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1、中职 数字与脉冲电路（第2版）第8章电子教案 高教版 第第8章章 数模转换与模数转换数模转换与模数转换 l将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换，完成模数转换的电路称为模数转换器，简记为ADC。l将数字信号转换成模拟信号的过程称为数模转换，完成数模转换的电路称为数模转换器，简记为DAC。第第8章章 数模转换与模数转换数模转换与模数转换 l第1节 数模转换器（DAC）l第2节 模数转换器（ADC）第第1节节 数模转换器数模转换器 l一、数模转换基本原理数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表示数值为“8”；第三位代
2、码权是22，代码“0”表示这一位没有数；第二位代码权是21，代码“1”表示数值为“2”；第一位代码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十进制数是8140211010。可见，数模转换只要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量，然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。第第1节节 数模转换器数模转换器 l一、数模转换基本原理图示是一个k位数模转换器的框图。首先将输入数字量存入输入寄存器，然后由寄存器输出控制模拟开关，模拟开关将根据寄存器输出各位取值，将译码网络相应部分接参考电压源（也称基准电压源）VREF或接地，产生与各位数值成正比的电流或电压，最后求和放
3、大器将所有电流或电压相加放大，即得转换后的模拟电压输出。这种转换器由于是将数字量的各位代码同时转换，所以又称为并行数模转换器。输入寄存器数字量输入k位k位模拟开关参考电压源VREF译码网络求和放大器模拟电压输出第第1节节 数模转换器数模转换器 l一、数模转换基本原理数模转换器输出电压uo与输入数字量N之间的一般关系式为uo N 式中，是与电路有关的比例常数；N表示k位二进制数，即例如，3位二进制数模转换器的N值变化范围是0（231），若1 V，可求得输出电压uo变化范围是07 V。第第1节节 数模转换器数模转换器 l二、数模转换器数模转换的具体方法很多，倒T形电阻网络数模转换器（又称倒T形权电
4、流数模转换器）是常用数模转换器之一。l（一）倒T形电阻网络数模转换器图示为4位倒T形电阻网络数模转换器原理电路，它由三部分组成。l（一）倒T形电阻网络数模转换器l1电阻译码网络 参考电压源提供的电流I为 电流I在节点D由两路相等的电流汇集而成，即流过开关S3的电流I3为I/2，另一路电流I/2由节点C经R到节点D；而在节点C，又由两路相等的电流汇成I/2，即流过开关S2的电流I2为I/4，另一路电流I/4由节点B经R到节点C；依此类推可知流过开关S1、S0的电流分别为I1I/8、I0I/16。可见，各开关支路电流按权值依次减小。l（一）倒T形电阻网络数模转换器l1电阻译码网络 Si（i0,1,
5、2,3）受输入数字信号di控制：di1时，Si接O1点；di0时，Si接O2点。由此得电阻网络输出电流 io1d3I3d2I2d1I1d0I0 将 代入，并适当变换上式得：l（一）倒T形电阻网络数模转换器l2模拟开关SiSi是能够传输电流信号的模拟开关，又称电流开关，用双极型管构成的电路如图中虚线框内所示，其中Ii（i0,1,2,3）表示权电流。输入数字信号di作用在V1基极，并与V2基极的基准电压比较。当di1时，V1导通能力减弱，由于IEE为常数，相应V2导通能力加强，因此VB3下降，V3截止，而VB4升高，V4导通，权电流Ii由O1点通过V4流入电阻网络，即电阻网络接通O1点。当di0时
6、，V1导通能力加强，相应V2导通能力减弱，使VB3升高，V3导通，而VB4下降，V4截止，权电流Ii由O2点通过V3流入电阻网络，即电阻网络接通O2点。l（一）倒T形电阻网络数模转换器l3运算放大器运算放大器的作用是将电阻网络的输出电流转换成与输入数字量成正比的模拟电压输出。输出电压uo为uoio1 R=（VREF/24）N将上式推广到k位，有 uoio1 R=（VREF/2k）N第第1节节 数模转换器数模转换器 l二、数模转换器l（一）倒T形电阻网络数模转换器l（二）集成数模转换器将译码网络、模拟开关等集成在一块芯片上，再根据应用需要，附加一些功能电路，就构成具有各种特性，不同型号的集成数模
7、转换器芯片。l（二）集成数模转换器AD7524是单片CMOS 8位并行DAC，功耗20 mW，供电电压5 V15 V。最大特点是参考电压极性可正可负，因而使输出电压相应改变极性。另一特点是片内有输入数据寄存器，可直接与数据总线相连。输出为电流型，要获得模拟电压输出，需要外加转换电路。符号名称说明VDD电源供电电压范围5 V15 V。DGND数字地接数字电路地，即工作电源地与数字逻辑地。O1电流输出1DAC中为“1”的各位权电流汇集输出端。当DAC各位全为1时，此电流最大；各位全为0时，此电流为0。O2电流输出2DAC中为“0”的各位权电流汇集输出端。当DAC各位全为0时，此电流最大；各位全为1
8、时，此电流为0。RFB外接电阻端外部运算放大器反馈电阻连接端。VREF参考电压输入外接参考电压输入端，取值范围10V10V。片选低电平有效。写入控制低电平有效。d0d7数据输入8路并行数据输入端。输入数据寄存器 d74567891011&12138位D/A转换器314211615 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 CS WR DGND VDD O2 O1 RFB VREF10 kl（二）集成数模转换器AD7524实用电路如图。图（a）输出为单极性，VREF取正值时，输出电压为负；VREF取负值时，输出电压为正。输出电压0V（255/256）VREF。R1、R2用来调整放大器增益。图（b
9、）电路能输出双极性电压。图中点经R3与VREF相连，由VREF向A2提供一个与A1输出电流相反的偏置电流。调整R3与R4的比值，使偏置电流为A1输出电流的1/2，这样A2输出成为双极性。双极性输出时，输出电压范围为(128/128)VREF(127/128)VREF。如果放大器是高速运放，通常需要接补偿电容C，其取值1015 pF，以对放大器进行相位补偿，消除自激振荡。第第1节节 数模转换器数模转换器 l三、数模转换器的主要参数衡量数模转换器性能的参数很多，仅介绍主要参数。l（一）静态参数l1分辨率指输入数字量发生单位数码变化时，所对应输出模拟量的变化量。因此，它反映了DAC分辨输出最小模拟电
10、压的能力。规定分辨率用输出模拟电压最大值Uo max与最大输入码个数（2k1）之比衡量。输入数字量位数越多，分辨能力越强，分辨率越高。实际中，更常用的方法是用输入数字量位数表示分辨率。l2转换精度转换精度与DAC芯片的结构和接口配置电路有关。一般说来，不考虑其它数模转换误差时，数模转换器的分辨率即为其转换精度。l3失调误差失调误差是指输入全为0码时，模拟输出值与理论输出值的偏差。单极性数模转换器，模拟输出理论值为0 V；双极性数模转换器，理论值为负满量程值。一定温度下，失调误差可通过调整措施进行补偿。有些DAC芯片设计有调零端；有些DAC无调零端，要求用户外接校正偏置电路加到运算放大器求和端以
11、消除失调。l4满值误差满值误差又称增益误差，是指输入数码全1时，实际输出电压不等于满值的偏差值。满值误差可以通过调整运算放大器的反馈电阻值加以消除。第第1节节 数模转换器数模转换器 l三、数模转换器的主要参数l（一）静态参数l（二）动态参数建立时间ts是描述数模转换器转换速度的重要参数，一般指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内所经历的时间。数模转换器的译码网络、模拟开关等均非理想器件，各种寄生参量及开关延迟等都会限制转换速度。实际建立时间长短不仅与转换器本身转换速度有关，还与数字量变化大小有关。输入数字从全0变到全1（或从全1到全0）时，建立时间最长，称为满量程变化建立时间。手册
12、上给出的一般都是满量程变化建立时间。根据建立时间ts长短，数模转换器分为以下几种类型：低速ts100 s；中速ts10100 s；高速ts110 s；较高速ts100 ns1 s；超高速ts100 ns。选用数模转换器时，考虑的主要指标是转换速度与精度。第第1节节 数模转换器数模转换器 l四、数模转换器应用举例 l1锯齿波发生器把计数器输出送给DAC，便可得到锯齿波，如图所示。计数器所计数值按时钟脉冲频率不断增加，使DAC输出一个阶梯电压，再经低通滤波器滤波，便形成线性锯齿波。待计数器计满值后，自动回到全零状态，再开始下一个锯齿波。计数器DAC低通滤波器时钟第第1节节 数模转换器数模转换器 l
13、四、数模转换器应用举例 l2任意波形发生器把计数器计数值作为地址码送到只读存储器地址输入端，再把只读存储器读出数据送给DAC，便可得到任意形状的波形。波形形状取决于只读存储器的存储数据，改换存储不同数据的只读存储器，便可得到不同形状的波形。第第1节节 数模转换器数模转换器 l四、数模转换器应用举例 l3.乘法器 uoio1 RF（ui/16R）N RF ui N 式中，RF/16R 第第2节节 模数转换器模数转换器 l一、模数转换基本原理l将模拟量转换为数字量要经过量化和编码两个步骤。量化就是将模拟信号ui按要求划分成某个最小量化单位s的整数倍。编码就是把量化数值用二进制代码表示，这个二进制代
14、码就是模数转换器的输出。通常量化和编码合并进行，用同一电路完成。l一、模数转换基本原理由于实际电路所能表示的数字量位数有限，k位二进制代码只能代表2k个数值。因此，任意一个模拟信号ui，不可能正好与某一量化电平即量化单位s的整数倍相等，只能接近某一个量化电平。所以，量化方法有两种：l1只舍不入法当0sui1s时，ui量化值取0s；当1sui2s时，ui量化值取1s；。如取s(1/8)V且采用三位二进制编码，则输入与输出代码的关系如图（a）所示。l2有舍有入法当0sui0.5s时，ui量化值取0s；当0.5sui1.5s时，ui量化值取1s；当1.5sui2.5s时，ui量化值取2s；。此方法输
15、入与输出代码关系见图（b）。量化输入模拟电压1 V7/8 V 6/8 V 5/8 V 4/8 V 3/8 V 2/8 V 1/8 V0 V s编码输出二进制代码111110101100011010001000（a）量化输入模拟电压1 V 13/15 V 11/15 V 9/15 V 7/15 V 5/15 V 3/15 V 1/15 V0 V s编码输出二进制代码111110101100011010001000（b）第第2节节 模数转换器模数转换器 l二、模数转换器模数转换的方法主要有并行比较型、逐次逼近型和双积分型。l1并行比较型模数转换器图示是3位并行比较型模数转换器。图中，参考电压VRE
16、F经电阻分压器形成七个比较电平VREF、(7/8)VREF、(1/8)VREF，分别加到七个比较器反相输入端。输入电压ui同时加到七个比较器同相输入端，与各参考电平进行比较。当ui高于比较电平时，比较器输出1，反之为0。比较器输出经编码器编码，输出三位二进制代码D2D1D0。ui、比较器输出及编码器输出之间的对应关系如表所示。输入电压ui比较器输出编码器输出C7C6C5C4C3C2C1D2D1D0 0 V ui VREF0000000000VREF ui VREF0000001001VREF ui VREF0000011010VREF ui VREF0000111011VREF ui VREF
17、0001111100VREF ui VREF0011111101VREF ui VREF0111111110VREF ui VREF1111111111l2逐次逼近型模数转换器基本组成如图所示，工作过程：启动转换后，控制电路首先将锁存器、逐次逼近逻辑寄存器SAR清零，同时时钟电路开始工作。当第一个时钟到达时，SAR最高位被置1，DAC输入为10000，DAC输出uoA（称为砝码电压）为满值输出电压EoA的一半，即uoAEoA/2。ui与uoA比较，若uiuoA，比较器C输出1，SAR最高位保持1即留码；若C为0，则去码，SAR最高位变为0。设此次结果为留码。接着第二个时钟到达，使SAR次高位置
18、1，DAC输入变为11000，于是uoA(EoA/2)(EoA/22)，ui与uoA比较结果决定次高位是留还是去码，依次类推，直到最末位，此时再来一时钟，SAR有溢出信号，此信号作为模数转换结束信号EOC，这时锁存器锁存结果就是模数转换结果。控制电路 uiEOC VREF时钟电路启动脉冲#去码/留码C逐次逼近逻辑寄存器SAR输出锁存器DAC uoA输出数据清零CPl3双积分型模数转换器双积分型模数转换器又名双斜率模数转换器，是一种间接模数转换电路。基本原理是先将输入模拟电压通过积分器转换成与其平均值成正比的时间间隔，然后用计数器测量这一时间间隔，计数器输出数字量就是正比于输入模拟量的数字信号。
19、l3双积分型模数转换器图示电路中，转换之前计数器清零。在t0时，开关S接模拟输入ui，电路进入取样阶段，由集成运放与RC组成的积分器对ui积分，积分器输出电压正比于对ui的积分，且使比较器输出1，G打开，计数器开始计数。当计数器值满并由最大值回到全0的t1时刻，产生溢出。溢出脉冲通过逻辑控制电路使S接参考电压VREF，积分器停止对ui积分，并开始对VREF积分，电路进入比较阶段。因ui与VREF极性相反，所以积分器输出从负值以固定斜率向正方向回升。当uA0 V时，比较器输出0，G关闭，计数器停止计数，比较阶段结束。因在tt1时计数器已计满回零，因此，在t2时刻，计数器记下的数就是(t2t1)期
20、间累计的脉冲数，记作N1。可以求得：N1 UI因此，计数值N1正比于输入电压UI，完成模数转换。l3双积分型模数转换器实际双积分型模数转换器，能够根据输入电压ui极性，自动改变参考电压极性，保证取样阶段与比较阶段积分器输出电压uA极性相反，如图所示。第第2节节 模数转换器模数转换器 l二、模数转换器l并行比较型模数转换器的转换速度快，但增加转换位数时，比较器数量大大增加，若输出k位二进制数码，需要（2k1）个比较器，因此一般只用于k4的情况。l逐次逼近型模数转换器的特点是转换精度高，速度较快，所以应用广泛。l双积分型模数转换器的数字量输出与积分器时间常数无关，对积分元件参数精度要求不高。此外，
21、对叠加在ui上的50 Hz工频干扰有很强的抑制能力。缺点是速度低，只适于对慢变化信号或直流信号进行转换，在数字测量仪器中得到广泛应用，如数字式直流电压表、数字式温度计等。第第2节节 模数转换器模数转换器 l三、ADC主要参数l1量化误差与分辨率l分辨率又称分解度，是描述模数转换器转换精度的参数，习惯上用输出二进制数位数或者BCD码位数表示。因为对同一模拟电压，描述它的数字量位数越多，则量化单位越小，转换精度就越高。lBCD码输出的模数转换器，用位数表示分辨率的方法举例说明如下：分辨率为4位，意味着输出满度字为0001 1001 1001 1001 1001BCD，对应十进制数为19 999。l
22、量化误差和分辨率是统一的。量化误差是由于用有限个数字量对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即1 LSB或1/2 LSB。提高分辨率可减少量化误差。第第2节节 模数转换器模数转换器 l三、ADC主要参数l2转换时间与转换速率 转换时间定义为模数转换器完成一次完整转换所需要的时间，即从输入端加入信号到输出端出现相应数码的时间。转换速率是转换时间的倒数。l目前转换时间最短的为全并行式，用双极型或CMOS工艺制作的高速型转换时间为550 ns，即速率达20200 MHz。其次是逐次比较式，若采用双极型制造工艺，转换时间达到0.4 s，即速率为2.5 MHz
23、。l模数转换器按转换时间分类：转换时间在20300 s的为中速型；大于300 s的为低速型；小于20 s的为高速型。l选用模数转换器，要考虑的主要参数是转换速度和分辨率。第第8章总结章总结 l1模数转换器与数模转换器是模拟系统与数字系统间的接口电路。评价模数转换器与数模转换器的主要指标是转换精度和速度。l2数模转换器是利用权电流求和及电流-电压放大器使输出电压与输入数字量成正比。l3模数转换器包括取样-保持电路和量化-编码电路两部分。取样-保持电路有许多集成产品，可供直接选用。本章介绍了三种量化-编码电路。其中速度最快的是并行比较型。逐次逼近型速度略低一些，在需要质量好而速度较快的转换器件时是最常用的。双积分型转换速度最慢，由于有拟制50 Hz市电干扰的优点，在数字式直流电压表中得到广泛应用。