《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第9章.數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、9.1 D/A9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.2 A/D9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.3 9.3 集成集成D/A與與A/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用第第9 9章章 數(shù)數(shù)/ /模和模模和模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)轉(zhuǎn)換電路 D/AD/A轉(zhuǎn)換電路按不同的分類方法劃分有多轉(zhuǎn)換電路按不同的分類方法劃分有多種類型。按轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)區(qū)分，有權(quán)電阻網(wǎng)種類型。按轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)區(qū)分，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、倒絡(luò)、倒T T電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)等電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)等D/AD/A轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電路。按半導(dǎo)體器件區(qū)分，有單極型路。按半導(dǎo)體器件區(qū)分，有單極型CMOSCMOS和雙和雙極型極型TTL D/ATTL D/A轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電

2、路。TTL D/ATTL D/A轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度高于單極型轉(zhuǎn)換速度高于單極型CMOS D/ACMOS D/A轉(zhuǎn)換電路，在轉(zhuǎn)換電路，在轉(zhuǎn)換速度要求較高的場合下，可選用雙極型轉(zhuǎn)換速度要求較高的場合下，可選用雙極型TTL D/ATTL D/A轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。 9.1 D/A 9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路圖圖9.1.4 9.1.4 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 9.1 D/A 9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.1.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)圖圖9.1.5 9.1.5 倒倒T T電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 9.1 D/A 9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.1.

3、2 倒T電阻網(wǎng)絡(luò) 倒倒T T電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換電路中的模擬開轉(zhuǎn)換電路中的模擬開關(guān)存在著導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，它們會引關(guān)存在著導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，它們會引起流過各支路的電流變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換電流起流過各支路的電流變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換電流誤差問題。為了改進倒誤差問題。為了改進倒T T電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路的精度，可以采用恒流源代替各支路電路的精度，可以采用恒流源代替各支路電阻產(chǎn)生電流的權(quán)電流電阻產(chǎn)生電流的權(quán)電流D/AD/A轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。 9.1 D/A 9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.1.3 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換電路1 1）分辨率）分辨率2 2）滿量程）滿量程3 3）失調(diào)誤

4、差）失調(diào)誤差5 5）溫度系數(shù)）溫度系數(shù)4 4）非線性誤差）非線性誤差 9.1 D/A 9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標1.1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度1 1）建立時間）建立時間2 2）轉(zhuǎn)換速率）轉(zhuǎn)換速率ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 9.1 D/A 9.1 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 A/DA/D轉(zhuǎn)換是轉(zhuǎn)換是D/AD/A轉(zhuǎn)換的逆過程，在轉(zhuǎn)換的逆過程，在A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路中，將一個輸入連續(xù)的

5、模擬信號變換為輸電路中，將一個輸入連續(xù)的模擬信號變換為輸出離散的數(shù)字信號。若模擬參考量為出離散的數(shù)字信號。若模擬參考量為UERFUERF，則，則輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量D D和輸入模擬量和輸入模擬量A A之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 在在A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換過程中，有時需要用到采樣有時需要用到采樣保保持電路，使輸入持電路，使輸入A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路的信號在一次轉(zhuǎn)換電路的信號在一次轉(zhuǎn)換時間內(nèi)保持不變。換時間內(nèi)保持不變。 所謂采樣就是將一所謂采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的模個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量。圖的模

6、擬量。圖9.2.39.2.3表表示出了模擬信號與采樣示出了模擬信號與采樣信號的波形關(guān)系。信號的波形關(guān)系。圖圖9.2.3 9.2.3 模擬信號采樣過程模擬信號采樣過程 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.2.1 采樣-保持電路 假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓ui在0UREF范圍內(nèi)變化。量化采用有舍有入方式，利用電阻分壓把標準電壓UREF分成8段（量化階梯），其中6段間隔為1/7 UREF，另外兩段間隔（最初和最末）為1/14 UREF。因此，輸入模擬電壓從0到UREF整個范圍內(nèi)，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠不會超過UREF/14，如圖9.2.6所示。圖圖9.2.6 9.2.6 數(shù)字

7、輸出與模數(shù)字輸出與模擬輸入之間的對應(yīng)關(guān)系擬輸入之間的對應(yīng)關(guān)系 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.2.2 并行比較A/D轉(zhuǎn)換電路 例9.2.1在圖9.2.7電路中，已知UREF=12 V，輸入模擬電壓4.9 V，確定3位并行比較A/D電路的輸出數(shù)字量。 解：當(dāng)輸入模擬電壓4.9 V時，從圖9.2.7電路中的比較器輸入電壓是在5UREF/14到7UREF/14之間，可得出輸出C1C2C3C4C5C6C7=1110000。對照表9.2.1或分析電路圖9.2.7，得到輸出的數(shù)字量為011。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路圖圖9.2.8 39.2.8 3位逐次比較位逐次比

8、較A/DA/D轉(zhuǎn)換電路圖轉(zhuǎn)換電路圖 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.2.3 逐次比較A/D轉(zhuǎn)換電路1.1.補償電壓電路補償電壓電路 逐次比較逐次比較A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路不像并行比較不像并行比較A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路速度快，所以在模擬輸入信速度快，所以在模擬輸入信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號期間，輸號轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號期間，輸入模擬量應(yīng)該保持不變，輸入模擬量應(yīng)該保持不變，輸入端需設(shè)采樣入端需設(shè)采樣保持電路。保持電路。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.2.采樣采樣- -保持電路保持電路 逐次比較逐次比較A/DA/D轉(zhuǎn)換電路中包含轉(zhuǎn)換電路中包含D/AD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路

9、，其精度主要取決于換電路，其精度主要取決于D/AD/A轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電路的精度。模擬信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號的路的精度。模擬信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號的過程中，移位寄存器在時鐘的作用下，過程中，移位寄存器在時鐘的作用下，RSRS觸發(fā)器不斷地翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器不斷地翻轉(zhuǎn)，D/AD/A轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換電路的電子開關(guān)不斷接通與斷開，所有這些都電子開關(guān)不斷接通與斷開，所有這些都將產(chǎn)生時間延遲。將產(chǎn)生時間延遲。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路3.D/A3.D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 首先為首先為3 3位位D/AD/A轉(zhuǎn)換電路輸入轉(zhuǎn)換電路輸入3 3位數(shù)位數(shù)字量，依次從高到低為字量，依次從高到低為100100，由，由D/

10、AD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓換電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓u uo o，與，與uiui進行進行比較，若比較，若u uo o較小，則再在次高位二進較小，則再在次高位二進制碼上置制碼上置1 1，即給，即給D/AD/A轉(zhuǎn)換電路置為轉(zhuǎn)換電路置為110110。若若u uo o較大，則去掉較大，則去掉100100，換上，換上010010。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路4.4.比較器比較器 由由5 5個個D D觸發(fā)器觸發(fā)器FAFAFEFE連成模數(shù)為連成模數(shù)為5 5的環(huán)形計數(shù)器和門電路組成。將環(huán)形的環(huán)形計數(shù)器和門電路組成。將環(huán)形計數(shù)器中計數(shù)器中FAFA先置先置“1”“1”，在時鐘，在時鐘CPCP的

11、的控制下，控制下，“1”“1”按按FAFBFCFDFEFAFBFCFDFE循環(huán)移位，同時循環(huán)移位，同時在比較器輸出信號的作用下，控制寄在比較器輸出信號的作用下，控制寄存器輸出二進制數(shù)的變化。存器輸出二進制數(shù)的變化。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路5.5.控制邏輯電路控制邏輯電路 3 3個邊沿個邊沿RSRS觸發(fā)器用觸發(fā)器用來暫存變化的二進制數(shù)字。來暫存變化的二進制數(shù)字。1 1號觸發(fā)器寄存二進制數(shù)號觸發(fā)器寄存二進制數(shù)的最低位（的最低位（LSBLSB），），3 3號觸號觸發(fā)器寄存二進制數(shù)的最高發(fā)器寄存二進制數(shù)的最高位（位（MSBMSB）。）。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)

12、換電路6.6.逐次比較寄存器逐次比較寄存器 G GA A、G GB B、G GC C與門組成了輸出電與門組成了輸出電路，當(dāng)路，當(dāng)Q QE E=1=1時，打開輸出與門時，打開輸出與門 G GA A、G GB B、G GC C，讀出經(jīng)逐次比較后的二進，讀出經(jīng)逐次比較后的二進制數(shù)碼。制數(shù)碼。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路7.7.輸出電路輸出電路 例9.2.2在圖9.2.8中3位A/D轉(zhuǎn)換電路中,3位D/A轉(zhuǎn)換電路中參考電壓UREF=7 V，若模擬輸入電壓ui=5.6 V，輸出的3位數(shù)字量Q2Q1Q0為多少？ 解：經(jīng)采樣保持電路將輸入模擬電壓ui=5.6 V轉(zhuǎn)換ui=5.6 V。開始

13、環(huán)形計數(shù)器的QA=1，則RS觸發(fā)器輸出Q3Q2Q1=100，所以uo=4-0.5=3.5 V。因為uoui，所以CO=0。在第2個時鐘脈沖上升沿到來后，QB=1，RS觸發(fā)器輸出Q3=1，Q2=1，此時Q3Q2Q1=110，所以uo=6-0.5=5.5 V。因為uoui，所以CO=0。接著第3個時鐘脈沖上升沿到來后，QC=1，RS觸發(fā)器輸出Q3Q2Q1=111，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后uo=7-0.5=6.5 V，使uoui，CO=1。在第4個時鐘脈沖上升沿到來后，QD=1，RS觸發(fā)器Q3Q2Q1變化為110。在第5個時鐘脈沖上升沿到來后，QE=1，打開輸出門GA、GB、GC，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果讀出，即模

14、擬輸入電壓為5.6 V時,轉(zhuǎn)換為三位二進制碼110。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.8.工作原理工作原理圖圖9.2.10 9.2.10 雙積分雙積分A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.2.4 雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路 雙積分雙積分A/DA/D轉(zhuǎn)換電路先把電壓轉(zhuǎn)換成中間轉(zhuǎn)換電路先把電壓轉(zhuǎn)換成中間量時間，再將時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以也稱為量時間，再將時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以也稱為V VT T轉(zhuǎn)換電路。還可以把電壓轉(zhuǎn)換成其他物理轉(zhuǎn)換電路。還可以把電壓轉(zhuǎn)換成其他物理量，如先把電壓轉(zhuǎn)換成頻率，再將頻率轉(zhuǎn)換為量，如先把電壓轉(zhuǎn)換成頻率，再將頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)

15、字量，即數(shù)字量，即V VF F轉(zhuǎn)換電路。上述介紹的轉(zhuǎn)換方轉(zhuǎn)換電路。上述介紹的轉(zhuǎn)換方法屬于間接轉(zhuǎn)換，雙積分法屬于間接轉(zhuǎn)換，雙積分A/DA/D轉(zhuǎn)換電路是間接轉(zhuǎn)換電路是間接轉(zhuǎn)換方法中應(yīng)用最為普遍的電路。逐次比較、轉(zhuǎn)換方法中應(yīng)用最為普遍的電路。逐次比較、并行比較等并行比較等A/DA/D轉(zhuǎn)換方法直接將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)轉(zhuǎn)換方法直接將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字，屬于直接轉(zhuǎn)換法。字，屬于直接轉(zhuǎn)換法。 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1 1）分辨率）分辨率 2 2）量化誤差）量化誤差 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標1.1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度1 1）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換

16、時間時間2 2）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換速率速率 9.2 A/D 9.2 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 并行數(shù)字量輸入集成并行數(shù)字量輸入集成DACDAC進行轉(zhuǎn)進行轉(zhuǎn)換時，輸出建立時間短。隨著輸入換時，輸出建立時間短。隨著輸入數(shù)字量的增多，引腳增多，芯片面數(shù)字量的增多，引腳增多，芯片面積較大，與其他器件連接也較為復(fù)積較大，與其他器件連接也較為復(fù)雜，下面介紹并行數(shù)據(jù)輸入的集成雜，下面介紹并行數(shù)據(jù)輸入的集成DAC1210DAC1210。9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用9.3.1 集成D/A轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用（3 3）控制電路。）控制電路。（2 2

17、）D/AD/A寄存器。寄存器。（1 1）輸入寄存器。）輸入寄存器。9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用1.1.并行數(shù)字量輸入集成并行數(shù)字量輸入集成DAC1210DAC12109.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用2.2.串行數(shù)字量輸入集成串行數(shù)字量輸入集成MAX515MAX515圖圖9.3.4 9.3.4 串行輸入串行輸入MAX515MAX515功能框圖功能框圖9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用 ADC0809 ADC0809采用采用CMOSCMOS工

18、藝制造，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖工藝制造，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.3.59.3.5所示，所示，ADC0809ADC0809輸輸出是出是8 8位數(shù)據(jù)，輸入通道配備位數(shù)據(jù)，輸入通道配備8 8路，可分時選通路，可分時選通8 8路模擬量進行轉(zhuǎn)換。輸路模擬量進行轉(zhuǎn)換。輸出設(shè)有三態(tài)出設(shè)有三態(tài)TTLTTL鎖存緩沖器，便于和各種微處理機接口。鎖存緩沖器，便于和各種微處理機接口。圖圖9.3.5 A/D9.3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路08090809結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用9.3.2 集成A/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用 圖圖9.3.6 9.3.6 例例9.3.29

19、.3.29.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用 解：（1）圖9.3.6中的8位ADC0809兩個參考電壓輸入端UREF(+)與UREF(-)可分別連接到UDD和GND。OE接高電平輸出使能。ADDCADDBADDA=000，則選擇IN0通道的模擬輸入信號進行轉(zhuǎn)換。若START、ALE和EOC相連，可分析上一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC發(fā)出高電平脈沖信號，使寄存器復(fù)位，地址選定了通道。EOC(START)在下降沿時，又開始新一輪的A/D轉(zhuǎn)換，則上一次轉(zhuǎn)換結(jié)束就是下一次轉(zhuǎn)換的開始。 （2）ADC0809每轉(zhuǎn)換一次，EOC發(fā)出一個高電平時鐘脈沖信號，發(fā)給4位84

20、21碼二進制計數(shù)器74161的時鐘輸入端。74161的輸出按0000到1111計數(shù)，往復(fù)循環(huán)。 （3）74161的輸出數(shù)據(jù)控制168 RAM的地址輸入端，而ADC0809的數(shù)字量送到168 RAM的數(shù)據(jù)輸入端。每次ADC0809轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在EOC時鐘脈沖的作用下存入168 RAM，不斷記錄，但最多存放16個8位二進制數(shù)據(jù)。因此圖9.3.6是一個簡易數(shù)字采集存儲電路。9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用本章小結(jié)本章小結(jié)A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路是電子系統(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為現(xiàn)實中的各種物理量（或被轉(zhuǎn)換成的模擬電壓或電流信號）和數(shù)字測量、處理的數(shù)字量起著溝通的作用。數(shù)字系統(tǒng)的精度和速度主要取決于A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，因此A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度是主要技術(shù)指標。隨著集成電路工藝制造技術(shù)的發(fā)展，A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、噪聲、功耗等性能有了很大的進步，目前最快的A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度超過350 MHz，最大分辨率已超過24位。常用的集成D/A轉(zhuǎn)換主要采用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)、用雙極型的權(quán)電流和用CMOS倒T電阻網(wǎng)絡(luò)等方法。由于倒T電阻網(wǎng)絡(luò)電阻取值較少，易于集成，便于提高精度，在集成D/A轉(zhuǎn)換電路中被普遍采用。雙極型的權(quán)電流方法因采用恒流源