1、數數 字字 電電 子子 技技 術術 基基 礎礎第第1212章章 模模/數與數數與數/模轉換電路模轉換電路12.1 概述概述12.2 D/A轉換器轉換器12.3 A/D轉換器轉換器12.4 本章小結本章小結第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路12.1 12.1 概述概述模數轉換器模數轉換器數模轉換器數模轉換器 模數轉換器一般屬于系統的前級電路，完成模擬電模數轉換器一般屬于系統的前級電路，完成模擬電信號到數字電信號的轉換。信號到數字電信號的轉換。（Analog - Digital Converter），簡稱），簡稱A/D轉換器轉換器、ADC 數模轉換器一般屬于系統的后

2、級電路，完成數字電數模轉換器一般屬于系統的后級電路，完成數字電信號到模擬電信號的轉換。信號到模擬電信號的轉換。（Digital - Analog Converter），簡稱），簡稱D/A轉換器轉換器、DAC第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路12.2 12.2 D/A 轉換器轉換器12.2.1 12.2.1 D/A 轉換原理轉換原理d0d1dn-1DACuO或或iO例如：例如：DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 11113148212121)1101(0232 10O)2(niiiDku輸出模擬電壓輸出模擬電壓實際是實際是不連續

3、不連續的，而是由一系列的，而是由一系列“臺階電壓臺階電壓”組成。組成。 其最小單位就是輸入其最小單位就是輸入“0001”所對應的模擬電壓大小，就所對應的模擬電壓大小，就是是比例系數比例系數 k 的大小。的大小。MSB：輸入：輸入n位二進制數位二進制數 的最高位；的最高位；LSB：最低位；：最低位；FSR：最大輸入數字量：最大輸入數字量 “1111”。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路一一. . 權電阻網絡權電阻網絡DAC1. 1. 電路結構電路結構000011112. 2. 工作原理工作原理3REF3dRVI )(20123FOIIIIRiRu 2REF22dR

4、VI 12REF12dRVI 03REF02dRVI )2222(2 )222(2001122334REF03REF12REF2REF3REFOddddVdRVdRVdRVdRVRu nnnnnnDVddddVu4REF00112211REFO2)2222(2 第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路一一. . 權電阻網絡權電阻網絡DAC1. 1. 電路結構電路結構000011113. 3. 器件特點器件特點優點優點： 電路結構簡單；電路結構簡單； 轉換速度也比較快。轉換速度也比較快。缺陷缺陷： 電路中電阻大小各不相電路中電阻大小各不相同，且差異很大，轉換器同，且差異

5、很大，轉換器位數越大，這種差異就越位數越大，這種差異就越大。權電阻的阻值精度直大。權電阻的阻值精度直接限制了轉換精度。同時接限制了轉換精度。同時不利于集成化。不利于集成化。 電子開關的導通電阻和電子開關的導通電阻和導通壓降都會影響轉換精導通壓降都會影響轉換精度和轉換速度。度和轉換速度。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路二二. . 倒倒 T 形電阻網絡形電阻網絡DAC1. 1. 電路結構電路結構RRRR11110000第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路2. 2. 工作原理工作原理)21212121(168420413223REF01

6、23ddddRVdIdIdIdIi )2222(2001122334REFOddddViRu 外接電壓外接電壓VREF輸出的總電流：輸出的總電流：RVIREF 3. 3. 器件特點器件特點只使用兩種阻值的電阻，易于集成，且轉換精度提高很多。只使用兩種阻值的電阻，易于集成，且轉換精度提高很多。 倒倒 T 型電阻網絡型電阻網絡DAC的轉換精度和轉換速度，都優于權電的轉換精度和轉換速度，都優于權電阻網絡阻網絡DAC，許多型號的集成許多型號的集成DAC芯片都采用此結構。芯片都采用此結構。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路三三. . 其他類型其他類型DAC1. 1. 權電

7、流型權電流型DAC2. 2. 權電容型權電容型DAC3. 3. 雙極性輸出型雙極性輸出型DAC 電路結構與權電阻網絡電路結構與權電阻網絡DAC類似，類似，內部使用多個恒流源內部使用多個恒流源，其大小依次為前一個的一半，從而構成其大小依次為前一個的一半，從而構成“權結構權結構”。 仍采用權電阻網絡仍采用權電阻網絡DAC類似的電路結構，類似的電路結構，但用多個電容替但用多個電容替代了權電阻網絡中的各電阻代了權電阻網絡中的各電阻，且電容大小仍滿足，且電容大小仍滿足“權結構權結構”。 實際工作中常常需要將帶符號（可正、可負）的數字信號實際工作中常常需要將帶符號（可正、可負）的數字信號轉換為對應的模擬信

8、號，此時就需要使用雙極性輸出型轉換為對應的模擬信號，此時就需要使用雙極性輸出型DAC。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路12.2.2 12.2.2 D/A 轉換器的性能指標轉換器的性能指標一一. . 轉換精度轉換精度表征表征DAC的理論轉換精度。的理論轉換精度。分辨率分辨率轉換誤差轉換誤差表示器件實際輸出模擬量和理論輸出量之間的偏差。表示器件實際輸出模擬量和理論輸出量之間的偏差。1. 1. 分辨率分辨率DAC輸入的最小有效數字輸入的最小有效數字“0001”和最大有效數字和最大有效數字“1111”分別對應分別對應的輸出模擬量的比值，即的輸出模擬量的比值，即MSB和

9、和FSR對應的輸出模擬量的比值對應的輸出模擬量的比值。121)12(212REFREFFSRMSB nnnnVVVV121FSRMSB n分分辨辨率率n 位位DAC器件，常常直接把器件，常常直接把“2n”或者或者“n位位”稱為分辨率。稱為分辨率。例如：例如：8位位DAC的分辨率就是的分辨率就是 255，或者，或者8位。位。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路一一. . 轉換精度轉換精度2. 2. 轉換誤差轉換誤差 轉換誤差是一個轉換誤差是一個綜合性的靜態指標綜合性的靜態指標，它通常包括，它通常包括比例系數誤差比例系數誤差、非線性誤差非線性誤差、漂移誤差漂移誤差等多

10、個成分，等多個成分，這些誤差的這些誤差的絕對值之和絕對值之和，就是，就是DAC的轉換誤差大小。的轉換誤差大小。 由于由于DAC電路內各環節不可避免地存在與理論性電路內各環節不可避免地存在與理論性能不一致的差異，因此能不一致的差異，因此實際的輸出模擬量實際的輸出模擬量和和理論輸出理論輸出量量之間存在一定誤差，之間存在一定誤差，這種誤差的最大差值這種誤差的最大差值稱為稱為DAC的轉換誤差。的轉換誤差。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路二二. . 轉換速度（建立時間）轉換速度（建立時間） DAC的的轉換速度轉換速度通常用通常用建立時間建立時間來描述，指從數字信號來描述

11、，指從數字信號輸入輸入DAC開始，到輸出端對應得到穩定的模擬信號為止，整開始，到輸出端對應得到穩定的模擬信號為止，整個轉換過程所需要的時間。個轉換過程所需要的時間。建立時間建立時間 tset 的定量：的定量： 從輸入數字量發從輸入數字量發生突變開始，到輸出生突變開始，到輸出模擬量進入與穩態值模擬量進入與穩態值相差相差(1/2)LSB 范圍范圍以內的這段時間。以內的這段時間。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路現在常用的集成現在常用的集成DAC器件從內部組成上區分，有兩大類：器件從內部組成上區分，有兩大類： 內部只包含電阻網絡（或恒流源網絡、電容網絡等）內部只包含電

12、阻網絡（或恒流源網絡、電容網絡等） 和電子開關。和電子開關。 另一類內部還集成了運算放大器和參考電壓源發生器。另一類內部還集成了運算放大器和參考電壓源發生器。 使用時需要使用時需要外接運算放大器和參考電壓源外接運算放大器和參考電壓源，其，其轉換轉換速度相對較慢速度相對較慢，建立時間比第二類大一些。同時，要選，建立時間比第二類大一些。同時，要選用高穩定度的參考電壓源和低漂移高精度的運算放大器，用高穩定度的參考電壓源和低漂移高精度的運算放大器，以降低轉換誤差。以降低轉換誤差。使用更方便，轉換速度也更快。使用更方便，轉換速度也更快。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路

13、A / D轉換器轉換器（模數轉換器）（模數轉換器） （ADC）模擬信號模擬信號數字信號數字信號 直接直接ADC 間接間接ADC 通過一套基準電壓與取樣保持信號相比較，從而直接轉換為通過一套基準電壓與取樣保持信號相比較，從而直接轉換為數字量。一般而言，數字量。一般而言，轉換速度較快轉換速度較快，轉換精度與基準電壓設定精轉換精度與基準電壓設定精度有很大關系度有很大關系。常見的有。常見的有并聯比較型并聯比較型ADC、逐次逼近型逐次逼近型ADC 等。等。 將輸入的模擬信號首先轉換為與其成正比的時間或頻率，然將輸入的模擬信號首先轉換為與其成正比的時間或頻率，然后再以某種方式將中間量轉換為數字量，也常稱為

14、后再以某種方式將中間量轉換為數字量，也常稱為計數式計數式ADC。可實現可實現很高的轉換精度很高的轉換精度，但，但轉換速度往往不如直接轉換速度往往不如直接ADC。常見。常見的有的有雙積分型雙積分型ADC（V-T 變換型）變換型）、V-f 變換型變換型ADC等。等。12.3.1 12.3.1 D/A 轉換原理轉換原理12.3 12.3 A/D 轉換器轉換器第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路一一. . A / D 轉換原理轉換原理取樣取樣保持保持量化量化編碼編碼量化編碼量化編碼 電路電路uI(t)模擬信號模擬信號u I(t)數字信號數字信號dn-1d1d0取樣保持取樣

15、保持 電路電路第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路1. 1. 取樣和保持取樣和保持取樣保持取樣保持 電路電路tuStuItu I1取樣取樣保持保持第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路tu I取樣定理取樣定理fS 2 fImax 在取樣間隔內在取樣間隔內完成對應的量化和完成對應的量化和編碼，輸出對應的編碼，輸出對應的數字信號。數字信號。ImaxS)53(ff 第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路取樣取樣- -保持電路保持電路 取樣過程取樣過程取樣脈沖取樣脈沖 S(t) = 1期間：期間：CuIuOuCVTA

16、S(t) VT導通，輸入模擬信號導通，輸入模擬信號uI (t)經經VT向電容向電容C充電。充電。 電容的電容的充電時間常數遠小于取樣脈沖脈寬充電時間常數遠小于取樣脈沖脈寬，則電容電壓，則電容電壓uC (t)在取樣期間完全可以跟上輸入信號在取樣期間完全可以跟上輸入信號uI (t)的變化，的變化，uO (t) = uI (t) 。 保持過程保持過程取樣脈沖取樣脈沖 S(t) = 0期間：期間： VT截止，則電容電壓截止，則電容電壓uC (t)將保持為前一個瞬間將保持為前一個瞬間uI (t)的數值，的數值，相應的輸出信號也保持為該數值不變，直到下一次取樣時刻的相應的輸出信號也保持為該數值不變，直到下

17、一次取樣時刻的到來。到來。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路2. 2. 量化和編碼量化和編碼 tu I量化單位量化單位 輸出輸出 n 位數字信號位數字信號“0001”0001”對應的輸入模對應的輸入模擬電壓，是量化的最小數量單位。擬電壓，是量化的最小數量單位。0 V1/8 V3/8 V5/8 V6/8 V7/8 V 1 V4/8 V2/8 V輸入輸入0 01V1V輸出輸出3 3位代碼位代碼000001010011100101110111V 81 1 2 3 4 5 6 7 0001010011100101110111000第第1212章章 模模/ /數與數數與數

18、/ /模轉換電路模轉換電路0000101001011101110110010000101001011101110110011/15 V5/15 V9/15 V11/15 V13/15 V7/15 V3/15 V0 V1/8 V3/8 V5/8 V6/8 V7/8 V 1 V4/8 V2/8 V模擬模擬信號信號二進制二進制 代碼代碼0 = 0 V1 =1/8 V2 =2/8 V3 =3/8 V4 =4/8 V5 =5/8 V6 =6/8 V7 =7/8 V 代表的代表的模擬電壓模擬電壓二進制二進制 代碼代碼0 V 1 V模擬模擬信號信號V 81 V 811 V 152 V 15121 舍去法舍去

19、法0 =0 V1 =2/15 V2 =4/15 V3 =6/15 V4 =8/15 V5 =10/15 V6 =12/15 V7 =14/15 V 代表的代表的模擬電壓模擬電壓四舍五入法四舍五入法量化方式與量化誤差量化方式與量化誤差第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路取樣取樣保持保持量化量化編碼編碼時間上離散時間上離散幅值上離散幅值上離散幅值歸并幅值歸并代碼賦值代碼賦值取樣定理取樣定理量化編碼的量化編碼的 工作區間工作區間量化方式量化方式量化誤差量化誤差最終數字化最終數字化 對工作過程的理解對工作過程的理解總總 結結第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模

20、轉換電路模轉換電路二二. . 并聯比較型并聯比較型ADC1. 1. 電路結構電路結構2. 2. 工作原理工作原理REFIREF153151VuV 100000000010101100第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路uI Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1d2 d1 d0O O O O O O OO O O O O O OO O O O O O 1O O O O O O 1O O O O O 1 1O O O O O 1 1O O O O 1 1 1O O O O 1 1 1O O O 1 1 1 1O O O 1 1 1 1O O 1 1 1 1 1O

21、O 1 1 1 1 1O 1 1 1 1 1 1O 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1O O OO O OO O 1O O 1O 1 OO 1 OO 1 1O 1 11 O O1 O O1 O 11 O 11 1 O1 1 O1 1 11 1 1REF )157155(VREF )1510(VREF )153151(VREF )155153(VREF )11513(VREF )159157(VREF )1511159(VREF )15131511(V代碼轉換表代碼轉換表第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路3. 3. 器件特點

22、器件特點 并聯比較型并聯比較型ADC的的最顯著優點是轉換速度快最顯著優點是轉換速度快，轉換時，轉換時間間納秒（納秒（ns）級）級，并且，如果增加輸出代碼位數，對轉換，并且，如果增加輸出代碼位數，對轉換時間的影響很小。時間的影響很小。 轉換精度主要取決于量化電平的劃分轉換精度主要取決于量化電平的劃分，分得越細（即，分得越細（即越小），精度越高。此外，轉換精度還受分壓電阻和外越小），精度越高。此外，轉換精度還受分壓電阻和外接參考電平的精度、電壓比較器的靈敏度的影響。接參考電平的精度、電壓比較器的靈敏度的影響。 并聯比較型并聯比較型ADC的的主要缺點是使用的比較器和觸發器主要缺點是使用的比較器和觸發

23、器太多太多，并且，隨著輸出代碼位數的增加，數量還會急劇增，并且，隨著輸出代碼位數的增加，數量還會急劇增加。加。 綜上所述，綜上所述，并聯比較型并聯比較型ADC適用于要求轉換速度很高，適用于要求轉換速度很高，但轉換精度不太高的場合但轉換精度不太高的場合。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路三三. . 逐次逼近型逐次逼近型ADC1. 1. 電路結構電路結構uOCDAC逐次漸進逐次漸進 寄存器寄存器輸入模擬輸入模擬信號信號uI轉換控制轉換控制信號信號uLCLK(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)并并行行數數字字輸輸出出 開始轉換前，開始轉換前， 先將寄存器。先將寄存

24、器。 uL 有效時，開始有效時，開始轉換，寄存器的最轉換，寄存器的最高位置高位置1，輸出為，輸出為100，并被，并被DAC轉轉換為對應的模擬電換為對應的模擬電壓壓uO，送入電壓比，送入電壓比較器較器C，與，與uI 比較。比較。 如果如果uO uI ：則去掉對應的：則去掉對應的1； 如果如果uO uI ：則保留對應的：則保留對應的1。 然后以相同的方法將寄存器輸出狀態的次高位置然后以相同的方法將寄存器輸出狀態的次高位置1，并繼續，并繼續 比較比較,確定是否該保留這個確定是否該保留這個1。 按上述方法逐位比較，直到最低位比較完為止。按上述方法逐位比較，直到最低位比較完為止。第第1212章章 模模/

25、 /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路 用天平秤重過程比喻說明。四個砝碼重量用天平秤重過程比喻說明。四個砝碼重量分別為分別為8、4、2、1克。設待秤重量克。設待秤重量Wx = 5克，克，可以用下表步驟秤量：可以用下表步驟秤量： 4 g4 g + 2 g 4 g + 1 g8 g8g 5g ，4g 5g，5g 5g，0 g4 g4 g5 g撤去撤去保留保留撤去撤去保留保留234 1暫時結果暫時結果砝砝 碼碼 重重比比 較較 判判 斷斷順順 序序n 位位計滿只需計滿只需 n 個個CLK2. 2. 工作原理工作原理第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路3位：位：5個個

26、CLKn位位: (n+2)個個CLKVR第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路轉換開始前轉換開始前各觸發器狀態各觸發器狀態放哪一放哪一個砝碼個砝碼砝碼是砝碼是否保留否保留試探電壓試探電壓待轉換待轉換模擬電壓模擬電壓VR10010101000第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路VR -8V100101010005. 5V第第1個個CLK 來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態?000第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路VR -8V5. 5V01100?01000?0004V000第第1個個CLK 來到后來到后各

27、觸發器狀態各觸發器狀態第第2個個CLK 來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態?000第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路VR -8V5. 5V0101100 0010?6V1100第第2個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態第第3個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態?000第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路VR -8V5. 5V0011010005V？0000？00第第3個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態第第4個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態?000第第1212章章 模模/ /數與數數與數

28、/ /模轉換電路模轉換電路VR -8V5. 5V第第4個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態5V01000001100000011第第5個個CLK來到后來到后各觸發器狀態？各觸發器狀態？0第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路VR -8V100101010005. 5V第第5個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態000第第6個個CLK來到后來到后各觸發器狀態各觸發器狀態?3位轉換只需位轉換只需5個個CLK時間時間n 位轉換只需位轉換只需n +2個個CLK時間時間011第二次轉換第二次轉換5V0第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模

29、轉換電路3. 3. 器件特點器件特點 n 位逐次逼近型位逐次逼近型ADC，完成一次轉換需要，完成一次轉換需要n +2個時鐘個時鐘信號周期信號周期的時間，轉換速度要慢一些，屬于的時間，轉換速度要慢一些，屬于中速中速ADC。而。而并聯比較型并聯比較型ADC一般都是高速一般都是高速ADC。 當輸出數字量位數較高時，逐次逼近型當輸出數字量位數較高時，逐次逼近型ADC的電路規的電路規模比并聯比較型模比并聯比較型ADC小很多，小很多，更適于集成更適于集成，可以，可以用于實現用于實現高分辨率高分辨率ADC，而，而轉換誤差也易于控制轉換誤差也易于控制。逐次逼近型逐次逼近型ADC是目前集成是目前集成ADC產品中

30、應用最廣泛產品中應用最廣泛的形式。的形式。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路四四. . 雙積分型雙積分型ADC1. 1. 電路結構電路結構1. 1. 工作原理工作原理第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路3. 3. 器件特點器件特點 雙積分型雙積分型ADC的的最顯著優點是工作性能穩定，轉換精最顯著優點是工作性能穩定，轉換精度高度高。轉換結果與。轉換結果與R、C 的具體數值無關，而且其數值誤差的具體數值無關，而且其數值誤差也不會影響轉換精度。也也不會影響轉換精度。也不要求使用高穩定度的時鐘信號不要求使用高穩定度的時鐘信號源源，只要求時鐘

31、信號源在一個轉換周期內（即兩次積分過，只要求時鐘信號源在一個轉換周期內（即兩次積分過程中），保持穩定即可。程中），保持穩定即可。 雙積分型雙積分型ADC的的另一個優點是抗干擾能力強另一個優點是抗干擾能力強，對交流，對交流噪聲有很強的抑制能力，電路結構也相對簡單。噪聲有很強的抑制能力，電路結構也相對簡單。 綜上所述，綜上所述，雙積分型雙積分型ADC主要適用于要求轉換精度很主要適用于要求轉換精度很高，但轉換速度要求不高的場合高，但轉換速度要求不高的場合。 雙積分型雙積分型ADC的的主要缺點是工作速度低主要缺點是工作速度低，目前常見的，目前常見的單片產品的轉換速度一般都在每秒幾十次以內。單片產品的轉

32、換速度一般都在每秒幾十次以內。第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路12.3.2 12.3.2 A/D 轉換器的性能指標轉換器的性能指標一一. . 轉換精度轉換精度1. 1. 分辨率分辨率 ADC的分辨率以的分辨率以輸出二進制數或十進制數的位數輸出二進制數或十進制數的位數表示，表示，用來說明用來說明ADC對輸入模擬信號的分辨能力，是對輸入模擬信號的分辨能力，是ADC在理論上在理論上能達到的轉換精度。能達到的轉換精度。3位半十進制位半十進制 例如：輸出信號為例如：輸出信號為 n 位二進制數字量的位二進制數字量的ADC，能分辨的，能分辨的輸入電壓的最小差異為輸入電壓的最小差異為 (1/2n)FSR（最大量程的最大量程的1/2n）。）。4位半十進制位半十進制輸出十進制數可以從輸出十進制數可以從0到到1999輸出十進制數可以從輸出十進制數可以從0到到19999第第1212章章 模模/ /數與數數與數/ /模轉換電路模轉換電路一一. . 轉換精度轉換精度2. 2. 轉換誤差轉換誤差具體表示時：具體表示時： ADC的轉換誤差一般的轉換誤差一般以最低有效位以最低有效位LSB的倍數給出。的倍數給出。 A