第8章模拟量和数字量的转换 2 第8章模拟量和数字量的转换 8.1D/A转换器 8.2A/D转换器 3 第8章模拟量和数字量的转换 什么是D/A转换器 数模转换是把输入的数字信号转换成模拟信 号输出，也称为D/A转换，把实现D/A转换的电路 称为D/A转换器，或写成DAC（Digital Analog Converter）D/A转换器将输入的二进制数字量 离散信号转换成以标准量（或参考量）为基准 的模拟量，以电压或电流的形式输出 4 第8章模拟量和数字量的转换 D/A转换所采用的基本方法 将输入的每一位二进制代码按其权值 大小转换成相应的模拟量，然后将代表各 位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与 数字量成正比，这样便实现了从数字量到 模拟量的转换 5 8.1D/A转换器 8.1.1倒T形电阻网络D/A转换器 1电路组成 图图8.1.1倒T形电电阻网络络D/A转换转换器 倒T形电阻网络D/A 转换器由4部分组成 参考电压UREF 电子模拟开关S0S3 倒T形电阻解码网络 反相比例加法电路 6 2工作原理 8.1D/A转换器 模拟开关S0S1的状态分别受输入代码D0D3的取值控制，代码为 1时，将该位的2R电阻接到集成运放的反相输入端，代码为0时，则将 2R电阻接地。
由于运算放大器A同相输入端接地、反相输入端虚地，所以不论数码D0 、D1、D2、D3是0还是1，电子开关S0、S1、S2、S3都相当于接地 同相接地 7 8.1D/A转换器 R-2R倒形电阻网络具有一种特殊性质 无论论a、b、c、d这这4个节节点中的任何一个，其左边边的电电阻网络络 的等效电电阻都等于R，所以总电总电 流I =UREF/R，而流入各2R支路 的电电流从右到左依次为为：I/2，I/4，I/8，I/16和I/16 8 8.1D/A转换器 流入运算放大器反相端的电流 根据反相加法器的计算公式可得运算放大器的输出电压为 I 9 8.1D/A转换器 若Rf=R，并将I =UREF/R代入式（8.1.1），则则有 推广到n位D/A转换器的输出为 由式（8.1.3）可见见，D/A转换转换 器输输出的模拟拟量与输输入的数字量成正比，例如 ，用D/A转换转换 器将8位二进进制10101010转换为转换为 模拟拟量，设设UREF=10V，则则其转转 换换的结结果为为 在参考电压UREF为正时，输出电压uo始终为负值，要想得到正的输出电压， 可以将UREF取负值 10 8.1D/A转换器 8.1.2D/A转换器的主要技术指标 1分辨率 电电路输输出的最小电压电压 （输输入的二进进制数最低位为为“1”，其余位均为为“0” 时时的输输出电压电压 ）与电电路输输出的最大电压电压 （输输入的二进进制数全为为“1”时时的 输输出电压电压 ）之比称为为分辨率，即 分辨率 分辨率反映了D/A转换转换 器对对微小模拟拟量变变化的敏感程度和分辨能力，它是 最低有效位（LSB）所对应对应 的模拟拟量，它确定了能由D/A产产生的最小模拟拟量的变变 化。
分辨率越高，转换时对输转换时对输 入量的微小变变化的反应应越灵敏，分辨率与输输入数 字量的位数有关，n越大，分辨率越高，转换转换 的精度也就越高 11 8.1D/A转换器 2转换精度 转换精度是指输入满刻度数字量时，D/A转换器的实际输出模拟电压值与 理论值之间的偏差，即最大静态转换误差该偏差用最低有效位LSB的分数来 表示，如1/2LSB或LSB产生的误差主要与参考电压UREF的波动、 运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差及模拟开关的导通电阻和导通 电压的变化等有关 3建立时间和转换速度 建立时间又称转换时间，是从输入的数字量发生满量程变化（由全1 变为全0或由全0变为全1）开始，到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB范围内所需要的时间通常用建立时间来定量描述D/A转换器 的转换速度 12 8.1D/A转换器 【例8.1.1】若DAC的最大输输出电压为电压为 10V，要想使转换误转换误 差在 10mV以内，应选应选 多少位的DAC？ 解：要想转换误转换误 差在10mV以内，就必须须能分辨出10mV电电 压压本题题中，最小输输出电压为电压为 10mV，最大输输出电压为电压为 10V ，由式（8.1.3）可以写出 根据分辨率的定义，由式（8.1.4）可求出，n=10，所以至少需要 10位DAC。
13 8.1D/A转换器 8.1.3 集成D/A转换器 将T形网络、电子开关等集成在一块芯片上，再根据实际应用的需要，附 加一些功能电路，能够形成各种特性的不同型号的D/A转换芯片 AD7520是单单片式、精度 高、10位分辨率数模转换转换 器 ，其电电路和图图8.1.1所示电电路 相似，采用倒T形电电阻网络络 模拟拟开关是CMOS型的， 也同时时集成在芯片上，但运 算放大器是外接的AD7520 的引脚排列及其连连接电电路如 图图8.1.2所示 图8.1.2AD7520的引脚排列及与外部的接线 14 8.1D/A转换器 AD7520共有16个引脚，各引脚的功能如下 （1）1脚为模拟电流输出端IO1，接到运算放大器的反相输入端；2脚为模拟电 流输出端IO2，一般接“地” （2）413脚为10位数字量的输入端D0D9 （3）14脚为CMOS模拟开关的+VDD电源接线端3脚为接“地”端GND （4）15脚为参考电压电源接线端UREF，可为正值或负值 （5）16脚为芯片内部一个电阻R的引出端，该电阻作为运算放大器的反馈电阻 Rf，它的另一端在芯片内部 15 8.2A/D转换器 把输输入的模拟拟信号转换转换 成数字信号输输出，也称为为A/D转换转换 ，是将连续连续 的模拟拟量（如电压电压 、电电流等）通过过取样转换样转换 成离散的数字量。
把实现实现 A/D 转换转换 的电电路称为为A/D转换转换 器，或写成ADC（AnalogDigitalConverter） 模数转换转换 模拟量在时间和数值上都是连续的，数字量在时间和数值上都是离散 的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离 散化（量化），一般A/D转换通过取样、保持、量化和编码4个步骤 A/D转换器实质上是一个编码器 16 8.2A/D转换器 1采样-保持 采样就是在一个控制信号的作用下，将模拟量每隔一定时间间隔抽取一次 样值，把时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的信号 采样定理 fS：采样脉冲的频率 ：输入信号ui的最高频率分量 fmax 17 8.2A/D转换器 图图8.2.1采样样-保持电电路及波形 在t=t0时时刻，控制信号使得电电子开关S闭闭合，采样样开始，输输入的模拟拟信 号通过电过电 阻R对电对电 容充电电并迅速达到输输入电压值电压值 ，t0t1的间间隔为为采样阶样阶 段 在t=t1时时刻，S断开，若运放和开关S均为为理想的，则电则电 容C没有放电电回路 ，其两端电压电压 保持不变变直至下一个采样样脉冲到来，具体波形为图为图 8.2.1(b)所 示的波形图图。
18 8.2A/D转换器 2量化-编码 采样保持得到的阶梯样值电压在时间上是离散的，但其幅值仍 是一个可以连续取值的模拟量为了用数字量来表示采样得到的 电压，就必须把这些数字化为某个最小单位（用表示）的整数 倍，而不能是小数，这就称为对采样值的量化量化后用二进制 数表示此整数就叫编码 量化过程只是把模拟信号按量化单位做了取整处理，只有用代 码表示量化后的值，才能得到数字量，量化后用二进制数表示此 整数就叫编码 19 8.2A/D转换器 量化的方法有两种 舍尾取整法 四舍五入法 若采样电压的尾数不足最小单位的一半（/2）时，则 舍尾取整；当采样电压的尾数等于或大于最小单位的一半 时，则四舍五入，在原整数上加1 20 8.2A/D转换器 8.2.1逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近型A/D转换原理与天平称物体质量的原理 类似天平称重从最重砝码开始试放，与物重开始比 较，若物体的质量大于该砝码的质量，则该砝码保留 ，否则去掉各砝码的质量一个比一个小一半这样 由物体的质量是否大于砝码的质量来决定砝码的去留 ，一直到天平平衡为止，留下的砝码的质量即为物体 的质量 21 8.2A/D转换器 图图8.2.2逐次逼近型A/D转换转换 器的原理框图图 转换转换 开始前，先将所有寄存器清0。
开始转换转换后，时钟时钟 脉冲首先将寄存器的最高位置1，使其输输出为为100000 这这个数码码被D/A转换转换 器转换转换 成相应应的模拟电压拟电压 uo，送至电压电压 比较较器与输输入 ui进进行比较较 22 8.2A/D转换器 若uoui，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为0（去码），同 时将次高位置1，使其输出为010000的形式； 若uoui，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，除了将最高位设置的 1保留（加码）外，还需将次高位也设置为1，使其输出为110000的形式 然后，再按上面同样样的方法继续进继续进 行比较较，确定次高位的1是去码还码还 是加码码 这样这样 逐位比较较下去，直到最低位为为止，比较较完毕毕后，寄存器中的状态态就是转转 换换后的数字输输出 23 8.2A/D转换器 图图8.2.3A/D转换转换器中的电压电压比较较器 通过一个具体的转换说明逐次逼近型A/D转换器的工作原理其 中的电压比较器按图8.2.3所示连接，被转换的电压ui=5.6V，用4位 逐次逼近型A/D转换器将其转换为数字量的过程如下 24 8.2A/D转换器 （1）在第一个CP到来时时，将逐次逼近寄存器进进行第一次置 数，将4位二进进制数的最高位置1，其余位数为为0，即置数为为 1000，1000经经D/A转换输转换输 出模拟电压拟电压 ，设设Rf = R，D/A转换转换 器 的参考电压电压 UREF=-8V，由式（8.1.2）可得 由于uoui所以比较较器输输出高电电平，同时时次高位所置的1应该应该 去掉。
26 8.2A/D转换器 （3）第3个CP到来时时，比较较器输输出的高电电平使逐次逼近寄存器置 数为为1010，1010经经D/A转换输转换输 出的模拟电压为拟电压为 由于uoui，所以比较较器输输出低电电平，同时时置1的位应该应该 保留 27 8.2A/D转换器 （4）第4个CP到来时时，比较较器输输出的低电电平使逐次逼近寄存器置 数为为1011，1011经经D/A转换输转换输 出的模拟电压为拟电压为 经过4个时钟脉冲，输入的模拟电压被转换成10111011与5.6V的模拟 电压相对应，所以转换误差是0.1V显然，如果A/D转换器中逐次逼近寄存器 的二进制位数更多些，误差会更小 28 8.2A/D转换器 8.2.2A/D转换器的主要技术指标 1分辨率 分辨率定义为转换器所能够分辨的输入信号的最小变化量，它表明了A/D转 换器对输入信号的分辨能力n位二进制数，能区分2n个不同等级的输入模拟电 压 例如，A/D转换器输出的数字量是8位二进制数，最大输入模拟电压是5V ，那么这个转换器输出的数字量应能区分出输入模拟电压的最小电压为 5/28=19.53mV若用10位A/D转换器，对同样的输入电压，则能分辨的输 入电压为5/210=4.88mV。
可见，在最大输入电压相同的情况下，A/D转换 器的位数越多，其分辨率越高 29 8.2A/D转换器 2转换误差 转换误差是指A/D转换器转换后所得数字量代表的模拟输入电压值与实际的模 拟输入电压值之差通常以数字量最低位所代表的模拟输入电压值作为衡量单位 3转换时间和转换速率 转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，是从接到转换启动信号开始， 到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间转换时间越短，意味着A/D转换 器的转换速度越快，常见有高速（转换时间1s）、中速（转换时间1ms） 和低速（转换时间100nsEOC为转换结束信号 输出线，高电平表示转换已经结束，数字量。