1、 第九章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一一 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字/ /模擬模擬轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。01234567001010011100101110111D/A轉(zhuǎn)換器DDD01n-1.vo輸入輸出vo/VD000二二 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（4位）位）所以，無論所以，無論Si處于何種位置，與處

2、于何種位置，與Si相連的相連的2R電阻均接電阻均接“地地”（地或虛地）。（地或虛地）。圖中圖中S0S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，控制，當(dāng)當(dāng)Di=1時(shí)，時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；流入求和電路；當(dāng)當(dāng)Di=0時(shí)，時(shí)，Si將電阻將電阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622可算出，基準(zhǔn)電流可算出，基準(zhǔn)電流 I=VREF/R，輸出電壓：輸出電壓：則流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為則流過

3、各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：于是得總電流：將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：位，則有：可簡寫為：可簡寫為：vO=KNB 其中：其中：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRVfORiv)2(2304iiiREFfDVRR)2(210iniinREFfODVRRvnREFfVRR2K=三三 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R

4、+AvoifI24I8I16IVREFDiiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123采用具有電流負(fù)反饋的采用具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流恒流源電路的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器：器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置電流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，

5、IE0=I/16，于是可得輸出電壓為可推得可推得n位倒位倒T形權(quán)電流形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：)2222(20011223314REFODDDDRVRRivff基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流：3E1REFREF2IRVIiniinfDRRVv22101REFO四四 D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例DAC0808是是8位權(quán)電流型位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器，其中D0D7是數(shù)字量輸入端。是數(shù)字量輸入端。用用這類器件構(gòu)成的這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻用的電阻R1。當(dāng)當(dāng)VREF=10V、R1=5k、

6、Rf=5k時(shí)，時(shí)，輸出電壓為：輸出電壓為：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA數(shù)字量輸入模擬量輸出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R7087018221022iiiiiiREFfODDRVRvDAC0808 D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（ 設(shè)設(shè)VREF=10V）1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 五五 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差此外，也可用此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓

7、與最大輸出電壓之比來表示分辨率，N位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為 1/（2n-1）。）。2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度3. 溫度系數(shù)溫度系數(shù)在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速率（）轉(zhuǎn)換速率（SR）在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率）分辨率D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分

8、離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)表示表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。轉(zhuǎn)換器的分辨率。（1）建立時(shí)間（）建立時(shí)間（tset）當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1S。9.2 A/D9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一一A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理由于由于輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：轉(zhuǎn)換過程為

9、：取樣、取樣、保持、量化和編碼。保持、量化和編碼。CPSSADC取樣保持電路ADC的量化編碼電路.DDDn-110vI（t）vI（t）輸入模擬電壓取樣展寬信號數(shù)字量輸出（n位） 取樣定理：取樣定理： 因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間?？梢?，進(jìn)行取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間。可見，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的vI值。值。式中式中fS為取樣頻率，為取樣頻率，fimax為輸入信號為輸入信號

10、vI的最高頻率分量的頻率。的最高頻率分量的頻率。max2iSff二二 取樣取樣保持電路保持電路電路組成及工作原理（取電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)控制信號當(dāng)控制信號vL為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，導(dǎo)通，vI經(jīng)電阻經(jīng)電阻Ri和和T向電容向電容Ch充電。充電。 則充電結(jié)束后則充電結(jié)束后 vO=vI=vC。N溝道溝道MOS管管T作為開關(guān)用。作為開關(guān)用。當(dāng)控制信號返回低電平后，當(dāng)控制信號返回低電平后，T截止。截止。Ch無放電回路，所以無放電回路，所以vO的數(shù)值的數(shù)值 可被保存下來。可被保存下來。RRifIvLvTAChvo三三 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（3位）位）CCCCC

11、CC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D碼QD(MSB)編1DQ先2QQQ1D1D優(yōu)C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv電壓比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（代碼轉(zhuǎn)換器輸入）（代碼轉(zhuǎn)換器輸出）QQQQQQQ7654321DDD210vI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(11033557799111113131VREFVREFVREF

12、VREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表轉(zhuǎn)換器真值表1 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：四四 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器vIREFV169VREF1016設(shè)： 2 邏輯電路邏輯電路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123轉(zhuǎn)換器D/AVFFFFFFFFFF01234數(shù)據(jù)寄存器DDDD32100&a

13、mp;CPQ5啟動脈沖+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5vIREFV169VREF1016設(shè)：五雙積分型五雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器它由積分器、過零比較器（它由積分器、過零比較器（C）、時(shí)鐘脈沖控制門（）、時(shí)鐘脈沖控制門（G）和定）和定時(shí)器、時(shí)器、計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)器（FF0FFn）等幾部分組成。）等幾部分組成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n級計(jì)數(shù)器DDDn-110.（MSB）（LSB）數(shù)字量輸出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG（2）

14、第一次積分階）第一次積分階段段工作原理：工作原理：（1）準(zhǔn)備階段）準(zhǔn)備階段計(jì)數(shù)器清零，計(jì)數(shù)器清零，積分電容放電，積分電容放電， vO=0V。t=0時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)S1與與A端端接通，輸入電壓接通，輸入電壓vI加到加到積分器的輸入端。積分積分器的輸入端。積分器從器從0開始積分：開始積分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)tIOdtvv01由于由于vO0V，比較器輸出，比較器輸出vC=0，控制門，控制門G被關(guān)閉，計(jì)被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。數(shù)停止。ICnIPVTVTV21dtVVtvttREFPO)(1)(212在此階段結(jié)

15、束時(shí)在此階段結(jié)束時(shí)vO的表達(dá)式的表達(dá)式可寫為：可寫為：設(shè)設(shè)T2=t2t1，于是有：，于是有：設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為，則：，則：可見，可見，T2與與VI成正比，成正比，T2就是雙積分就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量。轉(zhuǎn)換過程的中間變量。 上式表明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)上式表明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)（=Qn-1Q1Q0），與在取樣時(shí)間），與在取樣時(shí)間T1內(nèi)輸內(nèi)輸入電壓的平均值入電壓的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。字量。0)(1)(212dtVVtvttREFPOIC

16、nREFVTTV22T2=TC IREFCnVVTT22IREFnCVVTT22六六 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率）分辨率說明說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)椋谧畲筝斎腚妷阂欢〞r(shí)，一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度例如，相對誤差例如，相對誤差LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之

17、間的誤差小于最低位的半個(gè)字。數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。（2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差它表示它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號指從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時(shí)間。所經(jīng)過的時(shí)間。并行比較并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之；間接轉(zhuǎn)換器次之；間接A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的速度最慢。換器的速度最慢。本章小結(jié)本章小結(jié)1

18、 1A/DA/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用日益廣泛。轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用日益廣泛。5 5A/DA/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/AD/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，在與轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，在與系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前，系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前，A/DA/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢是高速度、高分辨率及易于與微型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢是高速度、高分辨率及易于與微型計(jì)算機(jī)接口，用以滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π盘柼幚淼囊蟆＝涌冢靡詽M足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π盘柼幚淼囊蟆? 2倒倒T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器中電阻網(wǎng)絡(luò)阻值僅有轉(zhuǎn)換器中電阻網(wǎng)絡(luò)阻值僅有R R和和2 2R R兩種，各兩種，各2R2R支路支路電流電流I Ii i與與D Di i數(shù)碼狀態(tài)無關(guān)，是一定值。由于支路電流流向運(yùn)放反相端數(shù)碼狀態(tài)無關(guān)，是一定值。由于支路電流流向運(yùn)放反相端時(shí)不存在傳輸時(shí)間，因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。時(shí)不存在傳輸時(shí)間，因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。3 3在權(quán)電流型在權(quán)電流