1、第十一章第十一章 數模和模數轉換數模和模數轉換內容提要內容提要: 本章主要介紹數模轉換（本章主要介紹數模轉換（D/A)和模數轉換和模數轉換（A/D)的基本原理和常見的典型電路。的基本原理和常見的典型電路。 在數模轉換電路中，主要介紹權電阻網絡型數在數模轉換電路中，主要介紹權電阻網絡型數模轉換器、倒梯形電阻網絡型數模轉換器，另外模轉換器、倒梯形電阻網絡型數模轉換器，另外也介紹了權電流型數模轉換器、開關樹型數模轉也介紹了權電流型數模轉換器、開關樹型數模轉換器以及權電容型網絡型數模轉換器。換器以及權電容型網絡型數模轉換器。 在模數轉換電路中，首先介紹模數轉換器一在模數轉換電路中，首先介紹模數轉換器一

2、般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模數轉換器的主要類型。數轉換器的主要類型。 在介紹數模轉換器和模數轉換器電路的基礎在介紹數模轉換器和模數轉換器電路的基礎上，也講述它們的轉換精度和速度等主要參數。上，也講述它們的轉換精度和速度等主要參數。11.1 概述概述 在計算機控制系統中，被控量一般為非電量，如在計算機控制系統中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉化成連溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉化成連續變化的模擬量，再由模續變化的模擬量，再由模/數轉換器轉換成數字量，送數轉換器轉換成數字量，送到計算機中進行處理和計算

3、。處理后要經過數到計算機中進行處理和計算。處理后要經過數/模轉換模轉換器將計算機輸出的數字量轉換成模擬量，加到執行機器將計算機輸出的數字量轉換成模擬量，加到執行機構，以調節被控對象的大小。構，以調節被控對象的大小。一個計算機控制系統的框圖如圖一個計算機控制系統的框圖如圖11.1.1所示。所示。1.用途：用途：11.1 概述概述圖圖11.1.2為一個溫度控制系統：為一個溫度控制系統：傳感器傳感器放大器放大器A/DA/D轉換轉換微型計算機微型計算機控制控制對象對象D/A轉換轉換電加熱爐電加熱爐熱電偶熱電偶執行機構執行機構圖圖11.1.2溫度溫度時間時間2、主要性能指標、主要性能指標 為了保證數據處

4、理結果的準確性，為了保證數據處理結果的準確性，A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器必須有足夠的轉換精度，另外對于過程控轉換器必須有足夠的轉換精度，另外對于過程控制和檢測需求，制和檢測需求， A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器必須有足夠轉換器必須有足夠的轉換速度。故的轉換速度。故轉換精度和轉換速度轉換精度和轉換速度是是A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器的主要性能指標。轉換器的主要性能指標。11.1 概述概述3、概念及分類、概念及分類（1） D/A轉換器：轉換器： 目前常用的目前常用的D/A轉換器有權電阻網絡轉換器有權電阻網絡D/A轉換器、倒轉換器、倒梯形電阻網絡梯形電阻網絡D/A轉換器、權電流型轉

5、換器、權電流型D/A轉換器、權電轉換器、權電容型容型D/A轉換器以及開關樹型轉換器以及開關樹型D/A轉換器等幾種類型。轉換器等幾種類型。 將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為數將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為數/模轉換模轉換（Digital to Analog），實現的電路稱為），實現的電路稱為D/A轉換器，轉換器，簡寫成簡寫成DAC（DigitalAnalog Converter）。）。2.A/D轉換器：轉換器： A/D轉換器的類型可分成直接轉換器的類型可分成直接A/D轉換器和間接轉換器和間接A/D轉換器。在直接轉換器。在直接A/D轉換器中，輸入的模擬電壓信號直轉換器中，輸入的模擬電壓信號直

6、接被轉換成相應的數字信號；而在間接接被轉換成相應的數字信號；而在間接A/D轉換器中，轉換器中，輸入的模擬信號首先被轉換成某種中間變量（如時間、輸入的模擬信號首先被轉換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將這個中間量轉換成輸出的數字量。頻率等），然后再將這個中間量轉換成輸出的數字量。11.1 概述概述 將模擬信號轉換成數字信號的過程稱為模將模擬信號轉換成數字信號的過程稱為模/數轉換數轉換（Analog to Digital），實現的電路稱為），實現的電路稱為A/D轉換器，轉換器，簡寫為簡寫為ADC（AnalogDigital Converter）。）。注：根據數字量的輸入輸出方式可以將注：根

7、據數字量的輸入輸出方式可以將D/A轉換器分成轉換器分成并行輸入和串行輸入兩種類型，將并行輸入和串行輸入兩種類型，將A/D轉換器分成并行轉換器分成并行輸出和串行輸出兩種類型。輸出和串行輸出兩種類型。由于由于D/A轉換器電路的工作轉換器電路的工作原理較原理較A/D轉換器簡單，且是轉換器簡單，且是A/D轉換器電路的組成部轉換器電路的組成部分，故先介紹分，故先介紹D/A轉換器。轉換器。DACADC權電阻網絡T形、倒倒T形電阻網絡形電阻網絡權電流型其它直接間接并聯比較型反饋比較型記數型逐次漸近型逐次漸近型V-T變換型V-F變換型單積分雙積分雙積分四積分11.2 D/A轉換器轉換器 數字量是用代碼按位數組

8、合起來表示的，對于有數字量是用代碼按位數組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權的大小轉換成相模擬量，必須將每一位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得與數字量成正比的總應的模擬量，然后相加，即可得與數字量成正比的總模擬量，從而實現數字模擬的轉換。模擬量，從而實現數字模擬的轉換。D111101D/AA(電壓 或 電流) ？D/A轉換器的目的為：轉換器的目的為：圖圖11.2.1為為n 位位D/A轉換器的原理框圖轉換器的原理框圖11.2 D/A轉換器轉換器 D/A轉換器是由數碼

9、寄存器、模擬電子開關電路、轉換器是由數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼電路、求和電路及基準電壓及部分組成。解碼電路、求和電路及基準電壓及部分組成。 數字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數碼寄數字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數碼寄存器中，寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電存器中，寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電子開關將電阻解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求子開關將電阻解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求和電路中，求和電路將各位權值相加就得到與數字量和電路中，求和電路將各位權值相加就得到與數字量相應的模擬量。相應的模擬量。*按解碼網絡結構不同把按解碼網絡結構不同把D/A分為：分為：如權

10、電阻網絡型、倒梯形電阻網絡型、權電流型、權如權電阻網絡型、倒梯形電阻網絡型、權電流型、權電容型以及開關樹型。電容型以及開關樹型。*按模擬開關電路的不同把按模擬開關電路的不同把D/A分為：分為：CMOS開關型和雙極型開關型，其中雙極型開關開關型和雙極型開關型，其中雙極型開關D/A轉換器又分為電流開關型和轉換器又分為電流開關型和ECL電流開關型。其中電流開關型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。雙極型的轉換速度快。型功耗低，但速度慢。雙極型的轉換速度快。11.2 D/A轉換器轉換器按解碼網絡按解碼網絡結構分類結構分類 T型電阻網絡型電阻網絡DAC倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC權電流權電流DAC 權

11、電阻網絡權電阻網絡DAC 按模擬電子開按模擬電子開關電路分類關電路分類 CMOS開關型開關型DAC雙極型開關型雙極型開關型DAC 電流開關型電流開關型DAC ECL電流開關型電流開關型DAC 11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器一個多位二進制數可表示為一個多位二進制數可表示為0011221101212222ddddddddDnnnnnnn其中：其中：2n-1、2n221、20稱為最高位（稱為最高位（Most Significant Bit，簡稱，簡稱MSB）到最低位（）到最低位（Least Significant Bit，簡稱，簡稱LSB）的權。）的權。圖圖11.2.2圖圖11

12、.2.2是是4位權電阻網絡位權電阻網絡D/A轉換器的原理圖，它轉換器的原理圖，它是由權電阻網絡、是由權電阻網絡、4個電子模擬開關和個電子模擬開關和1個求和放大器個求和放大器組成。組成。權電阻網絡模擬開關求和放大器11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器1.組成：組成：11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器（1）S3S0:為電子開為電子開關，其狀態受輸入數關，其狀態受輸入數碼碼d3d0的取值控制。的取值控制。當當di1時開關接到參時開關接到參考電壓考電壓VREF上，有支上，有支路電流路電流Ii流向求和放流向求和放大器；當大器；當di0時開關時開關接地，支路電流接地，支路

13、電流Ii為為零。零。RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222權電流：（2）求和放大器）求和放大器A：為一個接成負反饋為一個接成負反饋的理想運算放大器。的理想運算放大器。即：即：AV，iI0，Ro0。由于負反饋，。由于負反饋，存在虛短和虛斷，存在虛短和虛斷，即即VV0， iI0。（3）VREF：基準電壓：基準電壓11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器11URRvfo2.輸出電壓的計算：輸出電壓的計算：)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0，故各電流為故各電流為001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREF

14、REFREFREF，輸出電壓為輸出電壓為11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器取取RFR / 2，則輸出，則輸出電壓為電壓為)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器2RRF上式標明，輸出的模擬電壓與輸入的數字量上式標明，輸出的模擬電壓與輸入的數字量Dn成正比。成正比。的最大變化范圍是故輸出電壓時，當時，當REFnnREFnnVVvv2120,2121111D; 00000D0n0n 注：注：1.若若VREF取正值，

15、則輸出電壓為負值。若想輸出取正值，則輸出電壓為負值。若想輸出電壓為正值，可以將電壓為正值，可以將VREF取負值。取負值。11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器)2222(2001122334ddddVvREFo2. 此電路的優點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。此電路的優點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數字量的位數缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數字量的位數越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。為了克服這個缺點，在輸入數字量較多時可采用圖為了克服這個缺點，在輸入數字量較多時可采用圖11.2.3所

16、示的電路。所示的電路。11.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器其輸出電壓為其輸出電壓為nREFREFDVddddddddVv80011223344556677802)22222222(211.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器 為了克服權電阻網絡為了克服權電阻網絡D/A轉換器電阻阻值相差太轉換器電阻阻值相差太大的缺點，改進電路為倒大的缺點，改進電路為倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器，如轉換器，如圖圖11.2.4所示。所示。圖圖11.2.411.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器根據根據“虛短虛短”“”“虛虛地地”，有，有VV，無論開關打在哪一

17、無論開關打在哪一面，流過每個支路面，流過每個支路的電流始終不變。的電流始終不變。故可等效成圖故可等效成圖11.2.5所示電路。所示電路。RRRR圖圖11.2.5總的電流為總的電流為RRRR圖圖11.2.511.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端時，流入時，RVIREF由于由于故輸出電壓為故輸出電壓為DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdi11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器RVIREF

18、對于對于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，在求轉換器，在求和放大器的反饋電阻為和放大器的反饋電阻為R時，其輸出的模擬電壓為時，其輸出的模擬電壓為nnREFnnnnnREFoDVddddVv2)2222(200112211 上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數字量成正比，其上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數字量成正比，其其輸出公式與權電阻網絡其輸出公式與權電阻網絡D/A轉換器相同。轉換器相同。11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器REFnnOnnVVD2120120,范圍為為“正”取“負”則得OREFVV圖圖11.2.6為采用倒為采用倒T型電阻網絡的單片集成

19、型電阻網絡的單片集成D/A轉換器轉換器CB7520(AD7520)的電路。的電路。11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器圖圖11.2.6其輸入為其輸入為10位二進制數，采用位二進制數，采用CMOS電路構成的模擬電路構成的模擬開關。開關。輸出電壓為輸出電壓為11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器圖圖11.2.61000118899102)2222(2DVddddVvnREFREFo 注：在使用注：在使用CB7520時需要外接運算放大器，反饋電阻時需要外接運算放大器，反饋電阻可以采用內部的電阻可以采用內部的電阻R，也可以外接反饋電阻接到，也可以外接反饋電阻接

20、到Iout1和和vo之間。外接參考電壓之間。外接參考電壓VREF必須有足夠的精度，才能必須有足夠的精度，才能確保應有的轉換精度。確保應有的轉換精度。圖圖11.2.611.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器CB7520(AD7520)的應用：的應用：CB7520(AD7520)可用作單可用作單極性電壓輸出，其連接電路如圖極性電壓輸出，其連接電路如圖11.2.7所示。所示。11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器反相輸入的電壓反相輸入的電壓輸出為輸出為1010102DVRRRvREFW11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器同相輸入的電壓輸同相

21、輸入的電壓輸出為：出為：10101102)1 (DVRRvREFW11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器對應的輸出輸入的關系如表對應的輸出輸入的關系如表11-1所示（反相）所示（反相）11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器注：注：在圖在圖11.2.7電路中，電路中，RW1可調節反饋電阻的阻值，可調節反饋電阻的阻值，使得運算放大器的放大比例系數增加，從而達到提高滿使得運算放大器的放大比例系數增加，從而達到提高滿量程輸出電壓的目的；量程輸出電壓的目的；11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器*RW2起到減小滿量程的目的，因為它是和內部電阻網

22、起到減小滿量程的目的，因為它是和內部電阻網絡的等效電阻串聯，從而改變電流絡的等效電阻串聯，從而改變電流I；11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器*RW3是運算放大器的調零電阻。是運算放大器的調零電阻。11.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器*在實際應用中，在實際應用中，D/A轉換器輸轉換器輸入的數字量可能是正數，也可入的數字量可能是正數，也可能是負數，這就要求能是負數，這就要求D/A轉換轉換器能將不同極性的數字量轉換器能將不同極性的數字量轉換成正、負極性的模擬電壓，工成正、負極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個內容在作在雙極性方式，這個內容在下面介紹下面

23、介紹11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器 在前面介紹的權電阻網絡在前面介紹的權電阻網絡D/A轉換器和倒轉換器和倒T形電阻形電阻網絡網絡D/A轉換器中，都沒有考慮開關的導通電阻和導通轉換器中，都沒有考慮開關的導通電阻和導通壓降，而是當成理想開關處理，這無疑會引起轉換誤壓降，而是當成理想開關處理，這無疑會引起轉換誤差，影響轉換精度。差，影響轉換精度。 解決這個問題采用的一種方法是利用一組恒流源解決這個問題采用的一種方法是利用一組恒流源構成構成“權權”，其原理電路如圖，其原理電路如圖11.2.8所示。所示。由于采用恒流源，由于采用恒流源，每個支路電流的大小每個支路電流的大小不再受開關內阻

24、合壓降不再受開關內阻合壓降的影響，故而降低了的影響，故而降低了對開關電路的要求。對開關電路的要求。圖圖11.2.9是常采用的恒流是常采用的恒流源電路。其電流為：源電路。其電流為：11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器EiEEBEBiRVVVI當輸入的數字量當輸入的數字量為為1時，相應的開時，相應的開關將恒流源接到關將恒流源接到運算放大器的輸運算放大器的輸入端；當輸入的入端；當輸入的數字量為數字量為0時，相時，相應的開關將恒流應的開關將恒流源接地源接地)2222(2)16842(0011223340123ddddIRdIdIdIdIRiRvFFFo由圖由圖11.2.8可得可得11.2.

25、3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器圖圖11.2.10為權電流型為權電流型D/A轉換器的原理電路轉換器的原理電路此電路中利用倒此電路中利用倒T形電阻網絡，目的是為了減少電阻形電阻網絡，目的是為了減少電阻的種類。的種類。11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器其中：其中： (1)各個管子的基極接到一起，若各管的各個管子的基極接到一起，若各管的VBE相同，相同，則各發射極處于相同的電位，各支路電流的計算和倒則各發射極處于相同的電位，各支路電流的計算和倒T形電阻網絡一樣，即流過每個電阻的電流依次減少形電阻網絡一樣，即流過每個電阻的電流依次減少

26、1/2。為了保證發射結壓降相等，發射極電流較大的管子增加為了保證發射結壓降相等，發射極電流較大的管子增加了發射結的面積。了發射結的面積。(2) 恒流源恒流源IBO用來給各管提供必須的偏置電流用來給各管提供必須的偏置電流11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器(3)運算放大器運算放大器A1、三極管、三極管TR、電阻、電阻RR、R構成基準構成基準電流發生電路。其基準電流為電流發生電路。其基準電流為IRVIRREFREF則輸出電壓為則輸出電壓為nRREFFRREFFFoDRVRddddRVRddddIRv40011223340011223342)2222(2)2222(211.2.3 權電流

27、型權電流型D/A轉換器轉換器采用權電流型單片集成采用權電流型單片集成D/A轉換器有轉換器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它們都采用雙極型三極管，等，它們都采用雙極型三極管，工作速度較高。工作速度較高。*DAC0808為為8位位D/A轉換器，其典型應轉換器，其典型應用電路如圖用電路如圖11.2.11所所示。示。11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器其中其中d0d8為為8位數字量輸入端，位數字量輸入端，Io是求和電流輸出端。是求和電流輸出端。11.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器VR、 VR接基準接基準電流發生電路中運電流發生電路中運算放大器的反相輸算放大器

28、的反相輸入端和同相輸入端。入端和同相輸入端。COMP供外接補償供外接補償電容的，電容的，VCC和和VEE為正負電源輸入端。為正負電源輸入端。*11.2.5 權電容網絡權電容網絡D/A轉換器（自學）轉換器（自學）*11.2.4 開關樹型開關樹型D/A轉換器（自學）轉換器（自學）11.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器 由于由于D/A轉換器中數字量有正負之分，此時要求輸轉換器中數字量有正負之分，此時要求輸出電壓也應有正負，這就要求出電壓也應有正負，這就要求D/A轉換器工作于雙極性轉換器工作于雙極性方式。方式。 由于二進制算術運算中通常都把帶符號的數值用由于二進制算術運算中通

29、常都把帶符號的數值用補碼的形式表示，故希望補碼的形式表示，故希望D/A轉換器能夠把以補碼形式轉換器能夠把以補碼形式輸入的正、負數分別轉換成正負極性輸出的模擬電壓。輸入的正、負數分別轉換成正負極性輸出的模擬電壓。為了簡單起見，下面以為了簡單起見，下面以3位補碼的情況為例，說明如何位補碼的情況為例，說明如何實現實現D/A轉換器的雙極性工作方式。轉換器的雙極性工作方式。 表表11-2是是3位二進制數從位二進制數從3V到到4V的補碼表示形的補碼表示形式及希望得到的模擬電壓輸出。輸入為式及希望得到的模擬電壓輸出。輸入為3位二進制補碼。位二進制補碼。最高位為符號位，正數為最高位為符號位，正數為0，負數為，

30、負數為111.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器 此表數值若用普通的此表數值若用普通的3位倒梯形電阻網絡的位倒梯形電阻網絡的D/A轉換器實現，其電路如圖轉換器實現，其電路如圖11.2.12所示。所示。其輸出電壓為其輸出電壓為)222(280011223dddvo11.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器則對應表則對應表112的數字量輸的數字量輸出為出為對照表對照表11-2，若把上表的正常輸出電壓偏移，若把上表的正常輸出電壓偏移4V,則可則可得到表得到表11-2的正負電壓輸出。的正負電壓輸出。11.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器

31、轉換器 為了得到表為了得到表11-3中在輸入代碼為中在輸入代碼為100時，輸出電壓時，輸出電壓為為0V，此時電路如圖，此時電路如圖11.2.13所示所示11.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器圖圖11.2.13則應在則應在d2 d1 d0100時時 ，其，其RVIRVIiREFBBB22 另外對照表另外對照表11-2和和11-3可知兩個最高位（符號位）可知兩個最高位（符號位）為取反的形式，故將最高位取反后加到普通為取反的形式，故將最高位取反后加到普通D/A轉換轉換器上即可得到雙極型輸出，如圖器上即可得到雙極型輸出，如圖11.2.13所示。所示。11.2.6 具有雙極性輸

32、出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器圖圖11.2.13如如CB7520接成接成雙極性輸出的電雙極性輸出的電路如圖路如圖11.2.15所所示。示。11.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器一般地構成雙極性輸出的一般地構成雙極性輸出的D/A轉換器的方法：只要在求轉換器的方法：只要在求和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸入最高位和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸入最高位為為1,而其他各位輸入為而其他各位輸入為0時的輸出時的輸出vo=0。同時將輸入的。同時將輸入的符號位（最高位）符號位（最高位）反相后接到一般反相后接到一般的的D/A轉換器地轉換器地輸入，就得到了輸入，就得

33、到了雙極性輸出的雙極性輸出的D/A轉換器。轉換器。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度一一 、D/A轉換器的轉換精度轉換器的轉換精度 在在D/A轉換器中，通常用分辨率和轉換誤差來轉換器中，通常用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。描述轉換精度。 分辨率用于表示分辨率用于表示D/A轉換器對輸入微小量變化敏轉換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為感程度的，定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能分成轉換器模擬輸出電壓可能分成的等級數，從的等級數，從0000到到1111全部全部2n個不同的狀態，個不同的狀態，給出給出2n個不同的輸出電壓，位數越多，等級越多，意個不同的輸出電

34、壓，位數越多，等級越多，意味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往用輸入數用輸入數字量的位數表示字量的位數表示D/A轉換器的分辨率轉換器的分辨率。121A/Dn轉換器的分辨率1. 分辨率：（理論精度）分辨率：（理論精度）另外另外也用也用D/A轉換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓轉換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率之比表示分辨率，即，即精度速度分辨率轉換誤差參考電壓的波動性能造成誤差的原因用輸入二進制數碼的位數給出用能夠分辨的最小電壓（LSB）表示用能夠分辨的最小電壓與最大電壓之比表示用最低有效位（LSB）的倍數表示：如1/2LSB用滿刻度電壓（

35、FSR）的百分比來表示運放的零點漂移模擬開關的導通內阻和壓降電阻網絡中電阻阻值偏差線形誤差非線形誤差如如10位位D/A轉換器的分辨率為轉換器的分辨率為001. 0102311211011.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度2.轉換誤差轉換誤差（實際精度）（實際精度） 由于由于D/A轉換器的各個環節在參數及性能上和理論轉換器的各個環節在參數及性能上和理論值存在著差異，如基準電壓不夠穩定、運算放大器的值存在著差異，如基準電壓不夠穩定、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內阻和導通壓降、電阻網零點漂移、模擬開關的導通內阻和導通壓降、電阻網絡中電阻阻值的偏差以及三極管特

36、性不一致等等因素，絡中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，都會使得實際精度與轉換誤差有關系。都會使得實際精度與轉換誤差有關系。轉換誤差是表示由各種因素轉換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個綜合性的指引起誤差的一個綜合性的指標，它表示實際的標，它表示實際的D/A轉換轉換器特性和理論轉換特性之間器特性和理論轉換特性之間的最大偏差，如圖的最大偏差，如圖11.2.16所所示示圖圖11.2.16*轉換誤差一般用最低有效位的倍數表示轉換誤差一般用最低有效位的倍數表示，如，如1LSB，即為輸出的模擬電壓和理論值之間的絕對誤差小于等即為輸出的模擬電壓和理論值之間的絕對誤差小于等于輸入為于輸入為0001

37、時的輸出電壓。時的輸出電壓。有時也用絕對誤差與有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分數來表示輸出電壓滿刻度的百分數來表示11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度3、轉換誤差分析、轉換誤差分析 轉換誤差包括比例系數誤差、失調誤差和非線性轉換誤差包括比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉換誤差各有不同的特點。誤差等。由不同因素引起的轉換誤差各有不同的特點。下面以下面以4位倒位倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器來介紹各種因素轉換器來介紹各種因素引起誤差的情況。引起誤差的情況。a. 比例系數誤差：比例系數誤差： 當基準電壓當基準電壓VREF偏離標準值

38、偏離標準值VREF時，會在輸出時，會在輸出端產生誤差電壓端產生誤差電壓v01 。 由由VREF引起的轉換誤差，引起的轉換誤差，叫做比例系數誤差。叫做比例系數誤差。)2222(20011223340ddddVvREF11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度由于由于4位倒位倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器的輸出電壓為轉換器的輸出電壓為則由則由VREF產生的誤差為產生的誤差為REFVddddv)2222(2100112233401上式標明，由上式標明，由VREF引起的誤差和輸入數字量的大小成引起的誤差和輸入數字量的大小成正比的，故稱為比例系數誤差。正比的，故稱為比

39、例系數誤差。圖圖11.2.17中的虛線為在一中的虛線為在一定的定的VREF時，時， vo偏離理偏離理論值的情況。論值的情況。圖圖11.2.17b. 失調誤差（漂移誤差或平移誤差）失調誤差（漂移誤差或平移誤差）11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度 由于運算放大器的由于運算放大器的零點漂移所造成的誤差，零點漂移所造成的誤差，其誤差電壓其誤差電壓vo 2的大的大小與輸入的數字量無關，小與輸入的數字量無關，輸出電壓特性曲線將發輸出電壓特性曲線將發生平移。如圖生平移。如圖11.2.18所所示。示。圖圖11.2.18 由于模擬開關的導通電由于模擬開關的導通電阻和導通壓降

40、都不能為零，阻和導通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起故而它們的存在肯定會引起輸出產生誤差電壓輸出產生誤差電壓 vo3 。由。由于每個開關的導通電阻不一于每個開關的導通電阻不一定相等，接地時和接定相等，接地時和接VREF的的壓降也不一定相同，故壓降也不一定相同，故 vo3即非常數，也不和輸入數字即非常數，也不和輸入數字量成正比量成正比,這種誤差就是非線這種誤差就是非線性誤差，它沒有一定的規律。性誤差，它沒有一定的規律。還有電阻網絡的電阻阻值得還有電阻網絡的電阻阻值得偏差，也會產生非線性誤差偏差，也會產生非線性誤差vo4 。如圖。如圖11.2.19所示所示c. 非線性誤差非線性誤差11.2

41、.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度圖圖11.2.19絕對值相加總誤差：幾種誤差的*故為了獲得高精度的故為了獲得高精度的D/A轉換器，不僅要有高的分辨率，轉換器，不僅要有高的分辨率，還要選用高穩定度的參考電壓還要選用高穩定度的參考電壓VREF和低漂移地運算放大和低漂移地運算放大器與之配合，才可能獲得較高的轉換精度。器與之配合，才可能獲得較高的轉換精度。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度注：目前常用的有兩類注：目前常用的有兩類D/A轉換器：一類只包含電阻網轉換器：一類只包含電阻網絡（或恒流源電路）和模擬開關；另一類除此之外還絡（或

42、恒流源電路）和模擬開關；另一類除此之外還包含運算放大器及參考電源發生電路。對于第一類必包含運算放大器及參考電源發生電路。對于第一類必須外接參考電壓和運算放大器，應該注意合理確定參須外接參考電壓和運算放大器，應該注意合理確定參考電壓源穩定度和運算放大器的零點漂移的要求。考電壓源穩定度和運算放大器的零點漂移的要求。二二 、D/A轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度 當當D/A轉換器輸入的數字量發生變化時，輸出的轉換器輸入的數字量發生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應的輸出電壓，它需要一模擬量并不能立即達到所對應的輸出電壓，它需要一段建立時間。通常用建立時間段建立時間。通常用建立時間tset來定量

43、描述來定量描述D/A轉換轉換器的轉換速度。器的轉換速度。注意：注意：建立時間建立時間 tset：從輸入的數字量發生突變開始，直到輸：從輸入的數字量發生突變開始，直到輸出電壓進入與穩態值相差出電壓進入與穩態值相差1LSB/2范圍以內所用的時范圍以內所用的時間。如圖間。如圖11.2.20所示。所示。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度由于數字量的變化越大，建由于數字量的變化越大，建立的時間就越長，故一般產立的時間就越長，故一般產品給出的是輸入從全品給出的是輸入從全0跳變到跳變到全全1(或反之）時的建立時間。或反之）時的建立時間。目前在不包含運算放大器的目前在不包

44、含運算放大器的D/A轉換器中，轉換器中， tset最小為最小為0.1s以內；在包含運算放大以內；在包含運算放大器的集成器的集成D/A轉換器中，轉換器中， tset最小為最小為1.5 s以內。以內。*在外加運算放大器的在外加運算放大器的D/A轉轉換器中，由于運算放大器的換器中，由于運算放大器的轉換速度會影響轉換速度會影響D/A轉換器轉換器的轉換速率，故應選用轉換的轉換速率，故應選用轉換速率高的運算放大器，以縮速率高的運算放大器，以縮短運算放大器的建立時間。短運算放大器的建立時間。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度例例11.2.1 在在10位倒位倒T形電阻網絡

45、形電阻網絡D/A轉換器轉換器CB7520中，中，外接參考電壓外接參考電壓VREF10V，為保證，為保證VREF偏離標準值所引偏離標準值所引起的誤差小于（起的誤差小于（1/2）LSB，試計算，試計算VREF的相對穩定度的相對穩定度應取多少？應取多少？解：解： a. 計算計算1 LSB /2所對應的輸出電壓：所對應的輸出電壓：)2222(200112211ddddVvnnnnnREFo 當當LSB1,其余為其余為0時，輸出電壓為時，輸出電壓為nREFoVv2故（故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為的輸出電壓絕對值為12212nREFnREFoVVv11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換

46、器的轉換精度與轉換速度n 位倒位倒T形電阻網絡的輸出電壓為形電阻網絡的輸出電壓為最低位最低位112REFoVv對于對于CB7520b. 計算由于計算由于VREF的變化的變化 VREF所引起的輸出電壓的變所引起的輸出電壓的變化化vo在在n 位位D/A轉換器中，轉換器中， VREF引起的輸出電壓的變化引起的輸出電壓的變化為：為：REFnnnnnVddddv )2222(2100112210則當輸入的數字量全為則當輸入的數字量全為1時，誤差最大，但應小于等于時，誤差最大，但應小于等于1LSB /2，故故102212nREFREFnnVVv11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度

47、與轉換速度1110102212REFREFVV對于對于CB7520則有則有則參考電壓的相對穩定度為則參考電壓的相對穩定度為%05. 0212112211111010REFREFVV而允許參考電壓的變化量僅為而允許參考電壓的變化量僅為mVVVREFREF512221021122101011111010注：上面計算為輸入、輸出處于穩態下得出的，輸入注：上面計算為輸入、輸出處于穩態下得出的，輸入靜態誤差。在動態時，還有附加的動態轉換誤差。靜態誤差。在動態時，還有附加的動態轉換誤差。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度1110102212REFREFVV111010

48、2212REFREFVV例例 11.2.2 某一測量儀器中有一個某一測量儀器中有一個D/A轉換器，若要求該轉換器，若要求該D/A轉換器的精度小于轉換器的精度小于0.05%，試問應選多少位的，試問應選多少位的D/A轉轉換器？換器？解：若要求解：若要求D/A轉換器的精度小于轉換器的精度小于0.05%，也是要求，也是要求D/A轉換器的實際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤轉換器的實際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差），一般應低于差），一般應低于 1LSB /2，即即LBSoUv21兩邊同除輸入為全為兩邊同除輸入為全為1時的最大電壓得：時的最大電壓得：mLBSmoUUUv2111.2.7 D/A轉換器

49、的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的分辨率轉換器精度ADAD/21/即即由于由于10位位D/A轉換器的分辨率也可表示為轉換器的分辨率也可表示為故故由于由于10位位D/A轉換器分辨率為轉換器分辨率為%1 . 0%05. 02121/n轉換器的分辨率AD%097. 0%1001211011.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度121A/Dn轉換器的分辨率轉換器的分辨率轉換器精度ADAD/21/故應取十位或十位以上的故應取十位或十位以上的D/A轉換器。轉換器。由于輸入的模擬信號在時間上是連續的，輸出的數字由于輸入的模擬信號在時間上是連續的，輸出的數字信

50、號在時間和幅值都是是離散的，因此轉換時一般要信號在時間和幅值都是是離散的，因此轉換時一般要經過經過取樣、保持、量化和編碼取樣、保持、量化和編碼 四個過程。實際中有時四個過程。實際中有時取樣和保持、量化和編碼會同時實現。取樣和保持、量化和編碼會同時實現。11.3 A/D轉換器轉換器D111101A/DA(電壓電壓 或或 電流電流)？A/D轉換器是將模擬量轉換成數字量轉換器是將模擬量轉換成數字量 所以所以A/D轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數字量，并按行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。一

51、定的編碼形式給出轉換結果。一一 取樣定理取樣定理 取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為時間離取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。散的模擬量。 為了使得取樣信號能為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取逼近輸入模擬信號，則取樣信號應該有足夠高的頻樣信號應該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復，其頻率被取樣信號恢復，其頻率關系必須滿足取樣定理。關系必須滿足取樣定理。圖圖11.3.1為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中vs為取樣信號，為取樣信號，vI 表示輸入的模擬信號。表示輸入的模擬信號。圖圖11.3.1取樣定

52、理為：取樣定理為：(max)2isff 一般取一般取(max)53(isff 注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號時都需要一定的時間時都需要一定的時間,而且為了給后續的量化編碼提供而且為了給后續的量化編碼提供一個穩定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電一個穩定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣保持電路同時完成的。樣保持電路同時完成的。 若若fs為取樣信號的頻率，為取樣信號的頻率， fi（max）為輸入模擬信號為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻

53、率，則它們必須滿足的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足量化量化: :為將模擬信號轉換為數字量，在為將模擬信號轉換為數字量，在A/DA/D轉換過轉換過程中，必須將采樣程中，必須將采樣保持電路的輸出電量，按某保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一轉化過程我們稱為數值量化，簡稱量化。任何一轉化過程我們稱為數值量化，簡稱量化。任何一個數字量的大小只能是某個規定的最小數量單位個數字量的大小只能是某個規定的最小數量單位的整數倍的整數倍。數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位位。將采樣保持電路的

54、輸出電壓歸化為量化單位將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整數倍。的整數倍。二二 、量化和編碼、量化和編碼編碼編碼: : 用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。叫做編碼。一個一個n n位二進制數只能表示位二進制數只能表示2 2n n個量化電平，個量化電平，量化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱量化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱為量化誤差。為量化誤差。 量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化級分得越多（量化級分得越多（n n越大），量化誤差越小。越大），量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式

55、和四舍五兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。入的量化方式。 二二 、量化和編碼、量化和編碼1.量化量化 數字量不僅時間上是離散的，而且數值上也是離數字量不僅時間上是離散的，而且數值上也是離散的，所以任何一個數字量的大小只能是某個規定的散的，所以任何一個數字量的大小只能是某個規定的最小數量單位的整數倍。將采樣電壓表示為最小數量最小數量單位的整數倍。將采樣電壓表示為最小數量單位（單位（）的整數倍，稱為量化。所取得最小數量單位）的整數倍，稱為量化。所取得最小數量單位叫做量化單位，用叫做量化單位，用表示，它是數字信號最低位表示，它是數字信號最低位（LSB）為）為1,其它位為其它位為

56、0時所對應的模擬量，即時所對應的模擬量，即1LSB。如圖如圖11.3.2所示所示 將量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是將量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼也是也是A/D轉換器的輸出數字量。轉換器的輸出數字量。3. 量化誤差：量化誤差： 由于模擬電壓是連續的，那么由于模擬電壓是連續的，那么不可能所有的電壓不可能所有的電壓都能被量化單位都能被量化單位整除整除，所以量化過程不可避免地會，所以量化過程不可避免地會引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差

57、屬于原理性誤差，無法消除。原理性誤差，無法消除。A/D轉換器的位數越多，各轉換器的位數越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：編碼：4.量化方式：量化方式：a. 只舍不入量化方式只舍不入量化方式以以3位位A/D轉換器為例轉換器為例 設輸入電壓設輸入電壓vI為為01V，取量化單位取量化單位1/8 V，量，量化中把不足量化單位部分化中把不足量化單位部分舍棄，如舍棄，如01/8 V都當成都當成0V處理，用處理，用000表示；在表示；在1/82/8V都當成都當成1 處理，處理，即當成即當成1/8V處理，用處理，用001表表示，依此類推，如圖

58、示，依此類推，如圖11.3.2（a）所示，其最大量化誤）所示，其最大量化誤差為差為 。注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數A/D轉轉換器采用四舍五入的量化方式。換器采用四舍五入的量化方式。 取量化單位為取量化單位為 2/15 V，量化中將不足半個量化，量化中將不足半個量化單位部分舍去，對于等于或單位部分舍去，對于等于或大于半個量化單位的部分按大于半個量化單位的部分按一個量化單位處理。如一個量化單位處理。如01/15 V 當當0V處理，用處理，用000表示；在表示；在1/153/15 V當成當成1 處理，即處理，即2/15 V，用，用001表表示，

59、依此類推，如圖示，依此類推，如圖11.3.2(b）所示，其最大量化誤差為所示，其最大量化誤差為1/2 。b. b. 四舍五入量化方式四舍五入量化方式當輸入的模擬電壓為當輸入的模擬電壓為正負范圍內變化時，正負范圍內變化時，一般采用二進制補碼一般采用二進制補碼的形式編碼。的形式編碼。11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.3.3所示所示1.原理電路：原理電路：圖圖11.3.3 該電路是由放大器該電路是由放大器A、保持電容、保持電容CH和開關驅動電和開關驅動電路組成。其中路組成。其中vI為輸入的模擬電壓，為輸入的模擬電壓， vL

60、為取樣控制信為取樣控制信號號,T為為N溝道增強型溝道增強型MOS管，做為模擬開關，管，做為模擬開關，2.工作原理：工作原理：11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路圖圖11.3.3a.當取樣控制電壓當取樣控制電壓vL為高為高電平時，電平時，NMOS管導通，管導通，輸入電壓輸入電壓vI通過通過R1和和T給給電容電容CH充電。若取充電。若取R1 RF，并設運放為理想的，并設運放為理想的，則則vo vc vIb.當取樣電壓當取樣電壓vL為低電平時，為低電平時，NMOS管截止，管截止，CH上的電壓在上的電壓在這段時間內基本不變，則輸出這段時間內基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結果被保存電壓也不變，取樣結