数电-第七章 DA转换器和AD转换器

R R
5 UR3= 14154UURREEFF
R 3R
UR2= 11434UURREEFF
R
1R
UR1=
141 14
UREF UREF
R
R2
2
C7
0
0 FF7 Q7
111
uI uI
第三节 A/D转换D器0 D1 D2
uI
三、并行比较型A/D转换器
C6
0
C5
0
C4
0
0 FF6 Q6
分压器组 FF5 比较器组 1 Q5
转换时间：完成一次转换所用的时间。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
五、 A/D转换器的主要技术参数
转换速率：每秒转换的次数。 转换速率与转换时间不一定是倒数关系。 例如：
两次转换过程允许有部分时间的重叠， 因而转速率大于转换时间的倒数，这称作 管线（pipelining）工作方式。
二、转换过程
第二节 D/A转换器
右图所示的电路中，设 UREF
n=4, UREF =－10V, R=100kΩ, Rf=8kΩ, 输 入 二 进 制 数 码
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Rf
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
1
01
01
01
01
0
S3S2S1S0 为 1011 。 试 问 运 算
Dn-1
Dn-2
Di
001
但0 需要使用化把方标大式准量，电的利压比用U较R电EF器阻分分。成压8
段（量化阶梯）编，码位器数
000
越多，精度越高。
CP
第三节 A/D转换器 取并行比较型速度快与串行
四、串行比较型比A较/D型转结换构器简单之优点，构成了
串行比较型A折/D中转方换案器—让—模并拟-信串号比依较时型间A/顺D转序通过一连 串比较器，后面比换较器器。的输入信号反映了前面比较器的剩余。
t
间间隔TS取出信号的一个值，只要 f *(t)
T率S≤），2这1（fm些fm取为样信值号就频可带以中无的损最失高频地
7 6 5 4 3
2
表达原模拟信号。
1
O 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7TS 8TS
t
取样信号
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路
由于对模拟量进行量化的 过程需要一定的时间，所以为 保证转换精度，在转换（即量 化）时间内应使取样点的函数 值保持不变。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
四、 A/D转换的基本原理
A/D转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号 的编码过程。 数字D永远不能精确地表
若模拟参示一被个考测最量物小为体 砝R质 码，m量m则minx的输，精而出度只数去能字逼以量D和输入模拟量A之 间的关系为近D。≈ A/R
R（UREF）
分辨率：通常指D也/A就转是换最低器有输效入位数LS字B所的对二进制位数。
应的模拟量 ，记作RLSB 。
满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。
显然位数越多，D/A转换器所能输出
大值非称线为性非误线差性误：差在的 分。辨最满率小量是模程统拟范一量围的值。也内有越偏时小离对，理二因想者而不分转加辨换区力特分与性。的最
IREF 2/ RIREF R
R
R
UREF
2/ IR2EFR
2R
2R
2R
2R 2R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
01
01
0
虚i 地
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
对地电
阻为2R
IREF值i，U从R与RE而IF权2R克电EnF服阻uo了n网i0权1络D电相iRi阻比f2网，i ,络R-U阻2R2R值电EnDFR多阻Ri、f网ni阻络01(值中0D差,i只12别i有),大R、的D2缺Ri 点两。(种0,阻1)
UREF
高位比较器列 a a位高位比较
器
a
输
出
a+b
寄
DAC
UR1 2a放大 UII
b位低位比较 器
首b 先存器在高位比较器
列上实现高a位A/D转换，
uI
转换结果一方面作为高
低位放比大较器器的列输转出换U出换II低由器b另上一将方已面转加换位到的输a高位出位D。数/A字转
位数字，并与高位数还字原为模拟电压，再与输入
C3
0
uI

5FFU3 REF
14 1 Q3
C2
1
0 uI

3FF2UREF 14 Q2
LSB
C1
1
uI
1FFU1 REF
LS1B4 /2Q10
模0R1拟10转方输换案入电器中压0 范差会u的是I 0围都超转最内是过换高1，一(1速的/它样14率。的的)采DU0在最 ，0R用E大即所F有二。量永有进舍制化远A有数误不/入输D出转的量换
1
Rd
G3
G2
G1
FF1 Q0A
FF2 QB10
FF3 QC01
FF4
QD
0
FF5
QE
01
第五 个时钟脉 冲到来时。
第二节 D/A转换器
一、权电阻型D/A转换器
UREF
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
0 1 01
0
i
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
uO i iiRininnf0121Di UD2RRiEnRF1f2URUURUR2R2EERRnFFRnREE1niF2niF0101DDi 2ii,2i , Di D(0,i1) (0, 1)
若max{A}=R 则0≤D≤1
即数字量D是一个不大于1的n位二进制数。这里将D按权 展开成多项式：
D = a-12－1 + a-22－2 + … + a-n2－n , ai∈(0, 1)
实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
A

DR

R 2n
(a1 2n1
CP
第三节 A/D转换器
六、逐次比较型A/D转换器
补偿电压=（1/2）LSB=0.5V
第第二三 4.5.V5V 56V
个冲个 冲时到时到钟来钟来脉时脉 时。。
CO 1 uI < uO 0 uI > uO
uO
CO
uI(t)
CO
001
1
Q3
4.9V
Baidu Nhomakorabea
3位码DAC电路
10
01
Q2
Q1
G4 D012 G5 D01 G6 D010
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
三、 D/A转换器的主要技术参数
转换精度：通常以满量程相对误差来说明D/A转换器 的转换精度。
(u)max
2n U LSB
(Δu)max为最大绝 对误差。
建立时间：从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定 所需要的时间。
建立时间决定了D/A转换器输出信号
温度系数：在规定范所围能内达，到温的度最小变重化复1周℃期时。，增益、 线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系 数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。
时间上和量值上都连续
模拟信号
时间上和量值上都离散
数字信号
取 样 时间上离散的信号
保持、量化
编 码 量值上也离散的信号
A/D转换过程：取样、保持、量化及编码。
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路
模拟信号
f(t)
所谓取样就是将一个时间上连 续变化的模拟量转换为时间上离散 的模拟量。
根据取样定理，每经过一定时 O
数字量是不能连续取值的。
模拟量
处理后的数
被控对象
执 字信息
行
传
机
感
构
电压、电电数流的字或模信频拟号量
器
率等电量
数字系统
D/A
A/D
转
转
换
换
实际场景
照片
模拟信号
A/D转换
数字信号
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
二、D/A转换的基本原理
要将模拟量A转换为数字量D，需要一个模拟参考量
R ，使得
A = DR
这种暂时保持由瞬时取样 得到的模拟信号的电路，就是 取样—保持电路。下图是一种 常用的取样—保持电路。
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路 R2
在取样脉冲S（t）持续时间
tw内 ，T导通。输入信号uI经开
关T对电容C进行充电。只要充 电时间常数远小于取样信号S uI
R1
T
+-
C
∞
（t）的持续时间tw，则输出信 号uO就能跟踪输入信号uI的变 化。 当取样脉冲结束，即在TS-tw
A/D转换类
A
A/D转换器
D 似用天平
测量质量
A/D转换
mmXXX 质量天平仪
mmin
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
mmin称为量化单位。无论mmin多小，总不能是无穷小， 由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。
量化误差是不能消除的。
D
但A/D转换得出的数字量可以
提供较模拟量更多的有效数字，
第七章 D/A转换器和A/D转换器
第一节 D/A和A/D转换的基本原理 第二节 D/A转换器 第三节 A/D转换器
小结
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
一、模拟量、数字量以及二者的相互转换 数字控制
连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可系以统连框续图取
值的。有规律但不连续的变化量称为数字量，也连叫续离变散化量的。
3.5V 4V
例：uI(t)=4.9V
uO uI(t)
1 CO
0 CO
CO
0
4.9V
uI < uO uI > uO
1
Q3
3位码DAC电路
0
0
Q2
Q1
模数为
G4
D0 2
5的环型计 数器。
G5 D0 1
G6 D0 0
0 FF1 1
QA
Rd
G3
G2
G1
FF2 0 QB
FF3 0 QC
FF4 0 QD
FF5 0 QE
D3
D2
D1
D0
UREF C3
C2
C1
DAC
DAC
DAC
UR3
uY3
UR2
uY2
UR1
uY1
uI
uX3
uX2
uX1
由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种方 案的转换速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D转换器， 串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。
第三节 A/D转换器
五、并-串比较型A/D转换器
0 FF4 Q4
1103/14UREF＜uI ≤ 5/14UREF
R8
uI
01 011假是0 定在0 被(01/转70)U换0 R的EF时模的拟0 1值输0 。
110001101乎1是0 参由同uuuuIIII考(（(模0于时电11例在间(化//最拟压171各的：/)4的误(1U其初电1)4个，U入变表求当/R值差)1中和压ERU4电化模输比所FE和不)R1，6最从F3U4E压。拟出。段较以(会UFR另末01RE，取输u的因间到/EDD超01F7器并F外I）21，触的器在)因入3数此隔UU过u位两为的行(R发同组0IR此u字，为3E(～E二段由I/1F工比1器步。的F1，5量输整/4最U41进间7U组寄数)4作较最。R入个个RU多)E制E隔F成存字RFU大D过型相范E，数R输F量E之程A差围代F出。/内几D。
∞
10
压比较器就成了A/D转换器中重要 uX
D
部件。
UREF
+
比较器的输出为
D

0 1
uX UREF uX UREF
uI
UURREEFF
R
UR7=
1133 1144
2
UURREEFF
R
UR6=
1111 1144
UURREEFF
R
UR5=
99 1144
UURREEFF
R
UR4= 174174UURREEFF
使得数据处理的总体精度大大
提高。
LSB
O
A
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
五、 A/D转换器的主要技术参数
分辨力：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。 分辨率：A/D转换器的二进制位数。
量化误差：量化误差通常是指1个LSB的输出变化所 对应模拟量的范围。
转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化 误差，而是由多种因素决定的。 A/D转换器的转换精度一 般表示为γ±nLSB。

a2 2n2

an 20 )
A

DR

R 2n
( Dn1 2n1

Dn2 2n2

D0 20 )
A
注意，A虽是模拟量，
但并不能取任意值，而只
能根据输入量D得到某些特
定值。
O LSB
D/A转换特性
D
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
三、 D/A转换器的主要技术参数
分辨力： D/A转换器输出最小模拟量的能力。
一同输出。
模拟电压作减运算，并将其
差值放大至2a倍。
二、转换原理
输出 数 字量D
Ui
UA 转D换/A器

＋ ＋
－
D 寄数存码器
“1”状态 控 是否保留 制
逻 辑
寄移存位器
移位 命令
时钟
第三节 A/D转换器ADC逐工次作比原较理型也可
六、逐次比较型A/D转换器
用天平测量质量来 比照。
补偿电压=（1/2）LSB=0.5V
D1
D0
uO
放大器输出电压是多少？
解：
3
u O


Rf U REF R
Di 2i

810 (23 100

21
1)V

8.8V
i 0
权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大, 特别是当分辨率较高时, 电阻值的范围会大得难以实现。
第二节 D/A转换器
二、R-2R 网络型D/A转换器
时间内，场效应管T关断，因而
SSS(t(()tt))
+
1
电容器上电压uC无泄放回路， S(t) 0
保持不变，则uO=-uC也保持不 变。
tW
TS-tW
uO uO= -u
第三节 A/D转换器
二、A/D转换器的关键部件——比较器
A/D转换的过程就是用模拟量A
与参考量R比较的过程，因此，电 uX UREF