第8章數/模與模/數轉換電路圖9.1.1典型的自動控制和信息處理系統結構框圖A/D轉換器（AnalogtoDigitalConverter）A/D轉換器模擬電壓（電流）數字量

D/A轉換器（DigitaltoAnalogConverter）D/A轉換器模擬電壓（電流）數字量

能夠實現模擬信號到數字信號轉換的電路能夠實現數字信號到模擬信號轉換的電路1.D/A轉換的基本原理圖9.1.2數/模轉換器示意圖一、數/模轉換的基本原理和分類DAC

2.

DAC的基本結構及分類一般的數模轉換器的基本組成可分為四部分，即：電阻譯碼網絡、模擬開關、基準電壓源和求和運算放大器。圖9.1.3數模轉換器原理圖按譯碼網絡類型分權電阻網絡DAC倒T型電阻網絡DAC權電流網絡DAC權電容網絡DAC開關樹型DAC按輸入方式分并行輸入DAC串行輸入DAC1.電路結構圖9.1.44位權電阻網絡DAC電路圖二、權電阻網絡DAC基準電壓模擬開關電阻網絡求和運算電路2.原理分析運放工作在線性狀態：◆虛斷◆虛短◆虛地

2.原理分析

3.電路特點

優點：結構比較簡單，所用的電阻元件數很少；

缺點：各個電阻的阻值相差較大，尤其在位數較多時。改進方法（一）：采用雙級權電阻網絡。圖9.1.5雙級權電阻網絡結構思考1、Rs=8R是如何求解出來的？2、若Rs前有M位數字輸入，后面有N位數字輸入，則求解Rs的通式是什么？M位N位1.電路結構及原理分析三、倒T型電阻網絡DAC模擬開關電阻網絡基準電壓源

圖9.1.64位倒T型電阻網絡DAC電路圖求和放大器

1.電路結構及原理分析流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數倍遞減。三、倒T型電阻網絡DAC

該電流與輸入二進制數的大小成正比，實現了數字量到模擬電流的轉換。4位DAC：n位DAC：

若Rf=R

2.應用示例（1）基準源提供的電流為

2.應用示例

（2）當D3D2D1D0=1000時，只有支路電流I3

流向Rf。

2.應用示例

（2）同理，當D3D2D1D0=0100時，

當D3D2D1D0=0010時，

當D3D2D1D0=0001時，

（3）輸入數字量與輸出電壓VO的關系表00000.01000-5.00001-0.6251001-5.6250010-1.2501010-6.2500011-1.8751011-6.8750100-2.5001100-7.5000101-3.1251101-8.1250110-3.7501110-8.7500111-4.7351111-9.3751.問題引出在權電阻網絡DAC和倒T形電阻網絡DAC中的模擬開關在實際應用中，總存在一定的導通電阻和導通壓降，而且每個開關的情況又不完全相同，所以它們的存在無疑會引起轉換誤差，影響轉換精度。四、權電流型DAC2.電路原理權電流型DAC可有效的解決這一問題。其示意圖如下：圖9.1.7權電流型DAC電路原理圖恒流源電路常使用下圖所示的電路結構形式：圖9.1.8權電流型DAC中的恒流源

3.電路結構圖9.1.9利用倒T形電阻網絡的權電流型DAC電壓相同4.原理分析由電路分析知：推論：對于輸入n位二進制數碼的這種電路結構的DAC，輸出電壓的計算公式可寫成：

1.設計原理前面講的DAC輸出電壓都是單極性的，得不到正、負極性的輸出電壓。而具有雙極性輸出的DAC能夠把以補碼形式輸入的正負數分別轉換成正負極性的模擬電壓。下面以輸入為4位二進制補碼的情況為例，說明轉換的原理。五、具有雙極性輸出的DAC十進制數補碼輸入要求輸出的模擬電壓+3011+3V+2010+2V+1001+1V00000-1111-1V-2110-2V-3101-3V-4100-4V十進制數補碼輸入偏移碼輸入無偏移時的輸出電壓偏移-4V后的輸出電壓+3011111+7V+3V+2010110+6V+2V+1001101+5V+1V0000100+4V0-1111011+3V-1V-2110010+2V-2V-3101001+1V-3V-41000000-4V表9.1.1輸入為3位二進制補碼時要求DAC的輸出表9.1.2輸入偏移碼時DAC的輸出補碼、偏移碼和十進制數的關系：用單極性DAC轉換補碼的思路：單極性模擬量扣除偏移值8所對應的模擬量加法器單極性DAC偏移碼雙極性模擬量2.電路設計圖9.1.10具有雙極性輸出電壓的DAC十進制數+7011111111.8750.875+6011011101.7500.750+1000110011.1250.1250000010001.00-1111101110.875-0.125-7100100010.125-0.875-8100000000-1.0

表9.1.3輸入補碼與輸出電流之間的關系六、DAC的主要技術指標比例系數誤差失調誤差非線性誤差分辨率01轉換精度02轉換速度031.分辨率最小輸出電壓VLSB：輸入數碼僅D0為1，其余各位均為0時，所對應的輸出電壓值。最大輸出電壓Vmax：輸入數碼全部為1時，所對應的輸出電壓值，也稱為滿刻度輸出電壓VFSR。分辨率：用來表征DAC對輸入量微小變化的敏感程度。

對于n位DAC，其分辨率為：

分辨率只與位數有關，與基準電壓VREF無關。

六、DAC的主要技術指標比例系數誤差失調誤差非線性誤差分辨率01轉換精度02轉換速度032.轉換精度由于DAC的各個環節在參數和性能上和理論值之間不可避免的存在著差異，所以實際能達到的轉換精度要由轉換誤差來決定。

轉換誤差表示實際的DAC轉換特性和理想特性之間的最大偏差。圖9.1.11DAC的轉換特性曲線參考電壓VREF的波動1運算放大器的零點漂移23模擬開關的導通內阻和導通壓降4電阻網絡中電阻阻值的偏差5三極管特性不一致引起DAC轉換誤差的原因：是指實際轉換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。★比例系數誤差圖9.1.123位DAC的比例系數誤差

●運放閉環增益偏離設計值原因：參考電壓VREF的波動1運算放大器的零點漂移23模擬開關的導通內阻和導通壓降4電阻網絡中電阻阻值的偏差5三極管特性不一致引起DAC轉換誤差的原因：是指輸入數字量為全0時，模擬量的實際起始數值不為0。★失調（零點）誤差圖9.1.133位DAC的失調誤差●運算放大器的零點漂移原因：參考電壓VREF的波動1運算放大器的零點漂移23模擬開關的導通內阻和導通壓降4電阻網絡中電阻阻值的偏差5三極管特性不一致引起DAC轉換誤差的原因：表征D/A轉換器輸入的數字量作等量增加時，其輸出的模擬電壓不能等量增加的程度。★非線性誤差●開關導通的等效電阻不為0●電阻網絡中阻值的偏差原因：圖9.1.143位DAC的非線性誤差因為這幾種誤差電壓之間不存在固定的函數關系，所以最壞的情況下輸出總的誤差電壓等于它們的絕對值相加，即說明：為獲得高精度的DAC，單純依靠選用高分辨率的DAC器件是不夠的，還必須具有高穩定度的參考電壓源VREF和低漂移的運算放大器與之配合使用，才可能獲得較高的轉換精度。以上討論的都是靜態誤差，對于動態誤差，可在DAC的輸出端附加采樣—保持電路。★總轉換誤差

六、DAC的主要技術指標比例系數誤差失調誤差非線性誤差分辨率01轉換精度02轉換速度033.轉換速度

圖9.1.15DAC的建立時間采用權電流型DAC電路生產的單片集成DAC有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。這些器件都采用雙極型工藝制作，工作速度很高。圖9.1.16DAC0808的電路結構框圖七、集成DAC芯片1.

DAC0808：8位權電流型DAC采用權電流型DAC電路生產的單片集成DAC有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。這些器件都采用雙極型工藝制作，工作速度很高。圖9.1.17DAC0808的典型應用七、集成DAC芯片1.

DAC0808：8位權電流型DAC產生基準電流補償電阻求和電路2.AD7533：10位乘法型電流輸出DAC使用時：●要外接運放；●運放的反饋電阻可使用內部電阻，也可采用外接電阻。

圖9.1.18AD7533的電路結構AD75333.CB7520：采用倒T形電阻網絡的單片集成DAC圖9.1.19CB7520的電路結構

圖9.1.20DAC——CB7520應用舉例

則74161一個計數周期內vO的輸出列表如下：CP序號Q3Q2Q1Q0輸出vO（V）CP序號Q3Q2Q1Q0輸出Vo（V）100000910005.0200010.6251010015.625300101.251110106.25400111.8751210116.875501002.51311007.5601013.1251411018.125701103.751511108.75801114.3751611119.375

當RF=R，n=10時，有：則輸出電壓VO的波形如圖所示：

練習2：1.A/D轉換的基本原理圖9.2.1模/數轉換器示意圖一、模/數轉換的基本原理ADC

若為n位ADC參考量，則◆通常A/D轉換位數n越大，誤差越小。◆因ADC要將連續的模擬量轉換為離散的數字量，所以模擬量和數字量之間不是一一對應的關系。顯然，ADC存在著固有的轉換誤差，這種誤差稱為量化誤差。其量化值為:◆要實現將連續變化的模擬量變為離散的數字量，需經過四個步驟：采樣、保持、量化、編碼，一般前兩步由采樣-保持電路完成，量化和編碼由ADC完成。采樣保持量化編碼采樣-保持電路ADC0110..所謂采樣，即將一個時間上連續變化的模擬量轉換為時間上離散的模擬量。采樣需遵循采樣定理（奈奎斯特采樣定理）。

一般，fs=(3~5)fi(max)所謂保持，即將樣值脈沖的幅度，也就是采樣期間的Vi(t)保持下來，直到下次采樣。采樣-保持的精度及性能極大地影響A/D轉換器的精度。通常將采樣器和保持電路總稱為采樣-保持電路。2.采樣-保持電路圖9.2.2采樣-保持電路及波形完成對信號的采樣。

1、當時，模擬開關S閉合電路輸出保持采樣值不變。

2、當

時，模擬開關S斷開完成對信號的采樣。

1、當時，模擬開關S閉合電路輸出保持采樣值不變。

2、當

時，模擬開關S斷開圖9.2.3集成采樣保持電路LF1983.量化與編碼將采樣－保持電路輸出的樣值電平歸一化到與之相接近的離散數字電平。量化把取樣電壓表示為某個最小數量單位的整數倍，這個最小數量單位叫量化單位，用△表示，顯然，△=1LSB。量化單位把量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來。編碼將模擬電壓信號劃分為不同的量化等級時采用的方法不同，其量化誤差也不同。量化誤差代表的模擬電壓

代表的模擬電壓

圖9.2.4劃分量化電平的兩種不同方法的比較按輸入方式分并行輸出ADC串行輸出ADC4.

ADC的分類按轉換原理分并聯比較型ADC計數型ADC逐次漸近型ADCV-T變換型ADCV-F變換型ADC直接轉換型間接轉換型反饋比較型1.電路結構圖1并聯比較型ADC電路圖量化單位：二、并聯比較型直接ADC無需采樣圖9.2.5并聯比較型ADC的電路結構框圖比較器寄存器編碼器表9.2.1圖1電路的代碼轉換表思考：如何設計代碼轉換電路？輸入模擬電壓寄存器狀態（代碼轉換器輸入）數字量輸出（代碼轉換器輸出）vIQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1d1d2d300000000000000001001000001101000001110110001111100001111110101111111101111111111組合邏輯電路設計比較器寄存器編碼器優先編碼器2.轉換精度和轉換速度

轉換速度非常快：從CLK信號上升沿算起，并聯比較型ADC完成一次轉換的時間只包括一級觸發器的翻轉時間和幾級門電路的傳輸延遲時間，通常為ns級。3.電路特點

優點：*轉換速度快：如8位輸出的轉換時間可達50ns以下；*含有比較器和寄存器的ADC可不附加采樣-保持電路。缺點：*需要用很多的電壓比較器和觸發器：如n位二進制代碼轉換器中應當有2n-1個電壓比較器和2n-1個觸發器，電路相當龐大。1.工作原理反饋比較型ADC工作原理：取一個數字量加到DAC上，于是得到一個對應的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的（采樣后保持下來的）模擬電壓信號相比較。若兩者不等，則調整所取的數字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個數字量就是所求的轉換結果。反饋比較型ADC常采用計數型和逐次漸近型兩種方案。三、反饋比較型直接ADC2.計數型反饋比較型ADC圖9.2.6計數型ADC電路工作原理圖原理分析★優點：電路非常簡單。

★缺點：轉換時間長。如當輸出為n位二進制數碼時，最長的轉換時間可達（2n-1）倍的時鐘信號周期。電路特點3.逐次漸近型反饋比較型ADC圖9.2.7逐次漸近型ADC電路工作原理圖原理分析具體電路100

10000010001103.逐次漸近型反饋比較型ADC圖9.2.7逐次漸近型ADC電路工作原理圖原理分析具體電路

0100011000100101

CP寄存器1100000005<6.842110000007.5>6.843101000006.25<6.844101100006.875>6.845101010006.5625<6.846101011006.71875<6.847101011106.796875<6.848101011116.8359375

1000◆優點：★轉換速度雖比并聯比較型ADC低，卻比計數型ADC快得多。如n位逐次漸近型ADC完成一次轉換所需的時間僅為（n+2）個時鐘信號周期的時間。★逐次漸近型ADC的電路規模比并聯比較型小得多。★逐次漸近型ADC是目前集成ADC產品中用得最多的一種電路。電路特點并行輸出的數字量D對應的8位二進制數為：01001101一次轉換所需的時間：t=(8+2)TCP=10TCP應用示例目前使用的間接ADC大多都屬于電壓-時間變換型（V-T變換型）和電壓-頻率變換型（V-F變換型）兩類。在V-T變換型ADC中，首先將輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數，計數結果就是正比于輸入模擬電壓的數字信號。四、V-T間接變換型ADC1.

V-T變換（雙積分）型ADC的工作原理

圖9.2.8V-T變換型ADC電路結構示意圖結構框圖采樣階段：T1

定時采樣T2

定速比較比較階段：

2.電路特點雙積分型A/D轉換器的優點：★最突出的優點是工作性能比較穩定。表現在：只要在兩次積分期間R、C的參數相同，則轉換結果與R、C的參數無關；在取T1=NTC的情況下轉換結果與時鐘信號周期無關。所以完全可以用精度比較低的元器件制成精度很高的雙積分型A/D轉換器。★另一個優點是抗干擾能力比較強。因為轉換器的輸入端使用了積分器，所以對平均值為零的各種噪聲有很強的抑制能力。在積分時間等于交流電網周期的整數倍時，能有效地抑制來自電網的工頻干擾。完成最長一次轉換所需的時間為：Tmax=(2n+1-1)×Tcp

，轉換速度一般都在每秒幾十次以內。雙積分型A/D轉換器的缺點：工作速度低。影響雙積分型A/D轉換器轉換精度的主要因素：★計數器的位數；★比較器的靈敏度；★運算放大器和比較器的零點漂移；★積分電容的漏電；★時鐘頻率的瞬時波動：多采用晶振作脈沖源；等等。1.

ADC轉換精度五、ADC的主要技術指標

分辨率是指引起輸出二進制數字量最低位變化一個數碼時，輸入模擬量的最小變化量。1.

ADC轉換精度五、ADC的主要技術指標

分辨率是指引起輸出二進制數字量最低位變化一個數碼時，輸入模擬量的最小變化量。轉換誤差通常以輸出誤差最大值的形式給出，它表示實際輸出的數字量和理論上應有的輸出數字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數給出，有時也用滿量程的百分數給出轉換誤差。注：ADC的轉換精度與電源電壓和環境溫度有關。2.轉換速度ADC的轉