第9章 数/模与模/数转换 9.1 概述 9.2 D / A转换器（DAC） 9.3 A / D 转换器（ADC）

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1 第9章 数/模与模/数转换 9.1 概述 9.2 D / A转换器（DAC） 9.3 A / D 转换器（ADC）

2 9.1 概述 9.1.1 A/D与D/A转换的概念 数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁 数字计算机 模拟系统 A/D D/A 二进制
线性 存储 分析 控制 物理 生物 化学

3 9.1.2 A/D与D/A转换的实例 … A / D、D / A 转换器的精度和速度 精度保证转换的准确性 速度保证适时控制 数 四 字
压力传感器 温度传感器 流量传感器 四 路 模 拟 开 关 数 字 控 制 计 算 机 DAC … 模拟控制器 液位传感器 生 产 控 制 对 象 ADC 二进制 信号 物理量 模拟信号 A / D、D / A 转换器的精度和速度 精度保证转换的准确性 速度保证适时控制

4 9.2 D / A转换器（DAC） 9.2.1 D / A转换的基本原理和电路结构 9.2.2 到T型电阻网络D/A 转换器

5 n 位 9.2.1 D / A转换的基本原理和电路结构 二进制 d0 uO或iO d1 一、输入、输出关系框图 DAC …
dn-1 DAC uO或iO 一、输入、输出关系框图 1. D / A转换思路 如 (1101)2 可利用运算放大器实现运算 D uO/V 7 6 5 4 3 2 1 2. 转换特性

6 9.2.2 到T型电阻网络D/A 转换器 1、工作原理 当 d2d1d0 = 100, I = UREF / R R 2R UREF S0
电子 开关 uO 1、工作原理 求和运放 当 d2d1d0 = 100, I = UREF / R

7 当 d2d1d0 = 110, I R 2R UREF uO I / 8 I / 4 I / 2

8 当 d2d1d0 = 111, I R 2R UREF uO I / 2 I / 4 I / 8 表达的一般形式

9 2、输入为 n 位二进制数时的表达式 当 D = dn-1 dn-2 … d1 d0 Ku — 转换比例系数

10 9.2.3 集成D/A转换器 1. 5G7520 的电路结构 参考电压源，可正可负。 5G7520 1 UREF IO1 IO2 d4 2
6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 VDD d3 d2 d1 d0 d5 d6 d7 d8 d9 Rf GND 参考电压源，可正可负。 R IO1 uO

11 uO 从 0  （1023 / 1024）UREF 2. 应用电路 UREF > 0，uO < 0
IO1 IO2 5G7520 2 3 4 16 15 14 13 VDD d0  d9 Rf  1 –VEE R RW1 RW2 RW3 UREF > 0，uO < 0 　　输入从  变化时， uO 从 0  （1023 / 1024）UREF 输出与输入的关系 数码输入 模拟输出 d9 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 uO … – （1023 / 1024）UREF – （1022 / 1024）UREF – （1 / 1024）UREF

12 指 D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。
一、转换精度 ULSB UFSR = 1 2n–1 分辨率= (一)分辨率（Resolution） 　　指 D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。 (二)转换误差 　　为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。 　　可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（LSB）的倍数表示。 　　如: ½ （LSB）= 输入为 00…01 时输出模拟电压的一半。

13 二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 0 变为全 1，或由 全 1 变为全 0）, 输出 电压达到某一规定值所需时间 。 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 s；包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 s。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 换所需时间 上升时间 下降时间 TTR = ts + tr （tf） TTR（max） = ts+ UO（max） / SR

14 三、主要参数 D/A 转换器 5G7520 的主要参数 参数名称 单 位 参数值 分辨率 位 10 非线性度 转换时间 UREF
单 位 参数值 分辨率 位 10 非线性度 转换时间 UREF 全量程的 % ≤ 0.05 % ns ≤ 500 V 电源电压 –25  +25 5  35 功 耗 mW 20 温度系数 FSR  10–6/ºC 电电

15 9.3 A / D 转换器（ADC） 9.3.1 A /D 转换的一般步骤和分类 9.3.2 并行比较型A/D转换器

16 9.3 A / D 转换器（ADC） 9.3.1 A /D 转换的一般步骤和分类 一、模拟量到数字量的转换过程 数字量 uI(t) dn-1
量化编码 电路 dn-1 d1 d0 … uI(t) S 模拟量 取样保持 量化编码 （S / H — Sample / Hold） 取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。

17 当满足 fs ≥ 2 fimax 时, 取样信号可恢复原信号。
二、取样定理 当满足 fs ≥ 2 fimax 时, 取样信号可恢复原信号。 fs — 取样频率。 fimax — 信号的最高频率分量。 uI t O f O fs– fimax fimax t O uI

18 三、量化和编码 量化单位 数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小， 用  表示（即 1 ）。 量化 把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。 量化误差 因模拟电压不一定能被  整除而引起的误差。 编码 把量化的数值用二进制代码表示。

19 划分量化电平的两种方法 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 1V 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 000 001 010 011 100 101 110 111 1V 1/15 3/15 5/15 7/15 9/15 11/15 13/15 000 001 010 011 100 101 110 111 7= 7/ 8 0 = 0 1 = 2/15 2 = 4/15 3 = 6/15 4 =8/15 5 = 10/15 6 = 12/15 7 =14/15 6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/8 3 = 3/8 2 = 2/8 1 = 1/8 0 = 0 最大量化误差 =  = (1 / 8) V =  / 2 = (1/15)V

20 S(t)=0，T截止，C保持T断开瞬时的值不变
四. 取样 - 保持电路 S(t) t uI O uO tW TS t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 1. 电路组成及工作原理 S(t)=1，T导通，C迅速充电到uI， 使uO=uC=uI S(t)=0，T截止，C保持T断开瞬时的值不变

21 D1 、D2的作用：限制 uO 在 uI + uD以内，起保护作用。
2. 集成采样保持电路 (LF198) R2 Ch R1 uI uO uL uO 300  30 k D1 D2 S 6 2 1 4 5 3 8 7 uO uI uL Ch LF198 当 uL = 1， S 闭合 uO = uO = uI ， uC = uI 当 uL = 0， S 断开 uO 保持 D1 、D2的作用：限制 uO 在 uI + uD以内，起保护作用。

22 9.3.2 并行比较型A/D转换器 uI uI 比较器 寄存器 编码器 uI uI uI uI uI uI uI d2 d1 d0 UREF
uI UREF uI R /2 R 比较器 寄存器 编码器 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1 uI 1D d2 d1 d0 & CP

23 9.3.3 逐次比较型 A/D 转换器 1)工作原理 3.2V 3V 5V 4V 7V 6V 8V D/A uI 0011 1000
逐次渐近 寄存器 比较器 参考 电源 时钟 信号 MSB LSB 并行数字输出 转换控制信号 0011 1000 0111 0110 0101 0100 1 0011

24 2)转换过程举例 uI uO uC 输出偏移 读出控制 d0 CP d1 d2 5位环行移位寄存器 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 比 较 器
3 位 D/A Q 1S 1R d0  + CP d1 d2 ≥1 FFB FFC uI uO uC C 5位环行移位寄存器 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 FFA  /2 比 较 器 逐次渐近 寄存器 控制逻辑电路

25 Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0 功能 R S Q n 1 不用 保持 置1 置0 不许 Q1 Q2Q3 Q4 Q5
1 1 1 0 0 1 0 0 功能 R S Q n 1 不用 保持 置1 置0 不许 Q1 Q2Q3 Q4 Q5 QA QB QC uI/V uO/V uO/V uC d2 d1 d0 CP  1 2 3 4 5 – 0.5 4 3.5 5.9 6 5.5 7 6.5 1 6 5.5 6 5.5

26 A/D转换器的主要技术指标 一、转换精度 分辨率 1. 用二进制或十进制位数表示(设计参数) LSB变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量 (测量参数) 如最大输出电压为 5 V 的 8 位 A/D的分辨率为： 表示实际输出与理想输出数字量的差别 以相对误差的形式（LSB的倍数）给出。 转换误差： 如：相对误差不大于（1/2）LSB 二、转换速度 并联比较型 > 逐次比较型 > 双积分型

27 第八章 小 结 一、D/A 转换器 1. 功能： 将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。 2. 种类：
第八章 小 结 一、D/A 转换器 1. 功能： 将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。 2. 种类： 实现数模转换有多种方式，常用的是电阻网络 D/A 转换器，包括 权电阻网络、R - 2R T 形电阻网络和 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器。 其中以 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器为重点作了详 细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造， 因而被广泛采用。 3. 分辨率和转换精度： 与 D/A 转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。

28 将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。 1. 功 能：
二、A/D 转换器 将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。 1. 功 能： 2. 转换过程： 采样、保持、量化、编码。 采样 – 保持电路 A / D 转换器 采样 - 保持电路： 对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。 采样时必须满足采样定理，即 fs ≥ 2 fImax 。 A / D 转换器： 量化 — 对样值脉冲进行分级。 编码 — 将分级后的信号转换成二进制代码。

29 二、A/D 转换器 3. 种类： 直接转换型和间接转换型。 直接转换型 — 并联比较型（速度快、精度低） 逐次渐近型（速度较快、精度较高） 间接转换型 — 双积分型（速度慢、精度高、抗干扰 能力强） 不论是 D/A 转换还是 A/D 转换，基准电压 VREF 都是一个很重要的应用参数，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。