電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分(第六版) ：ch10-1 DA轉(zhuǎn)換器

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、正確理解、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。的工作原理及其特點(diǎn)。教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器

2、D/AD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾理（如計(jì)算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號控制信號數(shù)字控制數(shù)字控制 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)概述概述處理模擬信號的處理模擬信號的模擬電路。模擬電路。模擬電路與數(shù)字電路的模擬電路與數(shù)字電路的接口模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換電路。接口模數(shù)（數(shù)模）

3、轉(zhuǎn)換電路。Analog to digital converterEncoderMp3(wma)CD romMemory模擬電路模擬電路模數(shù)混合電路模數(shù)混合電路 數(shù)字電路數(shù)字電路10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及結(jié)構(gòu)框圖輸出特性及結(jié)構(gòu)框圖10.1.3 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式10.1.4 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)10.1.8 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用*10.1.5 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.

4、1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量 。n n位位數(shù)字量數(shù)字量DAC10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入轉(zhuǎn)換器輸入/ /輸出特性輸出特性A = K D O = K NB 10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差 。1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入轉(zhuǎn)換器輸入/ /輸出特性輸出特性 7 6 5 4 3 2 1 000 001 010 011 100 101 110 111 0

5、D O/（LSB） VLSB D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器的的輸輸出出 理理想想模模擬擬量量的的輸輸出出 2. 2. D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)用存放在數(shù)字寄存器中的字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)字由輸入數(shù)字量控制量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓 數(shù)字

6、量是用代碼按數(shù)位組合而成的，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權(quán)碼，每位代對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，量成正比的模擬量， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。模擬量的轉(zhuǎn)換。1. 1. 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十

7、進(jìn)制數(shù)。10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 電電子子開開關(guān)關(guān) R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 2.2. 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路轉(zhuǎn)換的原理電路)(0123fOiiiiR vRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiDVDDDDV2)2222(3000112233

8、O REFREFv，, 3.3. D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開按模擬電子開關(guān)電路分類關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器10.1.3 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I

9、 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運(yùn)算放大器反相端，電流接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于處于何種位置，與何種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地或虛地。 1、4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 電阻網(wǎng)絡(luò)電

10、阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān) 求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個流入每個2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1=

11、VREF / 8R I0= VREF /16 R流入運(yùn)放的總電流：流入運(yùn)放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2222(13223140REFDDDDRV輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 1n0iifnREFO)2(2iDRRV30ii4REFffO)2(2iDVRRRi (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 4 4 位倒位倒T T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(

12、2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K NB 在電路中輸入的每一個在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 AD7533D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7533 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運(yùn)放，要外接運(yùn)放，

13、 2)2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻也可采用外接電阻）2.2.集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10位位CMOS電流開關(guān)型電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 關(guān)于關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(3)為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高為

14、進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求： (3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等Di =1時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)S Si i接運(yùn)放的反相端接運(yùn)放的反相端; ; Di= 0時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)S Si i接地接地。 10.1.4 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1.

15、4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。)16842(0123ffODIDIDIDIRRi)2222(200112233f4DDDDRI30if422iiDRI (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 2.2.實(shí)際的權(quán)電流實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路REF32O32401110(222)

16、22ffR Vi RDDRDD電壓恒定電壓恒定各各BJT的的 發(fā)射發(fā)射結(jié)電壓相等結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I + + +- -10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV

17、256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量模擬量 數(shù)字量數(shù)字量MSB LSB常用雙極性編碼十十進(jìn)進(jìn)制制數(shù)數(shù)2的補(bǔ)碼的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼模模擬擬量量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0 0/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126 1000000011000000110000000001

18、00000000-11111111101111111-1 -1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位倒位倒 T 形電阻形電阻 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 i 1 10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(zhuǎn)換器模擬輸

19、出電壓可能被分離的等級數(shù)。級數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。給出。n位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n1、分辨率、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：o 轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。理論值之間的最大偏差。o 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。種因素的影響。o 幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等性誤差等10.1.8 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器