1、9.1 D/A9.1 D/A轉換電路轉換電路9.2 A/D9.2 A/D轉換電路轉換電路9.3 9.3 集成集成D/A與與A/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用第第9 9章章 數數/ /模和模模和模/ /數轉換電路數轉換電路 D/AD/A轉換電路按不同的分類方法劃分有多轉換電路按不同的分類方法劃分有多種類型。按轉換網絡結構區分，有權電阻網種類型。按轉換網絡結構區分，有權電阻網絡、倒絡、倒T T電阻網絡、權電流網絡等電阻網絡、權電流網絡等D/AD/A轉換電轉換電路。按半導體器件區分，有單極型路。按半導體器件區分，有單極型CMOSCMOS和雙和雙極型極型TTL D/ATTL D/A轉換電路。轉換電

2、路。TTL D/ATTL D/A轉換電路的轉換電路的轉換速度高于單極型轉換速度高于單極型CMOS D/ACMOS D/A轉換電路，在轉換電路，在轉換速度要求較高的場合下，可選用雙極型轉換速度要求較高的場合下，可選用雙極型TTL D/ATTL D/A轉換電路。轉換電路。 9.1 D/A 9.1 D/A轉換電路轉換電路圖圖9.1.4 9.1.4 權電阻網絡權電阻網絡D/AD/A轉換電路轉換電路 9.1 D/A 9.1 D/A轉換電路轉換電路9.1.1 權電阻網絡圖圖9.1.5 9.1.5 倒倒T T電阻網絡電阻網絡D/AD/A轉換電路轉換電路 9.1 D/A 9.1 D/A轉換電路轉換電路9.1.

3、2 倒T電阻網絡 倒倒T T電阻網絡電阻網絡D/AD/A轉換電路中的模擬開轉換電路中的模擬開關存在著導通電阻和導通壓降，它們會引關存在著導通電阻和導通壓降，它們會引起流過各支路的電流變化，產生轉換電流起流過各支路的電流變化，產生轉換電流誤差問題。為了改進倒誤差問題。為了改進倒T T電阻網絡電阻網絡D/AD/A轉換轉換電路的精度，可以采用恒流源代替各支路電路的精度，可以采用恒流源代替各支路電阻產生電流的權電流電阻產生電流的權電流D/AD/A轉換電路。轉換電路。 9.1 D/A 9.1 D/A轉換電路轉換電路9.1.3 權電流D/A轉換電路1 1）分辨率）分辨率2 2）滿量程）滿量程3 3）失調誤

4、差）失調誤差5 5）溫度系數）溫度系數4 4）非線性誤差）非線性誤差 9.1 D/A 9.1 D/A轉換電路轉換電路9.1.4 D/A轉換電路的主要技術指標1.1.轉換精度轉換精度1 1）建立時間）建立時間2 2）轉換速率）轉換速率ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 9.1 D/A 9.1 D/A轉換電路轉換電路2.2.轉換速度轉換速度 A/DA/D轉換是轉換是D/AD/A轉換的逆過程，在轉換的逆過程，在A/DA/D轉換轉換電路中，將一個輸入連續的

5、模擬信號變換為輸電路中，將一個輸入連續的模擬信號變換為輸出離散的數字信號。若模擬參考量為出離散的數字信號。若模擬參考量為UERFUERF，則，則輸出數字量輸出數字量D D和輸入模擬量和輸入模擬量A A之間的關系為之間的關系為 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路 在在A/DA/D轉換過程中，轉換過程中，有時需要用到采樣有時需要用到采樣保保持電路，使輸入持電路，使輸入A/DA/D轉轉換電路的信號在一次轉換電路的信號在一次轉換時間內保持不變。換時間內保持不變。 所謂采樣就是將一所謂采樣就是將一個時間上連續變化的模個時間上連續變化的模擬量轉換為時間上離散擬量轉換為時間上離散的模擬量。圖的模

6、擬量。圖9.2.39.2.3表表示出了模擬信號與采樣示出了模擬信號與采樣信號的波形關系。信號的波形關系。圖圖9.2.3 9.2.3 模擬信號采樣過程模擬信號采樣過程 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路9.2.1 采樣-保持電路 假定被轉換的模擬輸入電壓ui在0UREF范圍內變化。量化采用有舍有入方式，利用電阻分壓把標準電壓UREF分成8段（量化階梯），其中6段間隔為1/7 UREF，另外兩段間隔（最初和最末）為1/14 UREF。因此，輸入模擬電壓從0到UREF整個范圍內，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠不會超過UREF/14，如圖9.2.6所示。圖圖9.2.6 9.2.6 數字

7、輸出與模數字輸出與模擬輸入之間的對應關系擬輸入之間的對應關系 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路9.2.2 并行比較A/D轉換電路 例9.2.1在圖9.2.7電路中，已知UREF=12 V，輸入模擬電壓4.9 V，確定3位并行比較A/D電路的輸出數字量。 解：當輸入模擬電壓4.9 V時，從圖9.2.7電路中的比較器輸入電壓是在5UREF/14到7UREF/14之間，可得出輸出C1C2C3C4C5C6C7=1110000。對照表9.2.1或分析電路圖9.2.7，得到輸出的數字量為011。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路圖圖9.2.8 39.2.8 3位逐次比較位逐次比

8、較A/DA/D轉換電路圖轉換電路圖 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路9.2.3 逐次比較A/D轉換電路1.1.補償電壓電路補償電壓電路 逐次比較逐次比較A/DA/D轉換電路轉換電路不像并行比較不像并行比較A/DA/D轉換電路轉換電路速度快，所以在模擬輸入信速度快，所以在模擬輸入信號轉換到數字信號期間，輸號轉換到數字信號期間，輸入模擬量應該保持不變，輸入模擬量應該保持不變，輸入端需設采樣入端需設采樣保持電路。保持電路。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路2.2.采樣采樣- -保持電路保持電路 逐次比較逐次比較A/DA/D轉換電路中包含轉換電路中包含D/AD/A轉轉換電路

9、，其精度主要取決于換電路，其精度主要取決于D/AD/A轉換電轉換電路的精度。模擬信號轉換到數字信號的路的精度。模擬信號轉換到數字信號的過程中，移位寄存器在時鐘的作用下，過程中，移位寄存器在時鐘的作用下，RSRS觸發器不斷地翻轉，觸發器不斷地翻轉，D/AD/A轉換電路的轉換電路的電子開關不斷接通與斷開，所有這些都電子開關不斷接通與斷開，所有這些都將產生時間延遲。將產生時間延遲。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路3.D/A3.D/A轉換電路轉換電路 首先為首先為3 3位位D/AD/A轉換電路輸入轉換電路輸入3 3位數位數字量，依次從高到低為字量，依次從高到低為100100，由，由D/

10、AD/A轉轉換電路轉換為模擬電壓換電路轉換為模擬電壓u uo o，與，與uiui進行進行比較，若比較，若u uo o較小，則再在次高位二進較小，則再在次高位二進制碼上置制碼上置1 1，即給，即給D/AD/A轉換電路置為轉換電路置為110110。若若u uo o較大，則去掉較大，則去掉100100，換上，換上010010。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路4.4.比較器比較器 由由5 5個個D D觸發器觸發器FAFAFEFE連成模數為連成模數為5 5的環形計數器和門電路組成。將環形的環形計數器和門電路組成。將環形計數器中計數器中FAFA先置先置“1”“1”，在時鐘，在時鐘CPCP的

11、的控制下，控制下，“1”“1”按按FAFBFCFDFEFAFBFCFDFE循環移位，同時循環移位，同時在比較器輸出信號的作用下，控制寄在比較器輸出信號的作用下，控制寄存器輸出二進制數的變化。存器輸出二進制數的變化。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路5.5.控制邏輯電路控制邏輯電路 3 3個邊沿個邊沿RSRS觸發器用觸發器用來暫存變化的二進制數字。來暫存變化的二進制數字。1 1號觸發器寄存二進制數號觸發器寄存二進制數的最低位（的最低位（LSBLSB），），3 3號觸號觸發器寄存二進制數的最高發器寄存二進制數的最高位（位（MSBMSB）。）。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉

12、換電路6.6.逐次比較寄存器逐次比較寄存器 G GA A、G GB B、G GC C與門組成了輸出電與門組成了輸出電路，當路，當Q QE E=1=1時，打開輸出與門時，打開輸出與門 G GA A、G GB B、G GC C，讀出經逐次比較后的二進，讀出經逐次比較后的二進制數碼。制數碼。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路7.7.輸出電路輸出電路 例9.2.2在圖9.2.8中3位A/D轉換電路中,3位D/A轉換電路中參考電壓UREF=7 V，若模擬輸入電壓ui=5.6 V，輸出的3位數字量Q2Q1Q0為多少？ 解：經采樣保持電路將輸入模擬電壓ui=5.6 V轉換ui=5.6 V。開始

13、環形計數器的QA=1，則RS觸發器輸出Q3Q2Q1=100，所以uo=4-0.5=3.5 V。因為uoui，所以CO=0。在第2個時鐘脈沖上升沿到來后，QB=1，RS觸發器輸出Q3=1，Q2=1，此時Q3Q2Q1=110，所以uo=6-0.5=5.5 V。因為uoui，所以CO=0。接著第3個時鐘脈沖上升沿到來后，QC=1，RS觸發器輸出Q3Q2Q1=111，經D/A轉換器后uo=7-0.5=6.5 V，使uoui，CO=1。在第4個時鐘脈沖上升沿到來后，QD=1，RS觸發器Q3Q2Q1變化為110。在第5個時鐘脈沖上升沿到來后，QE=1，打開輸出門GA、GB、GC，將轉換的數字結果讀出，即模

14、擬輸入電壓為5.6 V時,轉換為三位二進制碼110。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路8.8.工作原理工作原理圖圖9.2.10 9.2.10 雙積分雙積分A/DA/D轉換電路轉換電路 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路9.2.4 雙積分A/D轉換電路 雙積分雙積分A/DA/D轉換電路先把電壓轉換成中間轉換電路先把電壓轉換成中間量時間，再將時間轉換為數字量，所以也稱為量時間，再將時間轉換為數字量，所以也稱為V VT T轉換電路。還可以把電壓轉換成其他物理轉換電路。還可以把電壓轉換成其他物理量，如先把電壓轉換成頻率，再將頻率轉換為量，如先把電壓轉換成頻率，再將頻率轉換為數

15、字量，即數字量，即V VF F轉換電路。上述介紹的轉換方轉換電路。上述介紹的轉換方法屬于間接轉換，雙積分法屬于間接轉換，雙積分A/DA/D轉換電路是間接轉換電路是間接轉換方法中應用最為普遍的電路。逐次比較、轉換方法中應用最為普遍的電路。逐次比較、并行比較等并行比較等A/DA/D轉換方法直接將電壓轉換為數轉換方法直接將電壓轉換為數字，屬于直接轉換法。字，屬于直接轉換法。 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路1 1）分辨率）分辨率 2 2）量化誤差）量化誤差 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路9.2.5 A/D轉換電路的主要技術指標1.1.轉換精度轉換精度1 1）轉換）轉換

16、時間時間2 2）轉換）轉換速率速率 9.2 A/D 9.2 A/D轉換電路轉換電路2.2.轉換速度轉換速度 并行數字量輸入集成并行數字量輸入集成DACDAC進行轉進行轉換時，輸出建立時間短。隨著輸入換時，輸出建立時間短。隨著輸入數字量的增多，引腳增多，芯片面數字量的增多，引腳增多，芯片面積較大，與其他器件連接也較為復積較大，與其他器件連接也較為復雜，下面介紹并行數據輸入的集成雜，下面介紹并行數據輸入的集成DAC1210DAC1210。9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用9.3.1 集成D/A轉換電路及其應用（3 3）控制電路。）控制電路。（2 2

17、）D/AD/A寄存器。寄存器。（1 1）輸入寄存器。）輸入寄存器。9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用1.1.并行數字量輸入集成并行數字量輸入集成DAC1210DAC12109.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用2.2.串行數字量輸入集成串行數字量輸入集成MAX515MAX515圖圖9.3.4 9.3.4 串行輸入串行輸入MAX515MAX515功能框圖功能框圖9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用 ADC0809 ADC0809采用采用CMOSCMOS工

18、藝制造，內部結構如圖工藝制造，內部結構如圖9.3.59.3.5所示，所示，ADC0809ADC0809輸輸出是出是8 8位數據，輸入通道配備位數據，輸入通道配備8 8路，可分時選通路，可分時選通8 8路模擬量進行轉換。輸路模擬量進行轉換。輸出設有三態出設有三態TTLTTL鎖存緩沖器，便于和各種微處理機接口。鎖存緩沖器，便于和各種微處理機接口。圖圖9.3.5 A/D9.3.5 A/D轉換電路轉換電路08090809結構框圖結構框圖9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用9.3.2 集成A/D轉換電路及其應用 圖圖9.3.6 9.3.6 例例9.3.29

19、.3.29.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用 解：（1）圖9.3.6中的8位ADC0809兩個參考電壓輸入端UREF(+)與UREF(-)可分別連接到UDD和GND。OE接高電平輸出使能。ADDCADDBADDA=000，則選擇IN0通道的模擬輸入信號進行轉換。若START、ALE和EOC相連，可分析上一次轉換結束后，EOC發出高電平脈沖信號，使寄存器復位，地址選定了通道。EOC(START)在下降沿時，又開始新一輪的A/D轉換，則上一次轉換結束就是下一次轉換的開始。 （2）ADC0809每轉換一次，EOC發出一個高電平時鐘脈沖信號，發給4位84

20、21碼二進制計數器74161的時鐘輸入端。74161的輸出按0000到1111計數，往復循環。 （3）74161的輸出數據控制168 RAM的地址輸入端，而ADC0809的數字量送到168 RAM的數據輸入端。每次ADC0809轉換后的數據在EOC時鐘脈沖的作用下存入168 RAM，不斷記錄，但最多存放16個8位二進制數據。因此圖9.3.6是一個簡易數字采集存儲電路。9.3 9.3 集成集成D/AD/A與與A/DA/D轉換電路及其應用轉換電路及其應用本章小結本章小結A/D轉換電路和D/A轉換電路是電子系統設計過程中的關鍵環節，為現實中的各種物理量（或被轉換成的模擬電壓或電流信號）和數字測量、處理的數字量起著溝通的作用。數字系統的精度和速度主要取決于A/D和D/A轉換電路，因此A/D和D/A轉換電路的轉換速度、轉換精度是主要技術指標。隨著集成電路工藝制造技術的發展，A/D和D/A轉換電路的轉換速度、轉換精度、噪聲、功耗等性能有了很大的進步，目前最快的A/D轉換電路的轉換速度超過350 MHz，最大分辨率已超過24位。常用的集成D/A轉換主要采用權電阻網絡、權電容網絡、用雙極型的權電流和用CMOS倒T電阻網絡等方法。由于倒T電阻網絡電阻取值較少，易于集成，便于提高精度，在集成D/A轉換電路中被普遍采用。雙極型的權電流方法因采用恒流源