自动化学院应用电子教学中心 1 第七章 数 / 模和模 / 数转换器 数字电路与 系统设计

自动化学院应用电子教学中心 2 第七章 模 / 数和数 / 模转换器 7.1 概述 7.2 D/A 转换器 7.3 A/D 转换器

自动化学院应用电子教学中心 3 一. 用途 模拟量 数字量 模拟量 数字量 传感器执行机构 控制对象物理量 Analog - Digital Converter ，简称 A/D 转换器或 ADC 。 温度、压力、流量、 速度等非电量 电信号 Digital - Analog Converter ，简称 D/A 转换器或 DAC 。 7.1 概述

自动化学院应用电子教学中心 4 二. 分类

自动化学院应用电子教学中心 D/A 转换器 一. D/A 转换器的工作原理 D/A 转换器工作原理 权电阻网络 D/A 转换器 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器 权电流型 D/A 转换器 具有双极性输出的 D/A 转换器 二. D/A 转换器的主要技术参数 三. 典型集成 D/A 转换器

自动化学院应用电子教学中心 D/A 转换器工作原理 其中 K 为常数 D/A 转换器的一般结构框图

自动化学院应用电子教学中心 权电阻网络 DAC 一. 电路结构和工作原理

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9 K

10 （ 1 ）优点：电路简单 （ 2 ）缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电 阻不宜于集成在 IC 内部 二. 优缺点

自动化学院应用电子教学中心 倒 T 型电阻网络 DAC 希望用较少类型的电阻，仍 然能得到一系列权电流

自动化学院应用电子教学中心 12 RRR 从各端口向左看去，各端口对地的等效电阻均为 R 。 由于运放 A 工作在线性区，其反相输入端虚地， 故无论开关 S i 接至何种位置，与其相连的 2R 电阻 上端总是接地的，即流经每条 2R 电阻支路的电流 与开关状态无关。

自动化学院应用电子教学中心 13 K

自动化学院应用电子教学中心 14 各支路电流是同时直接流入到运算放大器的 反相输入端，转换速度快、便于集成，是目前 D/A 转换器中使用最多的电路 。

自动化学院应用电子教学中心 权电流型 DAC 用恒流源来代替电阻网络，各支 路权电流不受开关导通电阻和电 压的影响，故转换精度高。

自动化学院应用电子教学中心 具有双极性输出的 DAC 补码输入对应的 十进制 要求的 输出 D2 D1 D V V V 00000V 111-1V V V V 设输入为三位二 进制补码。最高 位为符号位，正 数为 0 ，负数为 1 一. 基本原理

自动化学院应用电子教学中心 17 原码输入对应的 输出 偏移后 的输出 D2 D1 D V+3V 110+6V+2V 101+5V+1V 100+4V0V 011+3V-1V 010+2V-2V 001+1V-3V 0000V-4V 补码输入对应的 十进制 要求的 输出 D2 D1 D V V V 00000V 111-1V V V V D/A * 将符号位反相后接至高位输入 * 将输出偏移使输入为 100 时，输出为 0 1

自动化学院应用电子教学中心 18 二. 电路实现 0 0 0

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自动化学院应用电子教学中心 将符号位反相后接至高位输入 V

自动化学院应用电子教学中心 将符号位反相后接至高位输入 V

自动化学院应用电子教学中心 将符号位反相后接至高位输入 V 输入 d 2 d 1 d 0 为补码，输出 u o 为对应的正负极性的电压。 补码输入对应的 十进制 要求的 输出 D2 D1 D V V V 00000V 111-1V V V V

自动化学院应用电子教学中心 DAC 的主要技术参数 一. 分辨率（理论精度） （ 1 ）定义：分辨率为 D/A 转换器对输入量微小变化 的敏感程度的描述。 （ 2 ）表示方法 1) 用输入数字量的二进制数码位数给出 2) 用输入数字量中最低位（ LSB ） d 0 变化所引起 的输出电压变化量与满刻度输出电压之比给出

自动化学院应用电子教学中心 24 二. 转换误差（实际精度） 用最低有效位的倍数来表示；有时也用绝对误差与 输出电压满刻度的百分数来表示。

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自动化学院应用电子教学中心 27 解： (1) (2) 例 位倒 T 型 DAC 中，若保证由 U REF 偏差 引起的误差小于 0.5LSB ，试求 U REF 的相对稳定度。

自动化学院应用电子教学中心 28 （3）（3）

自动化学院应用电子教学中心 29 三. 转换时间 （ 1 ）建立时间 t S -- 输入数据变化量是满度值（输入 由全 0 变为全 1 或全 1 变为全 0 ）时，其输出电压量 达到距终值 0.5LSB 时所需的时间。 （ 2 ）转换速率 S R -- 输出电压的变化率 。

自动化学院应用电子教学中心 典型集成 DAC 1. DAC 位 DAC 两级缓冲 倒 T 型电阻网络 DAC 电流输出，需外接运 算放大器

自动化学院应用电子教学中心 31 DAC0832 的典型应用接线图

自动化学院应用电子教学中心 DAC 位 DAC 两级缓冲 三个寄存器： 8 位、 4 位、 12 位 电流输出，需外接运 算放大器

自动化学院应用电子教学中心 A/D 转换器 一. A/D 转换器的工作原理 A/D 转换器工作原理 并联比较型 A/D 转换器 逐次渐近型 A/D 转换器 双积分型 A/D 转换器 Σ-Δ 型 A/D 转换器 二. A/D 转换器的主要技术参数 三. 典型集成 A/D 转换器

自动化学院应用电子教学中心 A/D 转换的基本原理 A/D 转换器的一般框图

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自动化学院应用电子教学中心 36 一. 采样保持电路 （ S/H 电路 Sample-Hold ）

自动化学院应用电子教学中心 37 二. 量化和编码 1. 量化：将取样电压表示为最小数量单位（ Δ ）的整数倍 2. 编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二 - 十进制） 3. 量化误差：当采样电压不能被 Δ 整除时，将引入量化误差 最大量化误差 =  = (1/8)V 最大量化误差 =  /2 = (1/15)V

自动化学院应用电子教学中心 并联比较型 ADC 一. 工作原理 量化

自动化学院应用电子教学中心 39 输入 → 量化 → 编码

自动化学院应用电子教学中心 40 二. 电路特点 （ 1 ）快， CP 触发信号到达到输出稳定建立只需几十 ns （ 2 ）精度，受参考电压、分压网络等因素影响 （ 3 ）有存储器，不需要 S/H 电路 （ 4 ）电路规模， n 位需要 2 n -1 比较器，触发器。。。

自动化学院应用电子教学中心 逐次渐近型 A/D 转换器 电路不太复杂 转换速度较快 反馈比较型 一. 工作原理

自动化学院应用电子教学中心 位： 5 个 CP n 位 : ( n+2) 个 CP 二. 实现电路

自动化学院应用电子教学中心 双积分型 A/D 转换器 先将 U 转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间 内用固定频率脉冲计数 一. 工作原理

自动化学院应用电子教学中心 44 设 U I 为 T 1 时间内 u I 的平均值 u I >0 u O <0 u P =1 开始 计数 积分 结束

自动化学院应用电子教学中心 45 电路将输入电压的平均值 U I 转换 成了中间变量时间间隔 T 2

自动化学院应用电子教学中心 46 设第二次积分阶段计数器 所计 CP 脉冲的个数为 λ ，则 λ 正比于 U I 计数器第二次的计数结果 Q n-1 …Q 0 即 A/D 转换后的输出数字量 d n-1 …d 0

自动化学院应用电子教学中心 47 二. 电路特点 （ 1 ）性能稳定，转换精度高 （ 2 ）电路不含 DAC ，结构较简单； （ 3 ）输入端使用积分器对交流噪声有很强的抑 制能力，抗干扰能力强。 （ 4 ）转换速度较低，约几十 ms 。

自动化学院应用电子教学中心 Σ-Δ 型 A/D 转换器 一. 基本原理 积分器、比较器和 D/A 转换器构成 Σ-Δ 调制电路，用 来将连续的模拟信号转换为一个已调制的位串 。 Σ-Δ 型 A/D 转换器结构框图

自动化学院应用电子教学中心 49 当积分器的输出 u B >0 时，比较器的输出 u C =1 ； u B ≧ 0 时， u C =0 。比较器将积分器的输出进行了量化，得 到一个串行的数据流即位串。 u C =1 时， D/A 转换器的输出 u D =U REF ； u C =0 时， u D =-U REF 。

自动化学院应用电子教学中心 50 设 u I =0.6V ， U REF =1V ， u B 和 u D 的初始电压为零， 则可得各点采样输出结果如表所示。 采样采样（V）（V） (V)

自动化学院应用电子教学中心 51 设 u I =0.6V ， U REF =1V ， u B 和 u D 的初始电压为零， 则可得各点采样输出波形如图所示。 式中 m 1 为 1 的个数， m 2 为 0 的个数

自动化学院应用电子教学中心 52 二. 电路特点 （ 1 ）电路简单，不需要有采样 - 保持电路，易于 集成 。 （ 2 ）采用过采样频率，且闭环负反馈回路有噪 声抑制作用，其信噪比远大于其他 A/D 转换器。

自动化学院应用电子教学中心 ADC 的主要技术参数 一. 转换精度 1. 分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，表 征 A/D 转换器对输入信号的分辨能力。 2. 转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出， 表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字 量之间的差别。 二. 转换速度 -- 取决于电路结构类型 并联比较型： <1uS 逐次逼近型：几 ~100uS/ 次 双积分型：几十 mS/ 次

自动化学院应用电子教学中心 典型集成 ADC 1. ADC0809 ◆ 8 位逐次渐近型 ADC ◆ 8 路模拟通道输入 ◆三态输出锁存缓冲器

自动化学院应用电子教学中心 AD574A ◆ 12 位逐次渐近型 ADC ，也可用作 8 位 ADC ◆输入模拟电压可以是单极性、双极性

自动化学院应用电子教学中心 MC14433 ◆ 3+1/2 位双积分型 ADC ◆速度较慢 ◆ BCD 码数据输出

自动化学院应用电子教学中心 57 本章小结 （ 1 ）本章主要内容 本章主要介绍数 / 模转换和模 / 数转换的基本原理、 主要技术指标及几种常用集成电路。

自动化学院应用电子教学中心 58 （ 2 ） D/A 转换原理 D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正 比的模拟电量。 倒 T 型电阻网络型 D/A 转换器中，电阻网络只 有 R 和 2R 两种阻值的电阻，适合集成工艺，因此 在集成 D/A 转换器中应用得较多，如 DAC0832 。 权电流型 D/A 转换器中由于使用了恒流源，因此 具有精度高、转换速度快的优点，在双极型单片 集成 D/A 转换器中用得较多。

自动化学院应用电子教学中心 59 （ 3 ） A/D 转换原理 A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比 的数字量。 并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最 快，但价格贵；双积分型 ADC 属于间接转换型，其 速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也 属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适 中，因而被广泛采用。 Σ-Δ 型 A/D 转换器采用过采样 频率，不仅取得了高精度，还能平滑模拟输入电压 的噪声，在数字音频领域得到了广范应用。

自动化学院应用电子教学中心 60 （ 4 ） A/D 转换要经过采样 - 保持和量化与编码两 步实现。 采样 - 保持电路对输入模拟信号抽取样值，并 展宽 ( 保持 ) ；量化是对样值脉冲进行分级，编码 是将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟 信号采样时，必须满足采样定理：采样脉冲的频 率 f S 必须大于输入模拟信号最高频率分量的 2 倍。 这样才能不失真地恢复出原模拟信号。

自动化学院应用电子教学中心 61 （ 5 ） DAC 和 ADC 的主要技术指标 分辨率和转换精度都与转换器的位数有关，位 数越多，分辨率和精度越高。基准电压 U REF 是重 要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是 在 A/D 转换中，它的值对量化误差、分辨率都有 影响。一般应按器件手册给出的范围确定 U REF 值， 并且保证输入的模拟电压最大值不大于 U REF 值。

自动化学院应用电子教学中心 62 （ 6 ）学习方法 从电路基本原理入手理解不同类型 DAC 和 ADC 的优缺点、性能指标及应用场合。 分析电路结合模拟电路的相关知识。

自动化学院应用电子教学中心 63 第七章 THE END 数字电路与 系统设计