电子教案数字电子技术第七章AD与DA转换器20
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•UI2 •UI1 •UI0 •ADDA •ADDB •ADDC •ALE •D7 •D6 •D5 •D4 •D0 •-VREF •D2
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•A/D转换器的种类很多，但从转换过程看可以分为两大类：
•
并联比较型
•A/D转换器 直接型 反馈比较型 计数型
•
逐次渐进型
•
间接型 电压时间变换（U-T）型积分型
•
电压频率变换（U-F）型
•直接型特点：工作速度高，调整较方便。
•间接型特点：速度较慢，但精度可以做得较 高，且抗干扰性强。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•（1）采样、保持
• 到底采多少个点或者说隔多长时间采样一次，应 以采样后的信号能不失真地反映原来的信号。对于一 个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频 率为
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•其中fs为采样频率，fimax为输入模拟信号的上限值。 通常选择采样频率fs=（2.5—3）fimax，应该是采样频 率越高越好，但要付出代价，如外接的存储器的容量要
•比，即分辨率=
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
• 输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实 际应用中，常用字量的位数表示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与最大输出电 压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示 为 1/（2n-1）。
•例如，n=10的D/A转换器的分辨率为 1/1023=0.000987
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•那么怎样才能实现这一关系呢？ •我们把二进制数D按位权展开即： •D=dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+……+d1*21+d 0*2 0 •A=K（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+……+d1*21+d 0*2 0） •这就是D/A转换器的转换特性表达式。 •从转换特性表达式可看出，实现D/A转换的组成部分如下： • 1）求和运算放大器：实现求和。通常接成反相比例求
•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。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•3、D/A转换器的分类 •根据译码网络的不同
• • •
权电阻网络型 T型电阻网络型 倒T型电阻网络型 •权电流型
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•2.集成D/A转换器
• 以国产5G7520为例，n=10。采用倒T型电阻译码 网络和CMOS模拟电子开关。反馈电阻RF=10K已集成在 片内，求和运算放大器A，基准电源（-10V—+10V）及 模拟开关的电源（+5V—+15V）均需外接。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•若Um=5V，则ULSB=5* 0.000987 =5mV。 •分辨率还可以直接用输入数字量的位数来表示。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•（2）转换误差——绝对误差和非线性误差
•绝对误差——输入端加满刻度的数字量时，D/A 转换器输出的理论值与实际值之差，一般来说， 绝对误差应低于USLB/2。其影响因素主要有电子开 关导通的电压降、电阻网络阻值偏差、参考电压
偏离、集成运放漂移产生的误差。 •非线性误差——在满刻度范围内偏离转换特性的 最大值称为非线性误差。它与满刻度之比称为非
线性度，常用百分比表示。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•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0.1μS。 •（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下 模拟电压的变化率。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•7.2.3 CMOS 模拟电子开关
•1 、要求 在D/A转换器中使用的模拟电子开关 是受输入数字信号的状态控制的，因为传输的是 模拟信号，所以要求模拟开关应接近于理想开关， 其接通和 断开应不影响被传送模拟信号的数值。
•2、 分类
•CMOS电子开关 •双极型电子开关
•结论：3位A/D转换器转换完成用了5个CP脉冲，n位A/D转 换器用n+2个脉冲。 •优点：精度高，转换速度快，转换时间固定简化了与计算
机同步，所以常常用作微机接口。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•UI3 •UI4 •UI5 •UI6 •UI7 •STAR
T •EOC •D3 •OE •CLK •VCC •+VRE
电子教案数字电子技术 第七章AD与DA转换器
20
2020/11/28
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•7.1 概述
•A/D：模拟信号转换成数字信号，实现A/D转换的电路 称为A/D转换器。
•D/A：数字信号转换成模拟信号，实现D/A转换的电路 称为A/D转换器。
•7.2 D/A转换器 •7.2.1 D/A转换器及主要参数 •1、D/A转换器的输入是数字量，输出是模拟量，输出 模拟量与输入数字量之间应有这样的关系：数字量大， 输出的模拟量也大，数字量小，输出的模拟量也小， 即模拟量和输出量之间应满足如下关系：A=KD
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•
顺序脉冲发生器:依次产生各种重量的砝码。
•控制电路：决定本次所放砝码的取舍。
•组成：•
寄存器：把顺序脉冲发生器和控制电 的二进制数暂时存放起来。
路处理后
•D/A转换器：寄存器输出的数字量转换成模拟量。
•电压比较器：将D/A转换器的输出电压与被 转换的电压进行比较，输出用来控制控制电路。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•还是上一个例子，这种方法产生的最大误差为 1/15V。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•A1 •UI
•UL
•A2 •Ch
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•步骤：
•（1）采样时，使UL为高电平，S闭合，UO=UI， 此时，UCH=UI。
•7.3.2 逐次渐进型A/D转换器
•学习目的：逐次渐进型A/D转换器属直接
型A/D，通过这部分内容的学习，同学们一 要掌握A/D转换器的原理，二要掌握数字时 序逻辑电路的的分析方法，为今后分析和设 计更复杂的电路打基础。
•1、工作原理：类似天平称物体的原理。天平 的一端放被称的物体，另一端加砝码，各砝码 的重量按二进制关系设置，一个 比一个小一半。 称重时，将各种重量的砝码从大到小逐一放在 天平上加以试探，经天平比较加以取舍，一直 到天平基本平衡为止。这样就以一系列二进制 码的重量之和表示了被称物体的重量。
•7.3 A/D转换器
•7.3.1 A/D转换器的步骤及分类
1. A/D转换的一般步骤
2.
模拟信号在时间上是连续的，我们不可能对所有的
时间点的信号进行采样，只能在一系列选定的瞬间（即时
间坐标轴上的一些规定点）对输入的模拟信号采样，将这
些特殊点的模拟量转换成数字量。通常A百度文库D转换须经过采 样、保持和量化、编码这两大步骤完成。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•2、常用的A/D转换器芯片有ADC0809、ADC0804、 AD574A。
•仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D转换器外， 还有8路模拟开关以及地址锁存与译码，有三条地址输入 线ADDA、ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片内还 有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器。
•Uo=-VREF/2n（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+……+d1*21+d 0*2 0）
• 倒T型电阻网络D/A转换器的特点是：（1）模拟开关 在地与虚地之间转换，不论开关状态如何变化，各支路的 电流始终不变，因此，不需要电流建立时间。（2）各支 路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差， 因而提高了转换速度，并减小了动态过程中传输电压的尖 峰脉冲。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•有舍有入的方法是：取最小量化单位 =Um/（2n-1），
•将0—• /2之间的模拟电压归并到0 ， •将 /2— 3/2之间的模拟电压归并到 1， •依次类推，这种方法产生的最大量化误差 为 /2。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•2. A/D转换器的分类
•若d1=0，则 VN2 截止，VN1导通，流过2R的电阻流入地。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•D/A转换器
•8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808， 都属于R—2RT型电阻网络型。刚才所介绍的 AD7520为AD公司的产品。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•只舍不入的方法是：取最小量化单位 =Um/2n， •将0— 之间的模拟电压归并到0 •将 — 2 之间的模拟电压归并到1
•依次类推。这种方法产生的最大量化误差为 。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•例：将0—1V的 模拟电压转换成 3位二进制数。
按前面所讲 •=Um/8。
•这种方法产生的最的误差为1/8V。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•7.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
•1 组 成 及 其 工 作 原 理
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•如果是n位的D/A转换器，则UO的表达式为：
和。 ••23））模译拟码开网关络：：控用制来d实=现0或2 dn-=1…1时..2，0。求和电路的项数。 •4）基准电源：保证系数K的一致性，要求精度高。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•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。电路所能分辨的最小输出电压ULSB（输入的数 字代码最低有效位为1，其余各位都为0）与满刻度输出 电压Um（输入的数字代码的各位均为1）之
•3、 CMOS模拟电子开关
•前面第二章讲双向模拟开关，但 它能够传输的是电压信号，而我们
现在需要传送的是电流信号。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•3.CMOS 模拟电子开关
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•3.CMOS 模拟电子开关
• 若d1=1，则VN1 截止，VN2导通，流过2R的电阻流入反馈电 阻。
•（2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高， Ch上的电压基本保持不变
•（3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合， 电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•（2）量化、编码
• 采样——保持电路的输出信号已成阶梯状，但 阶梯幅值仍是连续可变的。要想变成数字量，就需要 把幅值进行量化，就类似于用尺子去度量一根绳子， 然后取整。量化就是将离散的阶梯幅值转化为某规定 的最小单位的整数倍。量化的方法有两种，一种是只 舍不入，另一种是有舍有入。
大（1024*8，1024*8*2）。 • 由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲， 而要把一个模拟采样信号 数字化需要一定的时间，因 此在前后两次采样之间，应将采样的模拟信号保持下来， 否则采样的模拟信号已发生了变化。可见，进行A/D转 换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。 采样保持电路的电路图如下所示：
•7.3.3 双积分型A/D转换器
• 它属于间接型。基本原理是：通过两次
积分，先把模拟电压UI转换成与之大小相对应 的时间T，再在时间间隔T内用计数频率不变的 计数器计数，计数器所计数字量就正比于输入 模拟电压。
•1
•2
•2
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•UI2 •UI1 •UI0 •ADDA •ADDB •ADDC •ALE •D7 •D6 •D5 •D4 •D0 •-VREF •D2
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•A/D转换器的种类很多，但从转换过程看可以分为两大类：
•
并联比较型
•A/D转换器 直接型 反馈比较型 计数型
•
逐次渐进型
•
间接型 电压时间变换（U-T）型积分型
•
电压频率变换（U-F）型
•直接型特点：工作速度高，调整较方便。
•间接型特点：速度较慢，但精度可以做得较 高，且抗干扰性强。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•（1）采样、保持
• 到底采多少个点或者说隔多长时间采样一次，应 以采样后的信号能不失真地反映原来的信号。对于一 个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频 率为
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•其中fs为采样频率，fimax为输入模拟信号的上限值。 通常选择采样频率fs=（2.5—3）fimax，应该是采样频 率越高越好，但要付出代价，如外接的存储器的容量要
•比，即分辨率=
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
• 输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实 际应用中，常用字量的位数表示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与最大输出电 压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示 为 1/（2n-1）。
•例如，n=10的D/A转换器的分辨率为 1/1023=0.000987
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•那么怎样才能实现这一关系呢？ •我们把二进制数D按位权展开即： •D=dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+……+d1*21+d 0*2 0 •A=K（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+……+d1*21+d 0*2 0） •这就是D/A转换器的转换特性表达式。 •从转换特性表达式可看出，实现D/A转换的组成部分如下： • 1）求和运算放大器：实现求和。通常接成反相比例求
•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。
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•3、D/A转换器的分类 •根据译码网络的不同
• • •
权电阻网络型 T型电阻网络型 倒T型电阻网络型 •权电流型
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•2.集成D/A转换器
• 以国产5G7520为例，n=10。采用倒T型电阻译码 网络和CMOS模拟电子开关。反馈电阻RF=10K已集成在 片内，求和运算放大器A，基准电源（-10V—+10V）及 模拟开关的电源（+5V—+15V）均需外接。
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•若Um=5V，则ULSB=5* 0.000987 =5mV。 •分辨率还可以直接用输入数字量的位数来表示。
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•（2）转换误差——绝对误差和非线性误差
•绝对误差——输入端加满刻度的数字量时，D/A 转换器输出的理论值与实际值之差，一般来说， 绝对误差应低于USLB/2。其影响因素主要有电子开 关导通的电压降、电阻网络阻值偏差、参考电压
偏离、集成运放漂移产生的误差。 •非线性误差——在满刻度范围内偏离转换特性的 最大值称为非线性误差。它与满刻度之比称为非
线性度，常用百分比表示。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•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0.1μS。 •（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下 模拟电压的变化率。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•7.2.3 CMOS 模拟电子开关
•1 、要求 在D/A转换器中使用的模拟电子开关 是受输入数字信号的状态控制的，因为传输的是 模拟信号，所以要求模拟开关应接近于理想开关， 其接通和 断开应不影响被传送模拟信号的数值。
•2、 分类
•CMOS电子开关 •双极型电子开关
•结论：3位A/D转换器转换完成用了5个CP脉冲，n位A/D转 换器用n+2个脉冲。 •优点：精度高，转换速度快，转换时间固定简化了与计算
机同步，所以常常用作微机接口。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•UI3 •UI4 •UI5 •UI6 •UI7 •STAR
T •EOC •D3 •OE •CLK •VCC •+VRE
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20
2020/11/28
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•7.1 概述
•A/D：模拟信号转换成数字信号，实现A/D转换的电路 称为A/D转换器。
•D/A：数字信号转换成模拟信号，实现D/A转换的电路 称为A/D转换器。
•7.2 D/A转换器 •7.2.1 D/A转换器及主要参数 •1、D/A转换器的输入是数字量，输出是模拟量，输出 模拟量与输入数字量之间应有这样的关系：数字量大， 输出的模拟量也大，数字量小，输出的模拟量也小， 即模拟量和输出量之间应满足如下关系：A=KD
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•
顺序脉冲发生器:依次产生各种重量的砝码。
•控制电路：决定本次所放砝码的取舍。
•组成：•
寄存器：把顺序脉冲发生器和控制电 的二进制数暂时存放起来。
路处理后
•D/A转换器：寄存器输出的数字量转换成模拟量。
•电压比较器：将D/A转换器的输出电压与被 转换的电压进行比较，输出用来控制控制电路。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•还是上一个例子，这种方法产生的最大误差为 1/15V。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•A1 •UI
•UL
•A2 •Ch
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•步骤：
•（1）采样时，使UL为高电平，S闭合，UO=UI， 此时，UCH=UI。
•7.3.2 逐次渐进型A/D转换器
•学习目的：逐次渐进型A/D转换器属直接
型A/D，通过这部分内容的学习，同学们一 要掌握A/D转换器的原理，二要掌握数字时 序逻辑电路的的分析方法，为今后分析和设 计更复杂的电路打基础。
•1、工作原理：类似天平称物体的原理。天平 的一端放被称的物体，另一端加砝码，各砝码 的重量按二进制关系设置，一个 比一个小一半。 称重时，将各种重量的砝码从大到小逐一放在 天平上加以试探，经天平比较加以取舍，一直 到天平基本平衡为止。这样就以一系列二进制 码的重量之和表示了被称物体的重量。
•7.3 A/D转换器
•7.3.1 A/D转换器的步骤及分类
1. A/D转换的一般步骤
2.
模拟信号在时间上是连续的，我们不可能对所有的
时间点的信号进行采样，只能在一系列选定的瞬间（即时
间坐标轴上的一些规定点）对输入的模拟信号采样，将这
些特殊点的模拟量转换成数字量。通常A百度文库D转换须经过采 样、保持和量化、编码这两大步骤完成。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
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•2、常用的A/D转换器芯片有ADC0809、ADC0804、 AD574A。
•仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D转换器外， 还有8路模拟开关以及地址锁存与译码，有三条地址输入 线ADDA、ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片内还 有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器。
•Uo=-VREF/2n（dn-1*2 n-1+d n-2*2 n-2+……+d1*21+d 0*2 0）
• 倒T型电阻网络D/A转换器的特点是：（1）模拟开关 在地与虚地之间转换，不论开关状态如何变化，各支路的 电流始终不变，因此，不需要电流建立时间。（2）各支 路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差， 因而提高了转换速度，并减小了动态过程中传输电压的尖 峰脉冲。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•有舍有入的方法是：取最小量化单位 =Um/（2n-1），
•将0—• /2之间的模拟电压归并到0 ， •将 /2— 3/2之间的模拟电压归并到 1， •依次类推，这种方法产生的最大量化误差 为 /2。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•2. A/D转换器的分类
•若d1=0，则 VN2 截止，VN1导通，流过2R的电阻流入地。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•D/A转换器
•8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808， 都属于R—2RT型电阻网络型。刚才所介绍的 AD7520为AD公司的产品。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•只舍不入的方法是：取最小量化单位 =Um/2n， •将0— 之间的模拟电压归并到0 •将 — 2 之间的模拟电压归并到1
•依次类推。这种方法产生的最大量化误差为 。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•例：将0—1V的 模拟电压转换成 3位二进制数。
按前面所讲 •=Um/8。
•这种方法产生的最的误差为1/8V。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•7.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
•1 组 成 及 其 工 作 原 理
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•如果是n位的D/A转换器，则UO的表达式为：
和。 ••23））模译拟码开网关络：：控用制来d实=现0或2 dn-=1…1时..2，0。求和电路的项数。 •4）基准电源：保证系数K的一致性，要求精度高。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•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。电路所能分辨的最小输出电压ULSB（输入的数 字代码最低有效位为1，其余各位都为0）与满刻度输出 电压Um（输入的数字代码的各位均为1）之
•3、 CMOS模拟电子开关
•前面第二章讲双向模拟开关，但 它能够传输的是电压信号，而我们
现在需要传送的是电流信号。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•3.CMOS 模拟电子开关
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•3.CMOS 模拟电子开关
• 若d1=1，则VN1 截止，VN2导通，流过2R的电阻流入反馈电 阻。
•（2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高， Ch上的电压基本保持不变
•（3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合， 电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。
电子教案数字电子技术第七章AD与 DA转换器20
•（2）量化、编码
• 采样——保持电路的输出信号已成阶梯状，但 阶梯幅值仍是连续可变的。要想变成数字量，就需要 把幅值进行量化，就类似于用尺子去度量一根绳子， 然后取整。量化就是将离散的阶梯幅值转化为某规定 的最小单位的整数倍。量化的方法有两种，一种是只 舍不入，另一种是有舍有入。
大（1024*8，1024*8*2）。 • 由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲， 而要把一个模拟采样信号 数字化需要一定的时间，因 此在前后两次采样之间，应将采样的模拟信号保持下来， 否则采样的模拟信号已发生了变化。可见，进行A/D转 换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。 采样保持电路的电路图如下所示：
•7.3.3 双积分型A/D转换器
• 它属于间接型。基本原理是：通过两次
积分，先把模拟电压UI转换成与之大小相对应 的时间T，再在时间间隔T内用计数频率不变的 计数器计数，计数器所计数字量就正比于输入 模拟电压。