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1、第九章 D/A和A/D转换器9.1 概述9.2 D/A转换器9.3 A/D转换器 9.1 概 述随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。完成A/D转换的电路称为A/D转换器（简称ADC）。完成D/A转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。 典型应用系统之一多路数据采集系统 典型应用系统之二声音的存储与回放系统 9.2 D/A转换器一、D/A转换器的基本概念 数字信号模拟信号将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系D2D1D0vO 0 0 00 V
2、 0 0 11 V 0 1 0 2 V 0 1 13 V 1 0 04 V 1 0 15 V 1 1 06 V 1 1 17 Vn组成：D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、 解码网络、求和电路、基准电压几部分构成。n 原理：对数字量的每位二进制代码按其权的大 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总模拟量，从而实现 D/A转换。数码 寄存器模拟开关译码网络求和 放大器Du基准电压 UREFDAC方框图权电阻型权电阻型D/AD/A转换器转换器 二 倒T形电阻网络D/A转换器由求和运算放大器、基准电VREF、R2R倒T形电阻网络 和模拟开关S0S3等四部分组
3、成。电路组成 4位倒T形电阻网络图中S0S3为模拟开关，由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地） ，电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si将电阻2R接地。所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻 均接“地”（地或虚地），因此流经2R电阻的电流 与开关位置无关，为确定值。工作原理等效电路：可算出，基准电流 I=VREF/R输出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、 I/4、I/8、I/16。于是得总电流：将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为：vO=KNB 其中：合理选择电路参数，提高转换精度 基准电压的精度和稳定性对D/A精度影响很大，在
4、 精度要求高时可采用带隙基准电压源； 倒T电阻网络中的电阻比值精度要高； 每个模拟开关的开关电压降要相等； 运放的零点漂移要小。三 权电流型D/A转换器采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的 权电流D/A转换器：由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4， IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：基准电流 ：四 D/A转换器应用举例DAC0808是8位权电流型D/A转换器，其中D0D7是数字量输入端。用这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流 用的电阻R1。当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5
5、k时，输出电压为：双列直插式封装1空2地3负电源 4模拟量（电流）输出 512数字量输入13正电源14正参考电压15负参考电压16补偿电容DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）五 D/A转换器的主要技术指标转换误差：比例系数误差：转换特性曲线斜率偏差； 失调误差：由运放的零点漂移所引起； 非线性误差：无一定规律的误差。 P440-441分辨率：D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数 。在实际应用中，常用数字量的位数表示D/A转换器的分 辨率。即分辨率为2n。1.转换精度 2.转换速度在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变 化量。一般用满刻度输出条件
6、下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。当输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到 所对应的量值，而需要一段时间。用建立时间（tset）和转换 速率（SR）来描述转换速度。3. 温度系数例1、 已知4位倒T型DAC，输入数字量为1101，UREF = - 8V，Rf=R，则输出模拟量UO=?解：例2、可控增益放大器如图。当Qi=1时Si与VI 接 通； Qi=0时Si 接地。1）试写出电路电压增益 表达式；2）当vI = +5 mV，Q3Q2Q1Q0=1001时，计算vO的值；3）求出电压增益的最大值。1) 根据运放虚短、虚断特点：解、由电路可得：电压增益表达式：3) 当Q
7、3Q2Q1Q0=1111时，电压增益Au为最大值例3、波形产生电路如图，图中ROM的数据如表 所示。对应CP波形，画出输出vO的波形，并标出波 形上各点的电压值。解、由74161可得状态为查ROM表可得AD7533高 4位数据为0111，0001，0010， 0011，0100，0011。计算出vO值为 3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V 波形： 9.3 A/D转换器9.3.1 A/D转换的一般步骤将连续的模拟信号转换为离散的数字信号， 通常的转换过程为：取样、保持、量化和编码。OtvI(t)OtOt1、取样与保持S(t ) vI(t)vo( t )取样定理：为了不失真地恢复原
8、始信号，采样频率至 少应是原始信号最高有效频率的两倍取样信号频率输入信号 最高频率 取样保持电路电路组成及工作原理（要求电路中Av1Av2=1）t=t0时，S闭合，电容充电，vo=vI，t0t1阶段为取样阶段；t=t1时，S断开，电容没有放电回路，其两端电压保持vo不 变，t1 t2阶段为保持阶段。取 样保 持2、量化与编码编码量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程 称为编码。量化将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数 量单位（量化间隔）的整数倍。（1）确定量化间隔： 例：如有一模拟信号，幅值范围为01V，要转化为3位二 进制代码，则其量化间隔为1LSB=1/8V 。得到8个量化电平分别为
9、0V、1/8V7/8V。 经量化后的信号幅值 均为的整数倍，在量化过 程中会产生误差，称为量 化误差。最大量化误差 为1/8V。方式一：只舍不入量化方式 （舍尾取整） 如果0VvI1/8V 则量化为0=0V； 1/8VvI2/8V 则量化为1=1/8V；7/8VvI1V 则量化为7=7/8V。（2）将连续的模拟电压近似成分散的量化电平1/82/83/84/85/86/87/80Vo/ Vt1如果 0VvI1/16V 则量化为0=0V； 1/16VvI3/16V 则量化为1=1/8V；13/16VvI15/16V 则量化为7=7/8V。取两个离散电平中的相近值作为量化电平。方式二：四舍五入量化方
10、式（舍入量化方式） 量化误差为1/2=1/16V1/82/83/84/85/86/87/80ui/Vt11/163/165/167/169/1611/1613/1615/16A/D转换器的分类 工作原理： 直接ADC：模拟信号数字信号特点：速度快典型电路：并行比较型ADC、逐次比较型ADC 间接ADC：模拟信号中间信号数字信号特点：速度慢典型电路：双积分型ADC、电压频率转换型ADC二、 并行比较型A/D转换器（3位）9.3.2 并行比较型ADC特点：速度快，但是随着分辨率增加，元件数目急剧增加。不易于集成。1 转换原理：9.3.3 逐次比较型A/D转换器逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称
11、重的过程 将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换所得 的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。2、电路结构CPd3d2d1d0vO比较结较结 果处处 理12 3410001100 101010112.5V 3.75V3.125V3.4375VvIvOvIvOvIvOvI vO（d3）1保留 （d2）1不保留（d1）1保留 （d0）1保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=10113 逻辑电路9.3.4 双积分型A/D转换器由积分器、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和定时器、计数器(FF0FFn)等几部分组成。（2）第一次积分阶段工作原理：（1）准备阶段计数器 清零，积分电容放
12、电，vO=0V。t=0时，开关S1与A端接通，输入电压 vI加到积分器的输 入端。积分器从0开始积分：由于vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计 数停止。在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内 输入电压的平均值VI成正比。只要VIvO(d3) 1保留(d2) 1不保留(d1) 1保留 (d0) 1保留vIvO转换结果为11011011例2、双积分ADC的VREF=-10V，计数器为12位 二进制加法计数器。已知时钟频率fcp=1MHz。 (1)该ADC允许输入的最大模拟电压是多少？完成一次 转换所需要的时间是多少？ (2)当vI=6V时，求输出的数字量。 (3)已知输出的数字量为 (4FF)H，求对应的输入电压vI 。解：(1) 允许输入的最大模拟电压完成一次转换所需要的时间(2)思路：输入模拟电压与数字量成正比，是最小量化 单位的N倍，N所对应的数字量即为转换结果。当vI=6V时(3) 输出的数字量为 (4FF)H时，对应的输入电压vI：
