数模转换电路

在此阶段结束时vO的表达式可写为：
vO (t2 ) VP 1


t2
t1
( V REF ) dt 0
2 TC
n
设T2=t2－t1，于是有：
V REF T 2



VI
设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ ，则：
T2=λTC
T2
2 TC V REF
n
VI
可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。
i
10 2
8
i0

7
Di 2
i
i0
DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）
7.1.5 D/A转换器的主要技术指标
1.转换精度
（1）分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位 数表示D/A转换器的分辨率。 此外，也可用D/A转换器的最小输出电压(数字量：00000001)与最大输 出电压(数字量：全1）之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示 为 1/（2n-1）。
0
Q4
1
数据 寄 存器
01
R Q5 C1 F F5 + 5V
0 11
10 1 1 1
1 11 10 1 0
01
1
S + 5V
10
& G2 CP
QE QD QC QB QA 移 位寄 存器 F E D C B A
1
启 动脉 冲
G1
1
1D
0
1 0
+ 5V
CP
7.2.4 双积分型A/D转换器
它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时 器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。
VP T1
n

VI
2 TC

VI
（3）第二次积分阶段 当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－VREF加到积分器的输入端；积分器 开始反向积分。
vO (t2 ) VP
1


t2
t1
( V REF ) dt
同时，N级计数器又从0开始计数。 当t=t2时，积分器输出电压vO>0V，比较器输出vC=0，控制门G被关 闭，计数停止。
(L SB ) D0 D1 D2 (M S B ) D3 Rf
iΣ
A
+
vo
S0 I 16 R I 16 I 8
S1 2R I 8 R I 4 2R
S2 I 4 R 2R
S3 I 2 + VR EF I 2 I
2R
2R
分析计算：
V REF R
基准电流: I=VREF/R，
流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。
4
(D
i0
3
i
2 )
i
vI
vO
10 10 1 00
D2
D3
V R EF D 3 （ M SB ） D2 D1 D 0 （ L SB ）
1 00
11
vC
0
Q0 R C1 S F F0 FF1 Q1 R 1D C1 S F F2 Q2 R 1D C1 S F F3 Q3 R 1D C1 S F F4 R 1D C1 S
7.2.3 逐次比较型A/D转换器
7.2.4 双积分型A/D转换器
7.2.5 A/D转换器的主要技术指标
7.2.1 A/D转换器的基本原理
一．A/D转换的一般步骤
由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：
取样、保持、量化和编码。
C PS
v（ t ） I
S
v（ t ） I
ADC的 量 化编 码电 路

T2 TC 2
n
V REF
VI
上式表明，计数器中所计得的数λ （λ=Qn-1…Q1Q0），与在取样时间T1内输 入电压的平均值VI成正比。只要VI<VREF，转换器就能将输入电压转换为数 字量。
7.2.5 A/D转换器的主要技术指标
1. 转换精度
（1）分辨率——说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。
1 1 1 1 1 1 1 1
P96
7.2.3 逐次比较型A/D转换器
1． 转换原理：
有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量： G≈d3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0 di 1 有效 0 无效
2． 转换框图：
9 10 设： V REF ＜ vI ＜ V REF 16 16
模拟量
vI vO
vC
vO= - KNB
NB
最小
i
vO= - KNB = - K×1 vO= - KNB = - K×(2n-1)
(D
i0
n 1
i
2 )
最大
（2）转换误差——比例系数误差、失调误差、非线性误差。
7.1.5 D/A转换器的主要技术指标
2.转换速度
（1）建立时间（tset）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳 定电压值所需时间。最短可达0.1μ S。
输入模拟电压
Q7
（0～1/15）VREF （ 1/15 ～3/15）VREF （ 3/15 ～5/15）VREF （ 5/15 ～7/15）VREF （ 7/15 ～9/15）VREF （ 9/15 ～11/15）VREF （ 11/15 ～13/15）VREF （ 13/15 ～1）VREF 0 0 0 0 0 0 0 1
S2
+ vI V R EF
A B
S1 VS 1
R A
C
vO
C
vC
n 级 计数 器 F Fn Qn 1J C1 1K R CR D n-1 （ M SB ） 1 Q n-1 F Fn-1 1J C1 1K R 1 Q1 F F1 1J C1 1K R D1 数 字量 输出 D0 （ L SB ） 1 Q0 F F0 1J C1 1K R 1
第7章 数/模与模/数转换电路
课时：3学时
安徽电子信息职业技术学院信息工程系
第7章 数/模与模/数转换电路
7.1 D/A转换器
7.2
A/D转换器
本章小结
7.1 D/A转换器
7.1.1 7.1.2 D/A转换器的基本原理 倒T型电阻网络D/A转换器
7.1.3
7.1.4 7.1.5
D/A转换器的主要技术指标
vI
Rf
o
vL
Ch
t
Ri
vI
T A
vo o
vo vI
t
vL
o t
7.2.2 并行比较型A/D转换器
基本原理：
vI
1 0 t
vI
11 10 01
00 t
3位并行比较型A/D转换器
VR EF R 13 V 1 5 R EF R 11 V 1 5 R EF R C5 R C4 R C3 R 3 V 1 5 R EF R 1 V 1 5 R EF R /2 C1 C7 C O7 Q7
集成优先编码器——74148（8线-3线）
输 入 输 出
EI 1 0
I0 × 1
I1 × 1
I2 × 1
I3 × 1
I4 × 1
I5 × 1
I6 × 1
I7 × 1
A2 1 1
A1 1 1
A0 1 1
GS EO 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0
× × × × × × × 0
× × × × × × 0 1
. . .
Dn-1 D1 D0
A DC 取 样保 持电 路 输 入模 拟电 压 取 样展 宽信 号
数 字量 输出 （ n位 ）
二． 取样—保持电路 电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:
当vL为高电平时，T导通，vI经Ri和T向电容Ch充电。vO=－vI=vC。
当vL返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。
D/A转换器应用举例 D/A转换器的主要技术指标
7.1.1
D/A转换器的基本原理
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的 模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量， 从而实现数字/模拟转换。
v o/ V
D0 D1
7 6 5 4 3 2 1 0 0 00 0 01
. . .
D n-1 输入
vG
& CP
...
TC
工作原理：
（1）准备阶段 计数器清零， 积分电容放电， vO=0V。
（2）第一次积分阶段
Qn (a )
v s1
(b )
0
t1
+ vI
t
0
t
vo
(c ) 0
T1
T2
V R EF
t
t=0时，开关S1与A端 接通，输入电压vI加到 积分器的输入端。积分 器从0开始积分：
vp
vc
(d )
× × × × × 0 1 1
× × × × 0 1 1 1
× × × 0 1 1 1 1
× × 0 1 1 1 1 1
× 0 1 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 0 0 0 0 0
D/A 转 换 器 D0 D1 D2 D3
V REF
Q0
Q1 Q2 Q3 数据寄存器
控制 逻辑 Q0 Q1 Q2 Q3
移位寄存器
9 设： v 10 16 V REF ＜ I ＜ 16 V REF
8 12 16 16
D0
V V REF
REF
3． 逻辑电路
D1 D /A 转 换器
vO '
V REF 2
1D C1 1D C1 1D C1
I7
C6
CO6
Q6
I6
CO5
Q5
I5 优 先 I4 编 码
D 2 (M S B )
CO4
1D C1 1D C1 1D C1 1D C1
Q4
D1
CO3
Q3
I3 器
D 0 (L SB )
C2
C O2
Q2
I2
C O1
Q1
I1
vI
CP
电 压比 较器
寄 存器
代 码转 换器
并行比较型A/D转换器真值表
寄存器状态
Q6
0 0 0 0 0 0 1 1
数字量输出
Q5 Q4 Q3
0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1
Q2 Q1
0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
D2
0 0 0 0 1 1 1 1
D1 D0
0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。
Fra Baidu bibliotek
3. 温度系数——在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。
一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度 系数。
7.2 A/D转换器
7.2.1 A/D转换器的基本原理 7.2.2 并行比较型A/D转换器
总电流： i
(
D0 2
4

D1 2
3

D2 2
2

D3 2
1
)
V REF 2
4
(D R
i0
3
i
2 )
i
输 出 电 压 ： vO i R f
R f V REF 4 R 2
( Di 2 )
i i0
3
将输入数字量扩展到n位，则有：
vO R f V REF n 1 i [ ( D i 2 )] n R 2 i0
D/A转 换器
vo
输出
0 10
0 11
1 00
1 01
1 10
1 11 D
7.1.2
倒T形电阻网络D/A转换器
图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制， 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路； 当Di=0时，Si将电阻2R接地。 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。
可简写为：vO=－KNB
R f V REF 其中： K n R 2
7.1.3 权电流型D/A转换器
为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。 图示为一4位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到
低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。
(L SB ) D0 (M S B ) D3 Rf
vO
1


t
0
t
λ
0
v I dt
vG
(e ) 0
T1
T2
t
由于vO<0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。
经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关 S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为： t=T1=2nTC 第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：
D1
D2
iΣ
A
+
vo
S0 I 16 V R EF
S1 I 8
S2 I 4
S3 I 2
7.1.4 D/A转换器应用举例
DAC0808是8位权电流 型 D/A 转 换 器 ， 其 中
VC C = +5 V 13 （ L SB ）D 0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 5 6 15 7 8 9 10 11 12 16 0 .01 μ F + D AC 0 80 8 2 4 A 5 kΩ Rf 14 R1 5 kΩ VR EF 5 kΩ
一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电
压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。 （2）转换误差——它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输
D0 ～D7 是数字量输入
端。 使用时，需要外接运 算放大器和产生基准 电流用的电阻R1。 当VREF=10V、 R1=5kΩ 、 Rf=5kΩ 时， 输出电压为：
vO
模 拟量 输出
（ M SB ）D 7 数 字量 输入
3 VEE = -15 V
vO
R f V REF 2 R1
8

7
Di 2