第9章 数模和模数转换器(第五版)

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1、第9章 数模和模数转换学习要点：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正确理解D/A、A/D转换器的主要参数第9章 数模和模数转换9.1 D/A9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D9.2 A/D转换器转换器退出退出概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简 称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称 为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是 沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的 接口。9.1 D/A转换器9.1.1 D/A9.1.1

2、 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理9.1.3 9.1.3 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1.6 D/A9.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用9.1.2 9.1.2 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器9.1.5 D/A9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量DAC模拟量A = K DO = K NB 概述9.1.1 D/A转换器的基本原理数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权

3、的大小转换成相应的模拟量， 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。NDb424b323b222b121b020 124123022021120将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。1、实现D/A转换的基本思想2、D/A转换器的组成数码 寄存器n位 模拟开关解码 网络求和 电路n位 数字量 输入模拟量 输出基准电压DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入用来存放 数字量的各 位数码由输入数 字量控制产生权电流将权电流 相加产生与 输入成正比 的模拟电压3、实现D/A转换的原理电路按解码网络 结构分类 T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC

4、权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开 关电路分类 CMOS开关型DAC双极型开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型DAC D/A 转 换 器4、D/A转换器的分类9.1.2 倒T型电阻网络D/A转换器1、4位倒T型电阻网络D/A转换器Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB) D3D2D1(LSB) D0RRR电阻网络基准电压模拟 电子开关求和运算 放大器输入4位 二进制数输出 模拟电压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 不论模拟开关接到运算放

5、大器的反相输入端（虚地）还是接 到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变 。 分别从每个节点处向左看的二端网络等效电阻都是R。D/A转换器的倒T型电阻网络Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB) D3D2D1(LSB) D0RRRR RR RR RR RRf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB) D3D2D1(LSB) D0RRR关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2) 倒T形电阻网络中R和2R电阻

6、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；2、集成 D/A转换器RF+vOA2R2R2R2R 2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10K IOUT1 IOUT2AD7533使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。RR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模拟开关电路1、4位权电流D/A转换器权

7、电流型D/A转换器的原理电路9.1.3 权电流型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。 权电流型D/A转换器中的恒流源在恒流源电路中，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+I/2I/4I/8I/169.1.4 D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量数 字 量 MSB LSB十进进 制数2的补码补码偏移二进进制码码模拟拟量D7D6D5D

8、4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0vO/VLSB127 1261 0 1127 1280 00 0 11 11 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 11 0 11 01 11 1 00 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 10 0 10 01 11 0 11 0127 1261 0 1127 128常用双极性编码注：表中VLSB=VREF/256（1）分辨率其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级

9、数。n 位DAC最多有2n个模拟输出电压。其分辨率即为2n。位数越多 D/A转换器的分辨率越高。（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想 值之差，即最大静态转换误差。包括： 比例系数误差（由VREF引起）；失调误差（由运算放大器的零点漂移引起）；非线性误差（由模拟开关和电阻网络中的电阻误差等引起）。 （3）转换速度当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出电压达到规 定误差范围所需要的时间。通常用建立时间 和转换速率来描述 。9.1.5 D/A转换器的主要技术指标RF+vOA2R2R2R2R 2R VREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10K IOUT1

10、IOUT2AD7533vI数字式可编程增益控制电路9.1.6 D/A转换器的应用RF+vOA2R2R2R2R 2R VREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10K IOUT1 IOUT2AD7533vI+vOARIOUT1IOUT2vI倒T型电阻网络根据虚断有:脉冲波产生电路74163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器： 00001001D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9AD7533 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9AD7533 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q910 位 可 逆 计 数 器CP加

11、/减加减控 制电路VREF+IOUT1IOUT2vO1RFVREF+IOUT1IOUT2vO2RF计数脉冲脉 冲 波 产 生 电 路三角波抛物波本节小结D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号 转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工 作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器 和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻 网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适 合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路 结构。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器 的输出电压为：9.2 A/D转换器9.2.1 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程9.2.2

12、 9.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器9.2.3 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器9.2.4 9.2.4 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器9.2.5 A/D9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.2.6 9.2.6 集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用9.2.1 A/D转换器的一般工作过程模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开 的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C 上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟 电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。

13、t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放 大器的增益都为1，因此这一阶段vO跟随vI变化，即vO vI。t1 时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻 抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充 电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压vO维持不 变。1、取样与保持2、量化与编码将采样保持电路的输出电压归化为最小量值的整数倍的过程叫做量化量化 。数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位量化单位。用二进制代码来表示 各个量化电平的过程，叫做编码编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平， 量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化

14、误差量化误差。量化级分得越多 （n越大），量化误差越小。 取最小量化单位 =Vm/2n取最小量化单位 =2Vm/(2n+11)（a a）舍尾取整法）舍尾取整法（b b）四舍五入法）四舍五入法9.2.2 并行比较型A/D转换器 +C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7VREF RRRRRRRR/2C11DC11DC11DC11DC11DC11DC11DCO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7QQQQQQQI1I2I3I4I5I6I7优 先 编 码 器D0(LSB)D1D2(MSB)vICPVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VR

15、EF/150vIVREF/15时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触 发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为： D2D1D0000 VREF/15vI 3VREF/15时，7个比较器中只有C7输出为1，CP 到来后，只有触发器FF7置1，其余触发器仍为0。经编码器编 码后输出的二进制代码为： D2D1D0=001 3VREF/15 vI5VREF/15时，比较器C7、C6输出为1，CP到来 后，触发器FF7、FF6置1。经编码器编码后输出的二进制代码 为：D2D1D0010 5VREF/15vI7VREF/15时，比较器C7、 C6、 C5输出为1， CP到来后，触发器FF7、 FF6、 FF5置1。经编码器编码后输出 的二进制代码为： D2D1D0011依此类推，可以列出vI为不同等级时寄存器的状态及相应 的输出二进制数。模 拟拟 输输 入比 较较 器 状 态态数 字 输输 出vICO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7D2 D1 D00 0 0 0 0 0 00 0 0