器举例 图图11.2.11 DAC080811.2.11 DAC0808的典型应用的典型应用 *T形电阻网络D / A转换器( 以
9、4位为例 ) 推导模拟输出电压 uo 与数字量以及 电路中其它参数的关系： + + - A uo S2S3 S1S0 2R2R2R2R R3R2R1R0 RF D3D2D1D0 0011 + VREF 2R RRR I3I2I1I0 I ABCD I 2R2R2R2R R3R2R1R0 + VREF 2R RRRABCD I0I1I2I3 I I= VREF R I3= VREF 2R I2= VREF 4R I1= VREF 8R I0= VREF 16R I = I3 + I2 + I1 + I0 UREF 2R =D3 UREF 16R D0 UREF 8R D1 UREF 4R D2+
10、 = UREF 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) = UREF RF 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo - + + - A uo S2S3 S1S0 2R2R2R2R R3R2R1R0 RF D3D2D1D0 0011 + UREF 2R RRR I3I2I1I0 I ABCD = - KNB 11.2.6 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的D/AD/A转换器转换器 在前面介绍的D/A转换器中，输入的数字均 视为正数，即二进制数的所有位都为数值位。 采用单极性输出方式时，数字输入量相应的 采用自然二进制码，8位D/A转换器单极性输出
11、时 ，输入数字量与输出模拟量之间的关系如表1所示 。 根据电路形式或参考电压的极性不同，输出 电压为0V到正满度值，或0V到负满度值， D/A转 换器处于单极性输出方式。 一、单极性输出方式 D/A转换器的输出方式： MSB 数字量 LSB模拟量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 表1 倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出电 路如下图所示： RF i 倒T形 电阻网 络D/A 转换器 D0 D1 DN-1 VREF VO VO=-
12、 iRF 单极性反向输出电路 在二进制运算中，通常都把带符号的数值表示为补码 的形式，这就要求D/A转换器能将以补码形式输入的正、负 数分别转换为正、负极性的模拟电压，即要求D/A转换器工 作于双极性方式。 二、双极性输出方式 以输入为3位二进制补码的情况为例，说明转换原理。 补码输补码输 入 对应对应 的 十进进制 数 要求的输输 出电压电压 d2 d1 d0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 +3v +2v +1v 0v -1v -2v -3v -4v 原码输码输 入无偏移 时时的输
13、输 出 偏移-4v 后的输输出 d2 d1 d0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 +7v +6v +5v +4v +3v +2v +1v 0 +3v +2v +1v 0v -1v -2v -3v -4v 图图11.2.15 11.2.15 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的D/AD/A转换器转换器 因此,构成双极性D/A转换器的一般方法： 只要在求和放大器的输入端接入一 个偏移电流，使输入最高位为1而其他各 位输入为0时的输出vo=0；同时将输入的 符号位反相后接到一般的D/A转换器的输 入，就得到了双极性输出的D/A转换器
14、。 11. 2. 7 D/A转换器的转换精度和转换速度 一、 D/A转换器的转换精度 工程上习惯用输入数字量的有效位数n来表 示分辨率。 D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压 (此时输入的数字代码只有最低有效位为 1，其 余各位都是 0 ) 与最大输出电压(此时输入的数 字代码所有各位全是 1 )之比，即 1.分辨率理论转换精度 转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率= 当Vm一定时，输入数字代码的位数n越多， 分辨率值越小，分辨能力越高。 2.转换误差决定实际转换精度 11. 2. 7 D/A转换器的转换精度和转换速度 转换误差通常用输出电压满刻度FSR ( Full Scale
15、Range ) 的百分数表示 。 例如 ，给出转换误 差为 LSB ， 2 1 这就表示输出模拟 电压的绝对误差 等于输入数字代码为 0001 时输出电压的一半 。 造成转换误差的原因主要有 ： 参考电压 VREF的波动 ； 运算放大器的零点漂移 ； 模拟开关的导通内阻和导通电压 ； 电阻网络中的电阻值偏差 ；. 11. 2. 7 D/A转换器的转换精度和转换速度 二、 D/A转换器的转换速度 为了便于定量地描述D/A转换器的转换 速度 ， 定义了建立时间 tS 和转换速率 SR两 个参数 。 1. 建立时间 tS 通常以大信号工作情况下( 输入由全0变 为全1或者由全1变为全0 ),输出电压到达某 一规定值所需要的时 间定为建立时间tS 。 这个参数的值越小越好 。建立时间最短 的可达0.1s 。 2. 转换速率 SR 转换速率 SR 以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示 。 D/A转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升(或下降)时 间两部分 ， 它的最大值为 TTR(max) = tS + VO(max) / SR 其中 VO(max) 为输出电压的最大值 。 11. 3 A / D 转换器 ( ADC ) 11. 3. 1 A/D
