第11章数模及模数转换器

CO6 CO5
R C4 R C3 C2
CO4 CO3 CO2
D 0 (LSB)
R 3 V 15 R EF R 1 V 15 R EF R/2
Q2
C1
CO1
Q1
vI
CP
电压比较器
代码转换器
并行比较型A/D转换器真值表
输入模拟电压 寄存器状态 （代码转换器输入） Q 7 Q 6 Q5 Q4 Q 3 Q2 Q1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 数字量输出 （代码转换器输出） D2 0 0 0 0 1 1 1 1 D1 0 0 1 1 0 0 1 1 D0 0 1 0 1 0 1 0 1
I REF
VREF
R R R
模拟开关
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
D3
D2
D1
D0
i
A +
vO
如果参考电压用模拟信号来代 替 Dn VREF 3 i
vO 2
4
D 2
i 0 i

2
4
vi
实现了模拟量和数字量的乘法运算 ——乘法型DAC
普通DAC的建立时间为几到几百微秒；
高速DAC的建立时间小于几微秒； 如MAXIM公司的MAX555为12位DAC，转换速度为 300MHz。
集成D/A转换器的选择
1.转换器的位数
转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。 2.数字信号接口特性 如是并行接口还是串行接口。 3.模拟信号接口特性 是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？
例：求满量程输出电压 VFSR=10V ，输入数字位数 n=10 的 DAC的最小输出电压增量VLSB。 1 1 VLSB VFSR n 10 10 10 mV 2 1 2 1
D/A转换器的主要参数
4.转换精度 输出模拟电压的实际值与理想值之差。
5.输出建立时间
输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要 的最大时间。
D0
放大器的增益大于1。
A/D转换器
一、A/D转换的过程 要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别 称为采样、保持、量化、编码。
模拟 信号
采样
时间离散化
保持
量化
幅值离散化
编码
数字 信号
A/D转换器
1.采样保持
连续时间信号 vI(t)
S
0 t
vI(t) CH
vI’( t )
vS
0 t
vI’ (t) 离散时间信号
A/D转换器
几种典型A/D转换器
并行比较型A/D转换器（闪烁ADC）
逐次比较型A/D转换器 双积分型A/D转换器 流水线型A/D转换器 Σ—Δ型A/D转换器
并行比较型A/D转换器
1.电路结构
VR
只舍不入量化方式（截断量化方式）
R
7 V 8
+ R
输出数据
编 锁 码 存 电 器 路
D1 D2
6 V 8
0
TS
t
A/D转换器
2.量化和编码 量化：将采样—保持后的信号幅值转化成某个最小数量单 位（量化间隔）的整数倍。 （1）确定量化间隔：
1LSB 模拟输入电压范围 VFSR N 分割数 2
例：如有一模拟信号，幅值范围为0~1V，要转化为3位二 进制代码，则其量化间隔为1LSB=1/8V 。 得到8个量化电平分别为0V、1/8V…7/8V。
VREF
D3
D2
D1
D0
VREF VREF VREF VREF i I 3 I 2 I1 I 0 D3 D2 D1 D0 R 2R 4R 8R VREF VREF 3 3 2 1 0 3 D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 3 Di 2i 2 R 2 R i 0 3 R V i vo i REF D 2 i 2 2 4 i 0
通过放大器A把电流i∑转换成输出电压vO：
vO i R
VREF 3 2 1 0 D 2 D 2 D 2 D 2 3 2 1 0 24 VREF 3 4 D i 2i 2 i 0


乘法型D/A转换器
1.什么是乘法型DAC（Multiplying DAC，MDAC）？
Dn
DAC
vO
vO KDn K Di 2
i 0
n 1
i
D/A转换器
以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系
D2D 1D0
0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
vO
0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V
VCC
ILE WR 2
＆
LE 2
＆
若 LE 1 ，Q输出 跟随D输出 若 LE 0 ，Q输出 被锁存
VREF
CS WR1 WR2 XFER
R fb
DGND
XFER D4 D5 D6 D7 IO2 IO1
内部结构框图
引脚图
D/A转换器的主要参数
1.最小输出电压增量VLSB 数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。 2.满量程（Full Scale Range）输出电压VFSR 数字量为11…1时的输出电压值。 3.分辨率：最小输出电压增量与最大输出电压的比值来表 示。 VLSB 1 分辨率 n VFSR 2 1 分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。
5V
VREF
DAC0832
I O1 I O2
-A 1 + 0 ~ 5V
+ A2 R2 R1
T
D7 D6 … D0
vO 0 ~ 10.0V
D/A转换器的典型应用
3.程控增益放大电路
15V
VCC
vI Rf
VREF
DAC0832
I O1 I O2
-A 1 +
vO
256 vO vI Dn
D7 D6 …
乘法型D/A转换器
3.典型的集成乘法型D/A转换器——DAC0832
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
ILE
＆
VREF
输 入 锁 存 器
LE1
D/A 锁 存 器
D/A 转 换 器
I O1 I O2 Rfb Rfb
CS WR1 AGND D3
D2 D1 D0
20 1 19 2 3 18 4 17 DAC 5 16 0832 6 15 7 14 8 13 9 12 10 11
D/A和A/D转换器
概论
D/A转换器 A/D转换器
概
论
● D/A转换器（Digital Analog Convertor，DAC）
● A/D转换器（ Analog Digital Convertor，ADC）
● D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界 的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。
i
A +
vO
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
VREF 3 vo 4 Di 2i 2 i 0
VREF
D3
D2
D1
D0
思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？
外加参考电源精度 权电阻精度 由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻 均有很高精度，在集成DAC中很少采用。
A/D转换器
vO/V
1
7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0
t
经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会 产生误差，称为量化误差。最大量化误差=1/8V。
A/D转换器
方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式） 取两个离散电平中的相近值作为量化电平。 如果 0V≤vI≤1/16V 1/16V≤vI≤3/16V 3/16V≤vI≤5/16V …… 13/16V≤vI≤15/16V 量化误差为1/2=1/16V 在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。 量化误差随着ADC的位数增加而减小。 则量化为7=7/8V。 则量化为0=0V； 则量化为1=1/8V； 则量化为2=2/8V；
乘法型D/A转换器
2.乘法型DAC的一般结构
VREF
I R

R

R
反馈 电阻
2R 2R
2R
2R
2R
S1
S n-1
S n -2
S0
Rfb I O1 I O2
A +
vO
Dn1
Dn2

D1
D0
I O1
VREF Dn n 2 R
电流输出端
MDAC的输出电流正比于输入数据和基准电压的乘积。 思考：如何实现电压输出？
+ · · · · · · + -
输入电压
1 V 8 R
Vi
D0
并行ADC由电压比较器、代码转换电路和寄存器三部分组成
并行比较型A/D转换器（3位）电路图 VR EF 四舍五入量化方式（舍入量化方式）
R 13 V 15 R EF 11 R 15 VR EF R C7 C6 C5 CO7 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 寄存器 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 I7 I6 I5 优 先 I4 编 码 I3 器 I2 I1 D2 (MSB) D1
模拟开关 输入数 字量
输出 电压
D3
D2
D1
D0
流过各电阻的电流为多少？
VREF I3 D3 R VREF VREF D1 I2 D2 I1 4R 2R
VREF I0 D0 8R
权电阻型D/A转换器
Rf R / 2
i
A +
vO
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
4.参考电压
是外置参考电压还是内置参考电压？ 5.动态特性 主要指转换速度。
D/A转换器的典型应用
1.任意波形发生器
Rf
VREF
I O1 I O2 D0
DAC0832
D7 D6 …
-A +
vO
EPROM
A7 A6 …
CP
A0
任意波形 发生器
Байду номын сангаас
计数器
D/A转换器的典型应用
2.数控稳压电源
Rf
15V
A/D转换器
（2）将连续的模拟电压近似成分散的量化电平 方式一：只舍不入量化方式（截断量化方式）
如果0V≤vI≤1/8V 则量化为0=0V； 1/8V≤vI≤2/8V 则量化为1=1/8V； …… 7/8V≤vI≤1V 则量化为7=7/8V。
经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会 产生误差，称为量化误差。最大量化误差=1/8V。
权电阻型D/A转换器
VREF 3 vo 4 Di 2i 2 i 0
结论： （1）输出电压与输入的数字量成正比； （2）输出电压与参考电压极性相反； （3）如果数字量为n位的二进制数，输出电压的变化范围：
2n 1 0 ~ n VREF 2
权电阻型D/A转换器
Rf R / 2
概
论
● 典型应用系统之一——多路数据采集系统
传感器 放大器 · · · 传感器 放大器 滤波器 滤波器 多 路 模 拟 开 关
A/D
计算机
概
论
● 典型应用系统之二——计算机DDC控制系统
给定 +
－
A/D
计算机
D/A
控制对象
传感器
D/A转换器
一、D/A转换器的基本概念 将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。 数字信号 模拟信号
倒T型电阻网络D/A转换器
2.工作原理
VREF
I REF
R
R
R
I REF
VREF
I 0 2R S0
Rf R
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
R
I REF
V REF D3 R
D2
D1
D0
i
A +
vO
同样分析可得：
I3 I REF 2
I I 2 REF 4 I I1 REF 8
vI
1 )VR EF 15 1 ( ~ 3 )VR EF 15 15 5 ( 3 ~ )V 15 15 R EF 5 ( ~ 7 )VR EF 15 15 7 9 V ( ~ ) R EF 15 15 11 ( 9 ~ )VR EF 15 15 11 13 ( ~ )VR EF 15 15 13 ( ~ 1 )VR EF 15 (0
I REF I0 16
倒T型电阻网络D/A转换器
2.工作原理（续）
i I 3 D3 I 2 D2 I1 D1 I 0 D0
I REF I I I D3 REF D2 REF D1 REF D0 2 4 8 16 V 3 2 1 0 REF D 2 D 2 D 2 D 2 3 2 1 0 4 2 R
D/A转换器的传输特性 vO /V
7 6 5 4 3 2 1 0
001 010 011 100 101 110 111
Dn
权电阻型D/A转换器
1.电路结构及工作原理 电阻网络
i
Rf R / 2
A +
I/V变换 电路
vO
参考 电压
VREF
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
倒T型电阻网络D/A转换器
1.电路结构
I REF
VREF
R R R
T型电阻网络
参考 电压
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
D3
D2
D1
D0
i
A +
vO
由于倒T型电阻网络只有两种阻值的电阻， 因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍 采用这种电路结构。