1、第第 十一十一 章章數模和模數轉換 教學內容教學內容11.1 概述概述11.2 D/A轉換器轉換器11.3 A/D轉換器轉換器 教學要求教學要求 1、掌握掌握DAC和和ADC的定義及應用；的定義及應用；2、了解了解DAC的組成、倒的組成、倒T型電阻網絡、集型電阻網絡、集成成D/A轉換器、轉換精度及轉換速度轉換器、轉換精度及轉換速度；3、了解、了解ADC組成、逐次逼近型組成、逐次逼近型A/D轉換器、轉換器、積分型積分型A/D轉換器、轉換精度及轉換速度轉換器、轉換精度及轉換速度。 11.1 11.1 概述概述模數轉換（模數轉換（A/D轉換）：轉換）：將模擬信號轉換為數將模擬信號轉換為數字信號。實現

2、字信號。實現A/D轉換的電路稱為轉換的電路稱為A/D轉換器，簡轉換器，簡寫為寫為ADC(Analog-Digital Converter)數模轉換（數模轉換（D/A轉換）：轉換）：將數字信號轉換為模將數字信號轉換為模擬信號。實現擬信號。實現D/A轉換的電路稱為轉換的電路稱為D/A轉換器，簡轉換器，簡寫為寫為DAC(Digital-Analog Converter)例如：對于例如：對于0 5V的直流電壓，計算機用的直流電壓，計算機用8位數字位數字量來描述時：量來描述時： 最小值（最小值（00000000）B = 0對應對應0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 對應對應 5V，

3、 中間值（中間值（01111111）B = 127 對應對應2. 5V 等等 D/A的任務是接收到一個數字量后，給出一個的任務是接收到一個數字量后，給出一個相應的電壓。比如收到（相應的電壓。比如收到（00111111）B ，應給出幅，應給出幅度為度為1.25V 的電壓。的電壓。11.2 11.2 D/A轉換器轉換器將數字信號轉換為模擬信號的電路。將數字信號轉換為模擬信號的電路。電阻網絡電阻網絡模擬電子開關模擬電子開關求和放大求和放大器器參考電壓參考電壓一、權電阻網絡一、權電阻網絡D/A轉換器轉換器集成運放通過集成運放通過RF接入負反饋，有虛短，接入負反饋，有虛短，V-V+=0)(0123III

4、IRiRvFFo33dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)2222(2001122334ddddVvREFo取取RF=R/2)22.22(200112211ddddVvnnnnnREFo n位權電阻網絡位權電阻網絡D/A轉換器，當反饋電阻取為轉換器，當反饋電阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式：時，輸出電壓的計算公式：輸出電壓的變化范圍輸出電壓的變化范圍:REFnnV2120優點：優點：結構簡單，所用的電阻元件數很少。結構簡單，所用的電阻元件數很少。缺點：缺點：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。高的精度。二、倒

5、二、倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器電阻網絡電阻網絡模擬電子開關模擬電子開關求和放大求和放大器器 由于由于V-V+=0,所以開關所以開關S合到哪一邊，都相當合到哪一邊，都相當于接到了于接到了“地地”電位，流過每條電路的電流始終不電位，流過每條電路的電流始終不變。可等效為：變?？傻刃椋?12316842dIdIdIdIi取取RF=R)2222(2001122334ddddVRivREFoRVIREF n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器，當反饋轉換器，當反饋電阻取為電阻取為R時，輸出電壓的計算公式：時，輸出電壓的計算公式：)22.22(200112211ddddV

6、vnnnnnREFo優點：優點：（1）只有）只有R和和2R兩種阻值的電阻，可達到較高的兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關狀態變化時，）各支路電流恒定不變，在開關狀態變化時，不需電流建立時間，所以電路轉換速度高，使用不需電流建立時間，所以電路轉換速度高，使用廣泛。廣泛。CB7520電路原理圖電路原理圖三、權電流型三、權電流型D/A轉換器轉換器恒流源恒流源恒流源模型：恒流源模型：EiBEEEBiRVVVI 只要電路工作時保證只要電路工作時保證VB和和VEE穩定不變，則穩定不變，則三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開關內三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開關

7、內阻的影響。阻的影響。)2222(2)2222(0011223340413223ddddIRdIdIdIdIRRivFFFo 為減少電阻阻值的種類，在實用的權電流型為減少電阻阻值的種類，在實用的權電流型D/A轉換器轉換器中，經常利用倒中，經常利用倒T形電阻網絡的分流作用產生一組所需的恒流形電阻網絡的分流作用產生一組所需的恒流源。源。按比例加大發射結的面積按比例加大發射結的面積DAC0808電路結構框圖電路結構框圖已知已知VREF=10V kRR5 kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022四、具有雙極性輸出的四、具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器接一偏置電流接一偏置電流符號

8、位求反符號位求反五、五、D/A轉換器的主要參數轉換器的主要參數（1 1）分辨率：）分辨率：D/A轉換器理論上可達到的精度。轉換器理論上可達到的精度。 1.D/A轉換器的轉換精度轉換器的轉換精度 分辨率也可用分辨率也可用D/A轉換器能夠分辨出來的最小輸轉換器能夠分辨出來的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位位D/A轉換轉換器的分辨率為：器的分辨率為： 分辨率可以用輸入二進制數碼的位數給出。分辨率可以用輸入二進制數碼的位數給出。（2）轉換誤差：）轉換誤差：D/A轉換器實際上能達到的轉換精度。轉換器實際上能達到的轉換精度。 可以用輸出電壓滿刻度值的百分數表

9、示，也可用可以用輸出電壓滿刻度值的百分數表示，也可用最低位有效值的倍數表示。最低位有效值的倍數表示。 如：轉換誤差為如：轉換誤差為0.5LSB，表示輸出模擬電壓的，表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于當輸入數字量的絕對誤差等于當輸入數字量的LSB1時，其余各位時，其余各位均為均為0時輸出模擬電壓的一半。時輸出模擬電壓的一半。 轉換誤差可分為靜態誤差和動態誤差。產生靜態誤轉換誤差可分為靜態誤差和動態誤差。產生靜態誤差的原因是基準電源不穩定、運放的零點漂移、模擬開差的原因是基準電源不穩定、運放的零點漂移、模擬開關導通時的內阻和壓降及電阻網絡中阻值的偏差等；動關導通時的內阻和壓降及電阻網絡中阻值的偏差等；

10、動態誤差則是在轉換的動態過程中產生的附加誤差。態誤差則是在轉換的動態過程中產生的附加誤差。（1）建立時間）建立時間tset：指指輸入數字量各位由全輸入數字量各位由全0變為全變為全1或由全或由全1變為全變為全0時時,輸出電壓達到某一規定值所需輸出電壓達到某一規定值所需要的時間。要的時間。通常建立時間在通常建立時間在100 ns 幾十幾十 s之間。之間。2.D/A轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度（2）轉換速率）轉換速率SR：指指輸入數字量各位由全輸入數字量各位由全0變為全變為全1或由全或由全1變為全變為全0時，輸出電壓的變化率。時，輸出電壓的變化率。11.3 11.3 AD轉換轉換器器A/DUI輸

11、入模擬電壓輸入模擬電壓D7D0輸出數字量輸出數字量0 5V0000000011111111一、一、A/D轉換的基本原理轉換的基本原理 dn-1d1d0數 字 量 輸 出(n位 )ADC的 數 字化 編 碼 電 路 CPS SCADC采 樣 -保 持 電 路采 樣 展 寬 信 號輸 入 模 擬 電 壓ui(t)us(t)取樣保持取樣保持 取樣是對模擬信取樣是對模擬信號進行周期性地抽取號進行周期性地抽取樣值的過程，就是把樣值的過程，就是把隨時間連續變化的信隨時間連續變化的信號轉換成在時間上斷號轉換成在時間上斷續、在幅度上等于取續、在幅度上等于取樣時間內模擬信號大樣時間內模擬信號大小的一串脈沖。小的

12、一串脈沖。取樣定理：取樣定理：fs2fi(max)輸入模擬信號的最高輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率頻率分量的頻率取樣頻率取樣頻率量化編碼量化編碼 將取樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式將取樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，這一轉化過程稱為歸化到與之相應的離散電平上，這一轉化過程稱為數數值量化值量化，簡稱，簡稱量化量化。 量化后的數值最后還須通過編碼過程用一個代量化后的數值最后還須通過編碼過程用一個代碼表示出來，這一過程稱為碼表示出來，這一過程稱為編碼編碼。 將取樣電壓表示為一個最小單位的整數倍，所將取樣電壓表示為一個最小單位的整數倍，所取的最小數量單位稱為量化

13、單位，用取的最小數量單位稱為量化單位，用 表示。表示。最大量化誤差為最大量化誤差為，即，即18V最大量化誤差為最大量化誤差為1/2，即，即115V取取 81取取 152對雙極性模擬電壓的量化和編碼對雙極性模擬電壓的量化和編碼二進制二進制補碼的補碼的形式編形式編碼碼二、直接二、直接A/D轉換器轉換器 并聯比較型并聯比較型0viVREF/15時，時，7個比較個比較器輸出全為器輸出全為0 0，CP 到來后，到來后，7個觸發器都置個觸發器都置0 0。經。經編碼器編碼后編碼器編碼后輸出的二進制輸出的二進制代碼為代碼為d2d1d0000。時，時，7個比較器個比較器中只有中只有C1輸出輸出為為1，CP到來到

14、來后，只有觸發后，只有觸發器器FF1置置1，其，其余觸發器仍為余觸發器仍為0。經編碼器編碼經編碼器編碼后輸出的二進后輸出的二進制代碼為制代碼為d2d1d0=001。15315REFiREFVuV時，比較器中時，比較器中C1、C2輸出為輸出為1，CP到來后，觸到來后，觸發器發器FF1、FF2置置1，其余觸發，其余觸發器仍為器仍為0。經編。經編碼器編碼后輸碼器編碼后輸出的二進制代出的二進制代碼為碼為d2d1d0=011。155153REFiREFVuV反饋比較型反饋比較型 逐次比較型逐次比較型AD轉換器轉換器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重砝碼

15、共重15克，每個重量分別為克，每個重量分別為8、4、2、1克?？?。設待秤重量設待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留暫時結果暫時結果8 克克12 克克12 克克13 克克 結結 論論VREF2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器 (1) (1) 轉換開始前先將所有寄存器清零。轉換開始前先

16、將所有寄存器清零。Q0Q1Q2d0d1d23位位A/D轉換器轉換器VREF2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器 (2) (2) 轉換啟動后，第一個轉換啟動后，第一個CPCP使寄存器的數據為使寄存器的數據為100100并送入并送入DACDAC，DACDAC的輸出電壓為的輸出電壓為| |VREF/2|與輸入模擬電壓與輸入模擬電壓vI I比較，如比較，如果果vI I|VREF/2 |，則較器輸出為則較器輸出為0，并使，并使Q2保持為保持為1，否則，否則Q2清零；清零；Q0Q1Q2d0d1d23位位A/D轉換器轉換器VREF2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器 (3) (3) 第第2

17、2個個CPCP使寄存器的使寄存器的Q Q1 1Q Q0 0=10=10，如果，如果Q Q2 2存入了存入了1 1，則，則DACDAC的的輸出電壓為輸出電壓為3V3VREFREF/4/4，此時如果，此時如果vI I|3VREF/4|，則則Q1=1，否則，否則Q1=0；如果；如果Q Q2 2為為0 0，則，則DACDAC的輸出電壓為的輸出電壓為|V|VREFREF/4|/4|，此時，此時如果如果vI I |VREF/4|則比較器輸出為則比較器輸出為0，并讓，并讓Q1保持為保持為1，否則，否則Q1清清零；依此類推，逐次比較得到數字量。零；依此類推，逐次比較得到數字量。Q0Q1Q2d0d1d23位位A

18、/D轉換器轉換器VREF2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器 Q0Q1Q2d0d1d23位位A/D轉換器轉換器(4)全部比較完畢后，寄存器中的狀態就是所要求的數字量輸出。全部比較完畢后，寄存器中的狀態就是所要求的數字量輸出。例：若例：若U UREFREF-4V-4V，n n4 4。當采樣保持電路輸出電壓。當采樣保持電路輸出電壓u uI I=2.49V=2.49V時，時，試列表說明逐次逼近型試列表說明逐次逼近型ADCADC電路的電路的A/DA/D轉換過程。轉換過程。解：量化單位為解：量化單位為V2501642|U|nREF. 偏移電壓為偏移電壓為/2/20.125V0.125V轉換的結果為：轉換的結果為：d3d2d1d01010。10001000D / Avi(待轉換的模擬電壓待轉換的模擬電壓)vovc控控制制邏邏輯輯數碼寄存器數碼寄存器移位寄存器移位寄存器時鐘時鐘清清 0、置數、置數清清 0、置數、置數CP、(移位命令移位命令)“1”狀態是否保留狀態是否保留控制端控制端原理框圖原理框圖 三、間接三、間接A/D轉換器轉換器 雙雙積積分分型型又稱為電壓時間變換型（又稱為電壓時間變換型（VT變換型）變換型）首先使積分電容首先使積分電容C完全放電。完全放電。固定時間積分固定時間積分反方向積分反方向積分第一步，第一步，對輸入模擬電對