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1、1,2019/4/19,6.3 D/A 转 换 器,6.4 A/D 转 换 器,专用集成电路设计,2,2019/4/19,一、数模和模数转换的概念和作用,数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。,模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。,3,2019/4/19,为何要进行数模和模数
2、转换？,4,2019/4/19,二、数模和模数转换器应用举例,5,2019/4/19,D/A转换器即数/模转换器(Digital to Analog Converter), 其任务是将数字量转换为模拟量。 D/A转换器广泛用于信号处理中， 如数字存储示波器的示波管显示器、 增益控制、 精密衰减器， 精密数控电源， 直接数字频率合成器等等。,6.3 D/A 转 换 器,6,2019/4/19,D/A转换器的类型(分类）：4 类,7,2019/4/19,6.3.1 D/A转换器原理 D/A转换器的原理框图如下图6-15 所示。 其中， b1bN为N位数字量输入， Uref为参考电压。 输出模拟量为
3、： Uo=KDUref，K为比例因子，D为： 故，,8,2019/4/19,图 6 - 16 D/A转换器输入输出理想特性,当输入数字量最低位变化时， 对应的模拟量跳一个台阶，输出为阶梯波信号。,9,2019/4/19,2. D/A转换器的主要技术指标 1) 代表精度的指标位数(bit数)分辨率,阶梯波台阶电压：,2) 代表速度的指标转换时间时钟频率 即从数字信号输入D/A转换器到输出电压达到稳态值所需要时间， 该时间决定了D/A转换器的转换速度。 实际上，D/A转换要按时钟节拍工作。 通常用最高时钟频率来表达D/A转换器的工作速度。,3) 静态误差 所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作时
4、实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有失调误差、 增益误差、 非线性误差等。,10,2019/4/19,1. 例置R-2R梯形D/A转换器 1) 电路 倒置R-2R梯形D/A转换器电路如图 6 - 18 所示。 该电路的优点是电阻类型少，只有R和2R两种，易实现。,6.3.2 D/A转换器电路,图 6 - 18 倒置R-2R梯形D/A转换器,11,2019/4/19,从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。,12,2019/4/19,由图可见，输出电压Uo为：Uo=-RF Io 而Io视开关S1SN的状态而定。S表示数字量控制开关，当数字量为“0”时，开关接地，电流不
5、流入运放; 只有当数字量为“1”时，开关接到运算放大器的虚地点，其电流才流入运放而产生输出。 各电流关系为： I1=2I2=22I3=2N-1IN,2) 工作原理,13,2019/4/19,模拟量输出为,若N=3, 且数字字(即数字输入代码)为“110”， RF=R, 那么,流入运放总电流为：,14,2019/4/19,如下图，数字字b1bN通过两级非门构成的分相电路变成bi和bi，然后分别去控制两个传输门构成的开关。 当b1=“1”，b1=“0”时， 传输门导通， 将Si接到虚地点Q。 反之，当b1=“0”, b1=“1”时， 传输门导通，截止， 将Si接到地。,图 6 19 D/A转换器的
6、开关电路,3) 开关电路,2选1电路,15,2019/4/19,1) 电路 如下图所示，该电路由电容网络与一组开关组成， 并由两相不重叠时钟控制。,2. 权电容D/A转换器,2)工作原理 (1) 当1=“1”时，终端电容被短路，其它电容下端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为0。 称此阶段为“复位期”。,16,2019/4/19,(2) 当1=“0”时， 电路进入工作期， 有两种情况： 2=“0”，所有受2控制的开关打开，电容下端悬空， Uo=0。 2=“1”，则: 若bi=“1”，bi=“0”, 则受2bi控制的开关闭合， 相应的电容下端被接到参考电压Uref。 若bi=“0”，bi=“1
7、”, 则受2bi控制的开关闭合， 相应的电容下端被接地。,17,2019/4/19,(3) 等效电路。 电容分压的等效电路如下图。 图中Ceq代表对应bi=“1”被接到参考电压Uref的电容之和，2C代表电路中所有电容之和，那么(2C-Ceq)代表对应bi=“0”即接地电容之和。 根据串联电容上电荷相等的原理， 有：UA(2C-Ceq)=(Uref-UA)Ceq,则：,图 6 - 22 电容分压等效电路,18,2019/4/19,3) 开关电路 受2控制的开关电路如图 6 - 23 所示。,图 6 - 23 权电容D/A转换器中的开关,bi2=1，时传输门I导通 bi2=0，时传输门II导通,
8、19,2019/4/19,3. 开关树D/A转换器 1) 电路 用2N个电阻串和开关树组成。,该电路电阻数为2N个， 其中N为位数。 这种电路中所有的电阻均相同， 开关也相同， 实现起来比较容易, 但电阻多， 开关也多， 所占硅片面积比较大， 而且转换器对寄生电容敏感， 导致信号延迟。,20,2019/4/19,2) 原理 (1) 分压定标。 该电路共有2N个电阻， 且所有电阻相等， 电阻串对参考电压Uref分压。 对第i个电阻分割点的电压Ui为,到底是哪个电阻分割点的电压输出， 则由开关树决定。,21,2019/4/19,图 6 - 26 开关电路,3) 开关电路,22,2019/4/19,
9、常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对DAC0832作简要介绍。,1. D/A转换器DAC0832 DAC0832是CMOS工艺，8位D/A转换器芯片，20脚双列直插封装。逻辑电平输入与TTL兼容。有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。可与单片机或微处理器直接接口，也可单独使用。,集成D/A转换器及其应用,23,2019/4/19,24,2019/4/19,25,2019/4/19,26,2019/4/19,DAC0832 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）,27,2019/4/19,
10、2. 8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7520 简介,基准电压输入端 VREF 可正可负,片选控制端,电源电压范围 + 5 V + 15 V,8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。,接地端,内部反馈电阻 RF 的引出端,两个输出端，一般将 OUT2 接地，OUT1 接运放反向端。,写信号控制端,28,2019/4/19,解：,当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。,uO = - UFSR - 9.961 V。,29,2019/4/19,8位的D/A转换器常用的有DAC0832、D
11、AC0808，都属于R2RT型电阻网络型。 刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品。,30,2019/4/19,6.4 A/D 转 换 器,1. A/D转换器的原理及特性 A/D转换器的功能是将模拟量转换为数字量，是数字化过程的第一步，也是数字化的必经之路。,数字化过程一般包括以下三个步骤： 取样保持(S/H)：要是获取模拟信号某一时刻的样品，并在一定时间内保持这个样品值不变。 量化：将取得样品值量化为用“0”、“1”表示的数字量。 编码： 将量化后的数字量按一定规则编码成数据流，以便进一步存储与处理。,31,2019/4/19,A /D 转换的一般步骤,32,2019/4/19,图中，量化
12、器就是一系列加不同参考电平的电压比较器，当输入电压高于该比较器的参考电平Uref时，比较器输出的数字量为“1”；低于参考电平Uref时，输出为“0”。,图 6 - 36 A/D转换器的原理框图,33,2019/4/19,2. A/D转换器的主要指标 (1) 分辨率， 即“位数”(bit数A/D数字化的字长)。 这是一个表达精度的指标。 如果A/D转换器的满刻度输入为UFSR，位数为N， 则,量化电平,量化误差,量化噪声方差,(6 - 48a),(6 -48b),(6 - 48c),34,2019/4/19,图 6 - 37 3位A/D转换器的转换特性,35,2019/4/19,(2) 采样率，
13、即最高时钟频率，这是一个表达A/D转换器转换速度的指标。 (3) 其它静态特性指标还有失调误差、 增益误差、 非线性误差等，其意义与D/A转换器的静态误差相同。,36,2019/4/19,6.4.2 A/D转换器的分类及应用 A/D转换器的类型很多，如下图所示：有高速并行Flash A/D， 有速度与精度折中较好的流水线A/D，有适用于数字电压表的双斜率积分式A/D，也有适用范围很广的逐次比较式A/D等。,图 6 - 38 A/D转换器类型,37,2019/4/19,6.4.3 A/D转换器电路举例 1. 逐次比较型A/D转换器（逼近型） 逐次比较型A/D转换器是一种低成本，分辨率和速度都比较
14、好的A/D转换器，因此应用十分广泛。 该A/D转换器的原理框图如图 6 - 40 所示。,38,2019/4/19,工作过程：电路收到转换命令后，首先将逐次逼近寄存器置“0”(清零)。当第一个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路先将逐次逼近寄存器最高位(Dn-1)置“1”，其它位置“0”，经过D/A转换器重新转换为模拟电压Uo(相当于UFSR/2)，然后将此电压回送到比较器，与输入信号Ui比较。 若 UoUi 数字输出最高位改为“0”,39,2019/4/19,第二个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路将寄存器次高位置“1”，并与最高位一起送到D/A转换器，将 其输出电压Uo 与Ui再次比较。 若 Uo Ui
15、 数字输出次高位改为“0” 这个过程一直进行下去直至最后一位完成。,40,2019/4/19,例如：输入模拟信号Ui=163mV，转换器的满刻度电压 256mV，采用逐次比较量化过程如下： 最高位置“1”，Uo=128mV,UiUo，最高位输出为“1”； 次高位置“1”，Uo=128+64=192mV,UiUo，次次高位输出为“1”； 如此下去，得到1010001，Uo=162mV。可见Uo越来越逼近Ui，令最低位置“1”，则 Uo=128+0+32+0+0+0+2+1=163mV=Ui 完成转换，163mV对应的数据为10100011。,41,2019/4/19,2. 算法A/D 1) 算法
16、原理 算法A/D转换器工作流程如图。,首先将输入信号Ui放大2倍，得2Ui，然后将2Ui与参考电压Uref比较。 若2UiUref, 则最高位数字输出为“1”，并以2Ui与Uref之差作为次高位的模拟输入电压。 若2UiUref, 则最高位数字输出为“0”，并以2Ui作为次高位的模拟输入电压。以此类推，可以产生相应的N位数字字。,图 6 - 44 算法A/D的工作流程,42,2019/4/19,2) 电流模算法A/D转换器电路及其工作原理 电流模算法A/D特点： 输入输出量全是电流，具有面积小，电压低， 功耗低，速度快，电路简单，用全CMOS电路实现等优点。其电路如图 6 - 45 所示，,实现算法A/D的具体电路较多，有开关电容电路、电流模电路等等，下面以电流模电路为例阐述算法A/D的原理,43,2019/4/19,图 6-45 一位算法A/D电路,输入电流Ii经镜像电流源V1、V2、3映
