第12章 模数与数模转换电路

3. 双极性输出型DAC
实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号 转换为对应的模拟信号，此时就需要使用双极性输出型DAC。
第12章 模/数与数/模转换电路
12.2.2 一. 转换精度
D/A 转换器的性能指标
分辨率 表征DAC的理论转换精度。
转换误差 表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。 1. 分辨率
第12章 模/数与数/模转换电路
2. 工作原理 一. 权电阻网络DAC R 1. 电路结构 uO RF i ( I 3 I 2 I1 I 0 )
2
VREF I3 d3 R VREF I1 2 d1 2 R
10 10 10 10
VREF I2 d2 2R I0 VREF d0 3 2 R
uO k ( Di 2 i )
例如： (1101)2 1 23 1 22 1 20 8 4 1 13 输出模拟电压实际是不连续的，而是由一系列“台阶电压”组成。
其最小单位就是输入“00…01”所对应的模拟电压大小，就 是比例系数 k 的大小。 uO/V 7 MSB：输入n位二进制数 6 5 的最高位； 4 LSB：最低位； 3 2 FSR：最大输入数字量 1 “11…11”。 001 010 011 100 101 110 111 D
111 110 101 100 011 010 001 000 7=7/8 V 6=6/8 V 5=5/8 V 4=4/8 V 3=3/8 V 2=2/8 V 1=1/8 V 0 = 0 V
模拟 二进制 代表的 四舍五入法 信号 代码 模拟电压
1V 13/15 V 11/15 V 9/15 V 7/15 V 5/15 V 3/15 V 1/15 V 0V
第12章 模/数与数/模转换电路
12.1 概述 12.2 D/A转换器
12.3 A/D转换器
12.4 本章小结
数字电子技术基础
第12章 模/数与数/模转换电路
12.1
模数转换器
概述
（Analog - Digital Converter），简称A/D转换器、ADC
模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电 信号到数字电信号的转换。
第12章 模/数与数/模转换电路
12.3
12.3.1
模拟信号
A/D 转换器
D/A 转换原理
数字信号 A / D转换器 （模数转换器） （ADC）
★ 直接ADC 通过一套基准电压与取样保持信号相比较，从而直接转换为 数字量。一般而言，转换速度较快，转换精度与基准电压设定精 度有很大关系。常见的有并联比较型ADC、逐次逼近型ADC 等。 ★ 间接ADC 将输入的模拟信号首先转换为与其成正比的时间或频率，然 后再以某种方式将中间量转换为数字量，也常称为计数式ADC。 可实现很高的转换精度，但转换速度往往不如直接ADC。常见 的有双积分型ADC（V-T 变换型）、V-f 变换型ADC等。
数模转换器
（Digital - Analog Converter），简称D/A转换器、DAC
数模转换器一般属于系统的后级电路，完成数字电 信号到模拟电信号的转换。
第12章 模/数与数/模转换电路
12.2
12.2.1
D/A 转换器
D/A 转换原理
n 1 i 0
d0 d1
… dn-1
DAC
uO或iO
第12章 模/数与数/模转换电路
现在常用的集成DAC器件从内部组成上区分，有两大类： ★ 内部只包含电阻网络（或恒流源网络、电容网络等） 和电子开关。 使用时需要外接运算放大器和参考电压源，其转换 速度相对较慢，建立时间比第二类大一些。同时，要选 用高稳定度的参考电压源和低漂移高精度的运算放大器， 以降低转换误差。 ★ 另一类内部还集成了运算放大器和参考电压源发生器。 使用更方便，转换速度也更快。
第12章 模/数与数/模转换电路
三. 其他类型DAC
1. 权电流型DAC
电路结构与权电阻网络DAC类似，内部使用多个恒流源， 其大小依次为前一个的一半，从而构成“权结构”。
2. 权电容型DAC
仍采用权电阻网络DAC类似的电路结构，但用多个电容替 代了权电阻网络中的各电阻，且电容大小仍满足“权结构”。
10 10 10 10
第12章 模/数与数/模转换电路
二. 倒 T 形电阻网络DAC 1. 电路结构
0 1
01
01
01
R
R
R
R
第12章 模/数与数/模转换电路
2. 工作原理
外接电压VREF 输出的总电流：
VREF I R VREF uO R i 4 (d 3 23 d 2 22 d1 21 d 0 20 ) 2
1 V 量化单位 △ 8 输出 n 位数字信号“00„01”对应的输入模 拟电压，是量化的最小数量单位。
t
第12章 模/数与数/模转换电路
量化方式与量化误差
模拟 信号
1V 7/8 V 6/8 V 5/8 V 4/8 V 3/8 V 2/8 V 1/8 V 0V
二进制 代表的 舍去法 代码 模拟电压
1
O O 1 1
1
O 1 O 1
第12章 模/数与数/模转换电路
3. 器件特点
并联比较型ADC的最显著优点是转换速度快，转换时 间纳秒（ns）级，并且，如果增加输出代码位数，对转换 时间的影响很小。 转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细（即 △越小），精度越高。此外，转换精度还受分压电阻和外 接参考电平的精度、电压比较器的灵敏度的影响。
第12章 模/数与数/模转换电路
二. 转换速度（建立时间）
DAC的转换速度通常用建立时间来描述，指从数字信号 输入DAC开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整 个转换过程所需要的时间。 建立时间 tset 的定量：
从输入数字量发
生突变开始，到输出 模拟量进入与稳态值 相差±(1/2)LSB 范围 以内的这段时间。
0
0
0
0 1 0 1 0 1 0 0
0
0 0 0 1
1
0
第12章 模/数与数/模转换电路
代码转换表
uI
1 ) VREF 15 1 3 ( ~ ) VREF 15 15 3 5 ( ~ ) VREF 15 15 5 7 ( ~ ) VREF 15 15 7 9 ( ~ ) VREF 15 15 9 11 ( ~ ) VREF 15 15 11 13 ( ~ ) VREF 15 15 13 ( ~ 1) VREF 15 (0 ~
DAC输入的最小有效数字“00…01” MSB 1 分辨率 和最大有效数字“11…11”分别对应 FSR 2n 1 的输出模拟量的比值，即MSB和 FSR对应的输出模拟量的比值。 n 位DAC器件，常常直接把 VREF n”或者“n位”称为分辨率。 1 “ 2 n VMSB 1 2 例如：8位DAC的分辨率就是 n VFSR VREF 2 1 n 255，或者8位。 ( 2 1 ) 2n
第12章 模/数与数/模转换电路
一. 权电阻网络DAC 1. 电路结构
3. 器件特点
优点： 电路结构简单； 转换速度也比较快。 缺陷： 电路中电阻大小各不相 同，且差异很大，转换器 位数越大，这种差异就越 大。权电阻的阻值精度直 接限制了转换精度。同时 不利于集成化。 电子开关的导通电阻和 导通压降都会影响转换精 度和转换速度。
第12章 模/数与数/模转换电路
2. 量化和编码
uI
111 110 101 100 011 010 001 000 7 6 5 4 3 2 1 0
1V 7/8 V 6/8 V 5/8 V 4/8 V 3/8 V 2/8 V 1/8 V 0V
输入0～1V
输出3位代码
111 110 101 100 011 010 001 000
第12章 模/数与数/模转换电路
一. 转换精度 2. 转换误差
由于DAC电路内各环节不可避免地存在与理论性 能不一致的差异，因此实际的输出模拟量和理论输出 量之间存在一定误差，这种误差的最大差值称为DAC 的转换误差。 转换误差是一个综合性的静态指标，它通常包括 比例系数误差、非线性误差、漂移误差等多个成分， 这些误差的绝对值之和，就是DAC的转换误差大小。
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 d2 d1 d0
O O O O O O O O O O O O O O O O O 1 O O 1 O 1 O O O 1 O 1 O
O
O O O 1
O
O O 1 1
O
O 1 1 1
O
1 1 1 1
1
1 1 1 1
1
1 1 1 1
1 O
1 1 1 1 1 1 1 1
uO
DAC
C
★ uL 有效时，开始 (LSB) (MSB) 转换，寄存器的最 高位置1，输出为 逐次渐进 转换控制 10…0，并被DAC转 寄存器 信号uL 换为对应的模拟电 ◆ 如果uO > uI ：则去掉对应的1； 压uO，送入电压比 较器C，与uI 比较。 ◆ 如果uO > uI ：则保留对应的1。
R VREF VREF VREF VREF uO ( d3 d 2 2 d1 3 d 0 ) 2 R 2R 2 R 2 R VREF 4 ( d 3 2 3 d 2 2 2 d 1 21 d 0 2 0 ) 2
VREF VREF n 1 n 2 1 0 uO n (d n1 2 d n 2 2 d1 2 d 0 2 ) 4 Dn 2 2
取样定理
fS ≥ 2 fImax
在取样间隔内 完成对应的量化和 编码，输出对应的 数字信号。
uI
f S (3 ~ 5) f Imax
t
第12章 模/数与数/模转换电路
取样-保持电路
★ 取样过程 取样脉冲 S(t) = 1期间： uI VT uC A uO
C
VT导通，输入模拟信号uI (t)经 S(t) VT向电容C充电。 电容的充电时间常数远小于取样脉冲脉宽，则电容电压uC (t) 在取样期间完全可以跟上输入信号uI (t)的变化，uO (t) = uI (t) 。 ★ 保持过程 取样脉冲 S(t) = 0期间： VT截止，则电容电压uC (t)将保持为前一个瞬间uI (t)的数值， 相应的输出信号也保持为该数值不变，直到下一次取样时刻的 到来。
第12章 模/数与数/模转换电路
一. A / D 转换原理 取样 保持 量化 编码
模拟信号
数字信号
u I ( t)
u I ( t)
量化编码 电路
dn-1 d1
…
d0
取样保持 电路
第12章 模/数与数/模转换电路
1. 取样和保持
uI
uS 1
t
uI
t
取样保持 电路
取样 保持
t
第12章 模/数与数/模转换电路
111 110 101 100 011 010 001 000
7=14/15 V 6=12/15 V 5=10/15 V 4=8/15 V 3=6/15 V
2=4/15 V 1=2/15 V 0=0 V
1 V 8
1 1 V 8
2 V 15
1 1 Biblioteka Baidu 2 15
并联比较型ADC的主要缺点是使用的比较器和触发器 太多，并且，随着输出代码位数的增加，数量还会急剧增 加。 综上所述，并联比较型ADC适用于要求转换速度很高， 但转换精度不太高的场合。
第12章 模/数与数/模转换电路
三. 逐次逼近型ADC 1. 电路结构 输入模拟
★ 开始转换前， 先将寄存器。
信号uI
第12章 模/数与数/模转换电路
总 结
① 对工作过程的理解
时间上离散 幅值上离散 取样 保持 幅值归并 量化 量化方式 量化误差 ③ 代码赋值 编码
取样定理 ②
量化编码的 工作区间
最终数字化
第12章 模/数与数/模转换电路
二. 并联比较型ADC
1. 电路结构 2. 工作原理
1 3 VREF uI VREF 15 15
I I I I VREF 1 1 1 1 i d 3 d 2 d 1 d 0 ( d 3 2 d 2 3 d1 4 d 0 ) 2 4 8 16 R 2 2 2 2
3. 器件特点
只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。
倒 T 型电阻网络DAC的转换精度和转换速度，都优于权电 阻网络DAC，许多型号的集成DAC芯片都采用此结构。