數(shù)電模數(shù)與數(shù)模轉換電路

數(shù)電模數(shù)與數(shù)模轉換電路第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1概述能將模擬量轉換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC；能將數(shù)字量轉換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉換器，簡稱D/A轉換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。

模

擬

傳感器

A/D

轉換器

數(shù)字控制

計算機

D/A

轉換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

傳感器(溫度、壓力、流量、應力等）計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等用模擬量作為控制信號ADC和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2D/A轉換2.1D/A轉換器概述2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器2.3權電流型D/A轉換器2.4D/A轉換器的輸出方式2.5

D/A轉換器的主要技術指標2.6集成D/A轉換器及其應用第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.1D/A轉換器概述1、DAC的功能:將數(shù)字量成正比地轉換與之對應成模擬量。

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，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，這樣，就可以實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉換。2.實現(xiàn)D/A轉換的基本思想第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三D/A轉換器的轉換特性是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉換關系。

理想的D/A轉換器的轉換特性:輸出模擬電壓uo=Ku×D或輸出模擬電流io=Ki×D。如果輸入為n位二進制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：3.轉換特性第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三4.D/A轉換器的組成:電阻網(wǎng)絡模擬電子開關求和運算放大器第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。

第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三D/A轉換器的倒T形電阻網(wǎng)絡原理分析基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三II2I1I0I3流入運放的總電流：

i＝

I0+I1+I2+I3第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三4位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC的輸出模擬電壓：推廣到n位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC,有：令：則O=–KNB

上式表明，在電路中輸入的每一個二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三為提高D/A轉換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(1)基準電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡中R和2R電阻比值的精度要高；(3)每個模擬開關的開關電壓降要相等為進一步提高D/A轉換器的精度，可采用權電流型D/A轉換器。

第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.3權電流型D/A轉換器Di=1時，開關Si接運放的反相端;

Di=0時，開關Si接地。

在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受其他因素的影響，提高了轉換精度。采用恒流源電路后對提高轉換精度有什么好處？第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.4D/A轉換器的輸出方式1.單極性輸出方式

倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器單極性電壓輸出的電路

反相輸出同相輸出

第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0模擬量111111111000000110000000011111110000000100000000表18位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系……第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三NB’2.雙極性輸出方式

2的補碼偏移二進制碼第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三十進制數(shù)2的補碼偏移二進制碼模擬量D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1D0D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0O/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126…－11111111101111111－1…－1271000000100000001－127－1281000000000000000－128表28位D/A轉換器在雙極性輸出時的輸入/輸出關系第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1.轉換精度：通常用分辨率和轉換誤差來描述。

分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。實際應用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉換器的分辨率。

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。n位D/A轉換器的分辨率可表示為2.5D/A轉換器的主要技術指標2.轉換誤差：轉換誤差是指D/A轉換器實際精度與理論上可達到的精度之間存在誤差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三幾種轉換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調誤差等

比例系數(shù)誤差：是指實際轉換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。

第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三失調誤差：由運算放大器的零點漂移引起，其大小與輸入數(shù)字量無關，該誤差使輸出電壓的轉移特性曲線發(fā)生平移。三位D/A轉換器的失調誤差如圖所示。

第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.6集成D/A轉換器及其應用1.AD7520D/A轉換器10位CMOS電流開關型D/A轉換器

第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2、集成D/A轉換器應用之一：

數(shù)字式可編程增益控制電路第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2、集成D/A轉換器應用之二：

拋物線波形產(chǎn)生電路

第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三本節(jié)小結D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。如果輸入的是n位二進制數(shù)，則D/A轉換器的輸出電壓為：第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三3A/D轉換3.1A/D轉換器概述3.2并行比較型A/D轉換器3.3逐次比較型A/D轉換器3.4雙積分式A/D轉換器3.5

A/D轉換器的主要技術指標3.6集成A/D轉換器及其應用第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

A/D轉換器要將時間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉換為時間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號，它一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數(shù)字量。1.A/D功能:3.1A/D轉換器概述第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.A/D轉換的一般工作過程（1）采樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。

采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax

第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

要將取樣電路每次采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要保加持電路，將所采樣的模擬信號保持一段時間。取樣與保持過程往往是通過采樣與保持電路同時完成的。電路要求：AV1=AV2=1，A1的Ri高，Ro低；A2的Ri高采樣不能放電保持※保持第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三3.量化與編碼為將模擬信號轉換為數(shù)字量，在A/D轉換過程中，必須將采樣–保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一轉化過程我們稱為數(shù)值量化，簡稱量化。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。例如：采樣得到的電平分別為0.10.20.311.21.09可以規(guī)定最小的數(shù)量單位為0.01，則量化后對應的為1020100120109也可以規(guī)定最小的數(shù)量單位為0.1，則量化后對應的應該為123101210（11）※量化第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應的模擬量，即1LSB。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。在量化過程中由于采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

(1)量化誤差第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三只舍不入量化方式:量化中把不足1個量化單位的部分舍棄；最大量化誤差為：四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。其最大量化誤差為：最大量化誤差為(2)兩種量化方式量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。

※編碼例如：采樣得到的電平分別為0.10.20.311.21.09量化后對應的應該為123101210（11）編碼為000100100011101011001010（1011）第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.A/D轉換器分類①并聯(lián)比較型特點:轉換速度快,轉換時間10ns~1s,但電路復雜。②逐次逼近型特點:轉換速度適中,轉換時間為幾s~100s,轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型特點:轉換速度慢,轉換時間幾百s~幾ms，但抗干擾能力最強。第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電壓比較器精密參考電壓D觸發(fā)器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量3.2并行比較型A/D轉換器第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的優(yōu)先級最高001vivO2.工作原理第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。

第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三在并行A/D轉換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端，從I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它具有最短的轉換時間。

缺點是電路復雜，如三位ADC需比較器的個數(shù)目為7個位數(shù)越多矛盾越突出。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。

3.電路特點第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三分級并行轉換10位A/D轉換器第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三3.3逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似。所加砝碼重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留

結果8克12克12克13克

1.轉換原理

所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx=13克。稱重過程

第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1.轉換原理第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三四位逐次比較型A/D轉換器的邏輯電路如下圖所示。圖中五位移位寄存器可進行并入/并出或串入、串出操作，其F為并行置數(shù)端，高電平有效，S為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由D邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從Q4~Q1輸出試分析電路的工作原理。100001111101D1D2D3F為并行置數(shù)端，高電平有效S為高位串行輸入D/A轉換器輸出電壓O＝VREF/2,

送入比較器C與I比較；若I＞

O則比較器C輸出c為1，否則為0。比較結果（1或0）送至數(shù)據(jù)寄存器的D4~D1。

第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1D31111011D1D2D300第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1D21110111D1D2D30D3第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1D21101111D1D2D3D3D1第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三(1)逐次比較型A/D轉換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉換精度越高；

(2)逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短；

2.逐次比較型A/D的特點第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三3.4雙積分式A/D轉換器基本原理：

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。該A/D轉換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。原理電路第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三10.2.4雙積分式A/D轉換器00000(1)準備階段工作原理CR信號將計數(shù)器清零；開關S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2。第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三(2)第一次積分10001010111000t=t0時，開關S1與A端接通，正的被測電壓I加到積分器的輸入端。積分器開始對I積分，此階段稱為采樣階段工作原理00001010111001000101011111100010101110101001010111000第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三10.2.4雙積分式A/D轉換器(2)第二次積分11001010VREF加到積分器的輸入端，積分器開始向相反方向進行第二次積分；當t=t2時，積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(shù)停止。

工作原理0第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三T1=2nTC?T2=Tc

T2=t1

t2

第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三1.轉換精度

單片集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。

分辨率:轉換誤差：表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示。3.5A/D轉換器的主要技術指標說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。若n位A/D轉換器的分辨率表示為1/2n。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2.轉換時間

指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉換器的轉換時間與轉換電路的類型有關并行比較A/D轉換器的轉換速度最高,逐次比較型A/D轉換器次之,間接A/D轉換器(如雙積分A/D)的速度最慢。

并行比較A/D轉換器(8位）

逐次比較型A/D轉換器

間接A/D轉換器10~50s<50ns10ms~1000ms第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三例某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉換集成芯片在1秒鐘內對16個熱電偶的輸出電壓分時進行A/D轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0~0.025V(對應于0~450℃溫度范圍)，需要分辨的溫度為0.1℃，試問應選擇多少位的A/D轉換器，其轉換時間為多少？解：

由題意可知分辨率為12位A/D轉換器的分辨率為

故必須選用13位的A/D轉換器。

系統(tǒng)的采樣速率為每秒16次，采樣時間為62.5ms。對于這樣慢速的采樣任何一個A/D轉換器都可達到。

第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三3.6集成A/D轉換