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1、第九章数模模数转换电路第1 页，本讲稿共28 页第9章 数模和模数转换9.1 9.1 概述 概述9.2 D/A 9.2 D/A 转换器 转换器9.3 A/D 9.3 A/D 转换器 转换器退出 退出第2 页，本讲稿共28 页9.1 概述能 将 模 拟 量 转 换 为 数 字 量 的 电 路 称 为 模 数 转 换 器，简 称A/D 转 换 器或ADC；能 将 数 字 量 转 换 为 模 拟 量 的 电 路 称 为 数 模 转 换 器，简 称D/A 转 换 器 或DAC。ADC 和DAC 是 沟 通 模 拟 电 路 和 数 字 电 路 的 桥梁，也可称之为两者之间的接口。第3 页，本讲稿共28
2、页9.2 D/A 转换器9.2.1 D/A 9.2.1 D/A 转换器的基本原理 转换器的基本原理9.2.2 D/A 9.2.2 D/A 转换器的构成 转换器的构成9.2.3 9.2.3 集成 集成D/A D/A 转换器及其应用 转换器及其应用退出 退出第4 页，本讲稿共28 页9.2.1 D/A 转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，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。基 基本 本原 原理 理第5 页，本讲稿共28 页转 转换 换特 特性 性D/A 转 换 器 的 转 换 特 性，是 指 其 输 出
3、 模 拟 量 和 输 入 数 字 量 之 间 的 转 换关 系。图 示 是 输 入 为3位 二 进 制 数 时 的D/A 转 换 器 的 转 换 特 性。理 想的D/A 转 换 器 的 转 换 特 性，应 是 输 出 模 拟 量 与 输 入 数 字 量 成 正 比。即：输 出 模 拟 电 压 uo=KuD 或 输 出 模 拟 电 流io=KiD。其 中Ku或Ki为 电 压 或电 流 转 换 比 例 系 数，D 为 输 入 二 进 制 数 所 代 表 的 十 进 制 数。如 果 输入为n 位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：第6 页，本讲稿共28 页（1）分辨率分 辨 率 用
4、输 入 二 进 制 数 的 有 效 位 数 表 示。在 分 辨 率 为n 位 的D/A 转 换 器 中，输 出 电 压 能 区 分2n个 不 同 的 输 入 二 进 制 代 码 状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分 辨 率 也 可 以 用D/A 转 换 器 的 最 小 输 出 电 压 与 最 大 输 出 电 压的比值来表示。10位D/A 转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A 转 换 器 的 转 换 精 度 是 指 输 出 模 拟 电 压 的 实 际 值 与 理 想 值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从 输 入 数 字 信 号 起，到 输 出 电 压 或 电 流 到 达 稳
5、 定 值 时 所 需 要的时间，称为输出建立时间。第7 页，本讲稿共28 页5.2.2 D/A 转换器的构成不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。第8 页，本讲稿共28 页设RF=R/2第9 页，本讲稿共28 页分别从虚线A、B、C、D 处向右看的二端网络等效电阻都是R。不 论 模 拟 开 关 接 到 运 算 放 大 器 的 反 相 输 入 端（虚 地）还 是 接 到 地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。第10 页，本讲稿共28 页第1 1 页，本讲稿共28 页第12 页，本讲稿共28 页5.2.3
6、集成D/A 转换器及其应用第13 页，本讲稿共28 页本节小结：D/A 转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A 转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A 转换器和T 型电阻网络D/A 转换器两大类。由于T 型电阻网络D/A 转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。如 果 输 入 的 是n 位 二 进 制 数，则D/A 转 换 器 的 输 出电压为：第14 页，本讲稿共28 页9.3 A/D 转换器9.3.1 A/D 9.3.1 A/D 转换器的基本原理 转换器的基本原理9.3.2 A/D 9.3.2 A
7、/D 转换器的构成 转换器的构成9.3.3 9.3.3 集成 集成A/D A/D 转换器及其应用 转换器及其应用退出 退出第15 页，本讲稿共28 页9.3.1 A/D 转换器的基本原理模 拟 电 子 开 关S 在 采 样 脉 冲CPS的 控 制 下 重 复 接 通、断 开 的 过 程。S 接通 时，ui(t)对C 充 电，为 采 样 过 程；S 断 开 时，C 上 的 电 压 保 持 不 变，为 保 持 过 程。在 保 持 过 程 中，采 样 的 模 拟 电 压 经 数 字 化 编 码 电 路 转 换成一组n 位的二进制数输出。第16 页，本讲稿共28 页t0时刻S 闭合，CH被迅速充电，电
8、路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S 断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S 为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。第17 页，本讲稿共28 页（1）分辨率A/D 转 换 器 的 分 辨 率 用 输 出 二 进 制 数 的 位 数 表 示，位 数 越 多，误 差越 小，转 换 精 度 越 高。例 如，输 入 模 拟 电 压 的 变 化 范 围 为05V，输 出8位 二 进 制 数 可 以 分 辨 的 最 小 模 拟 电 压 为5V2820mV；
9、而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度在 理 想 情 况 下，所 有 的 转 换 点 应 当 在 一 条 直 线 上。相 对 精 度 是 指 实 际 的 各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转 换 速 度 是 指 完 成 一 次 转 换 所 需 的 时 间。转 换 时 间 是 指 从 接 到 转 换控 制 信 号 开 始，到 输 出 端 得 到 稳 定 的 数 字 输 出 信 号 所 经 过 的 这 段 时间。第18 页，本讲稿共28 页0uiVREF/14 时，7个 比 较器 输 出 全 为0，CP 到 来 后，7个 触 发 器 都 置0。
10、经 编 码器 编 码 后 输 出 的 二 进 制 代码为d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14 时，7个 比 较 器 中 只 有C1输 出 为1，CP 到 来 后，只 有 触 发 器FF1置1，其 余 触 发 器 仍 为0。经 编 码 器 编 码 后 输 出 的 二进制代码为d2d1d0=001。9.3.2 A/D 转换器的构成第19 页，本讲稿共28 页3VREF/14 ui 5VREF/14 时，比 较 器C1、C2输 出 为1，CP 到 来 后，触 发 器 FF1、FF2置1。经 编 码 器 编 码 后 输出 的 二 进 制 代 码 为d2d1d0010。5VREF/14
11、ui 7VREF/14时，比 较 器C1、C2、C3输 出 为1，CP 到 来 后，触 发器 FF1、FF2、FF3置 1。经 编 码 器 编 码 后 输 出 的 二进制代码为d2d1d0=011。依 此 类 推，可 以 列 出ui为不 同 等 级 时 寄 存 器 的 状 态及相应的输出二进制数。第20 页，本讲稿共28 页第21 页，本讲稿共28 页转 换 开 始 前 先 将 所 有 寄 存 器 清 零。开 始 转 换 以 后，时 钟 脉 冲 首 先 将 寄存 器 最 高 位 置 成1，使 输 出 数 字 为1000。这 个 数 码 被D/A 转 换 器 转换 成 相 应 的 模 拟 电 压
12、uo，送 到 比 较 器 中 与ui进 行 比 较。若uiuo，说明 数 字 过 大 了，故 将 最 高 位 的1清 除；若uiuo，说 明 数 字 还 不 够 大，应 将 这 一 位 保 留。然 后，再 按 同 样 的 方 式 将 次 高 位 置 成1，并 且 经 过 比 较以 后 确 定 这 个1是 否 应 该 保 留。这 样 逐 位 比 较 下 去，一 直 到 最 低 位 为 止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原 原理 理框 框图 图基 基本 本原 原理 理第22 页，本讲稿共28 页3 3 位逐次逼近型 位逐次逼近型A/D A/D 转换器 转换器第23 页，本讲稿共
13、28 页转 换 开 始 前，先 使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第 一 个CP 到 来 后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于 是FFA被 置1，FFB和FFC被 置0。这 时 加 到D/A 转换 器 输 入 端 的 代 码 为100，并 在D/A 转 换 器 的 输 出 端 得 到 相 应 的 模 拟电 压 输 出uo。uo和ui在 比 较 器 中 比 较，当 若uiuo时，比 较 器 输 出uc=1；当uiuo时，uc=0。第 二 个 CP 到 来 后，环 形 计 数 器 右 移 一 位，变 成 Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这 时 门G1打 开，若 原 来uc=1，
14、则FFA被 置0，若 原 来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第 三 个CP 到 来 后，环 形 计 数 器 又 右 移 一 位，一 方 面 将FFC置1，同 时 将 门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第 四 个CP 到 来 后，环 形 计 数 器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打 开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第 五 个CP 到 来 后，环 形 计 数 器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理 工作原理第24 页，本讲稿
15、共28 页基本原理 基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。原理电路 原理电路第25 页，本讲稿共28 页第26 页，本讲稿共28 页9.3.3 集成A/D 转换器及应用第27 页，本讲稿共28 页A/D 转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D 转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D 转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D 转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D 转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。本节小结：第28 页，本讲稿共28 页