9.2 D/A9.2 D/A 转换器转换器

9.3 A/D9.3 A/D 转换器转换器

9.1 9.1 导论导论

第九章 A/D 与 D/A 转换器

自然界中存在的物理量大都是模拟量，如温度、时间、角度、速度等。随着数字技术的迅速发展，尤其是计算机的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非常普遍。 模拟量转换为数字量— A/D 转换（ Analog to Digital ）数字量变换为模拟量— D/A 转换（ Digital to Analog ）衡量 A/D和D/A 转换器性能的两个主要指标：

转换精度转换速度

9.1 导论

9.2 D/A 转换器

D/A 转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数 D转换为与之成比例的模拟量， n 位二进制数 D 可以写成 ：

11 2 0

1 2 00

2 2 2 2n

n n in n i

i

D d d d d

而输出应当是与输入的数字量 D 成比例的模拟量 A：1

0

2n

ii

i

A K D K d

K 为一个常量，单位为伏特。电阻解码网络是 D/A 转换器的主要组成部分。

D/A 转换器的组成 :

DAC 的数字数据可以并行输入也可串行输入

用于存放在数字寄存器中的数字量的各位数码

由输入数字量控制

产生权电流

将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压

D/A 转换器的分类 :

ECL 电流开关型DAC

T 型电阻网络 DAC

按解码网络结构分类

倒 T 形电阻网络 DAC

权电流 DAC

权电阻网络 DAC

按模拟电子开关电路分类

CMOS 开关型 DAC

双极型开关型 DAC 电流开关型 DAC

D/A 转换器

9.2.1 权电阻网络 D/A 转换器 由电阻解码网络、电子开关和运放组成。 Sn-1~S0是 n

个电子开关，受输入代码 d n-1~d 0 控制，当该位的值为“ 1” 时，开关将电阻接至参考电压源 VREF ；当该位为“ 0” 时，开关将电阻接地。

A

RF

Uo

d1

S1

d n-1d n-2

Sn-2 Sn-1

2 2-n R 21R 20 R

d0

S0

2 1n R

(R/ 2)

I 0 I1 I n 2 I n 1

i

REFV

1 1REF REF

0 i i0 0

22 2 2 2

n ni

nn ni i

V VR RU i I d D

优点：所用电阻数少

缺点：阻值分散，集成电路制作困难

D/A 转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数转换为与之成比例的模拟量，转换输出可以写成 ：

A

RF

Uo

d1

S1

d n-1d n-2

Sn-2 Sn-1

2 2-n R 21R 20 R

d0

S0

2 1n R

(R/ 2)

I 0 I1 I n 2 I n 1

i

REFV

9.2.2 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器 倒 T 型电阻网络是集成 D/A 转换器中采用最多的一种

与权电阻网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。

RR RR

AA BB CC DD/ , / 2 / 4 / 8 / /16REF

RI V R I I I I、 、 、 向左看过去的等效电阻都是 ，

故 各支路的电流依次为 、 、 和则输出电压为： 1

0

22

niREF

o ini

VU d

D D D(LSB) (MSB)

S S S S

0

0

1

1

2

2

3

3

R

+A v o

i ¦²

f

I24

I8I

16I

V REF

D

9.2.3 权电流型 D/A 转换器 为进一步提高 D/A 转换器的转换精度，可采用恒流源，每个支路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响，从而降低了对开关电路的要求

常 用 的 集 成 DAC 有AD7520 、 DAC0832 、 DAC0808 、 DAC1230、MC1408、 AD7524 等。例 1. D/A 转换器 AD7520 ( 倒 T 型电阻网络 )　　 AD7520是 10 位的 D/A 转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。

9.2.3 集成 D/A 转换器及其应用

　　该芯片只含倒 T 形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。　　具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。

D0 ～ D9 ：数据输入端

Rf ： 10KΩ 反馈电阻引出端

IOUT1 ：电流输出端 1

IOUT2 ：电流输出端 2

Vcc ：电源输入端

UREF ：基准电压输入端GND ：地。

10 位二进制加法计数器从全“ 0” 加到全“ 1” ，电路的模拟输出电压 uo由 0V 增加到最大值。　如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。

应用举例 （组成锯齿波发生器）

例 2. D/A 转换器 DAC0808 （ 8 位权电流型 D/A 转换器）

当 VREF=10V 、 R1=5kΩ 、 Rf=5kΩ 时，输出电压为：

7 7

O 8 80 01

102 2

2 2f REF i i

i ii i

R Vv D D

R

5

6

7

8

9

10

11

12

D

D

D

D

D

D

D

D

0

1

2

3

4

5

6

7

vO+

5k¦¸

5k¦¸

5k¦¸

REFV

0.01¦ÌF

13

CCV =+5V

EEV =-15V

A

数字量输入

模拟量输出

DAC0808

£¨LSB£©

£¨MSB£©

14

15

2

4

16

3

R f

1R使用时，需要外接运放和产生基准电流用的电阻 R1 。

9.2.4 转换精度与转换速度转换精度：1 . 分辨率—当输入数字量的最低位（ LSB ）发生变化引起的输出电压的变化量。常用输入数字量的位数表示分辨率。

n 位 DAC 最多有 2n 个模拟输出电压。位数越多 D/A转换器的分辨率越高。

分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电

压之比给出。 n 位 D/A 转换器的分辨率可表示为：1

2 1n

转换精度：

2. 转换误差—转换器实际能达到的转换精度。转换误差用 LSB 的倍数表示。转换误差分静态误差和动态误差。

产生原因：由于 D/A 转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定、运算放大器的零漂、模拟开关不够理想、电阻网络中电阻阻值的偏差等各种因素的影响。

几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等

转换速度：

1 ．建立时间— 输入数字量各位由全 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要的时间。

2 ．转换速率—输入数字量的各位由全 0 变为全 1 、或由全 1 变为 0 时，输出电压的变化率。这个参数与运算放大器的压摆率类似。

9.3 A/D 转换器9.3.1 、 A/D 转换的一般步骤 A/D 转换一般包括采样、保持、量化、编码四个步骤。

CPS

S

ADC

取样保持电路

ADC的量化编码电路

...D

DD

n-1

1

0vI£¨t£©

vI£¨t£©

输入模拟电压取样展宽信号

n数字量输出（ 位）

一． 取样—保持电路

取 Ri=Rf

当 vL 为高电平时， T 导通， vI 经 Ri 和 T向电容 Ch

充电。vO=－ vI=vC 。当 vL返回低电平后， T截止。 Ch无放电回路， vO保

存。R

R

Iv

Lv

T

A

C h vo

f

i

t

u i

us

O

采样频率的选择应满足采样定理： fs≥2 fi(max) 。

A1A2

L

R1

R2

S

Ch

300

30k

1D 2D

iu

Lu

o'uou

典型的采样保持电路— LF398

i H

i

R T C

R

输入电压经 和 向电容 充电，限制了取样速度；

但又不能减小 来提高速度，这必然降低电路的输入阻抗。

LF398 ：在输入端加隔离放大器

二、量化与编码

对模拟信号幅值的离散化—量化：用最小数量单位△度量模拟信号。量化单位△，也就是最低有效位（ LSB ）所代表数值。

 把量化的结果用代码（二进制码或其他编码）表示出来，称为编码。这些代码就是 A/D 转换的结果。

量化过程不可避免地会引入误差—量化误差。位数越多，量化误差越小；同时也与量化方法有关。

划分量化电平的两种方法（ a ）量化误差大；（ b ）量化误差小

9.3.2 A/D转换器的分类

A/D 转换器的技术指标—转换精度与转换速度

A /D转换器

直接型并行比较型

反馈比较型逐次逼近型

计数型

间接型电压 -时间型（V T）型 -----双积分型

电压 -频率型（V F）型

C

C

C

C

C

C

C

4

C

C

C

CO4

C

C

C

R

R

R

R

R

R

R

R/2

VREF

VREF

REFV

VREF

VREF

15

15

15

1513

11

3

1

D

Q

Q

C1

1D

1D

码Q

D

(MSB)

编

1D

Q先

2

Q

Q

Q

1D

1D

优

C1

器

C1

1D

01D (LSB)C1

1

C1

C1

C1

D

I

CP

v电压比较器 寄存器 代码转换器

O7

O1

O2

O6

O5

O3

1

7

6

2

5

3

1

2

3

4

5

6

7I

I

I

I

I

I

I

7

6

5

4

3

2

1

9.3.3 并联比较型 A/D 转换器（直接型）

优点：转换速度最快，完成一次转换所需要的时间只包括一级触发器的翻转时间和三级门电路的传输延迟时间。

并联比较型 A/D 转换器：

缺点：电路复杂， n 位转换器，所用的比较器和触发器的个数为 2n-1 。

转换精度主要取决于量化电平的划分

一 .计数型 A/D 转换器 9.3.4 反馈比较型 A/D 转换器（直接型）

计数型 A/D 转换器：

n

n

2 -1

缺点：转换时间太长当输出为 位二进制数码时，最长的转换时间可达

倍时钟信号周期

优点：电路非常简单，在对转换速度没有严格要求时仍是一种可取的方案。

二 . 逐次渐近型 A/D 转换器

先用一个 800mV 的电压与 ui 比较，由于 ui＜ 800mV ，将 800mV 的电压砝码去掉，加 400mV 的砝码， ui＞400mV ，于是保留 400mV 的电压砝码。再加 200mV的电压砝码， ui ＞ 400mV+200mV， 200mV 的电压砝码保留，如此一直进行下去，可获得一组二进制码 0110 0111 0011按照 BCD8421 码划分，相当 673mV 。

m V6 7 31 m V2 m V

4 m V8 m V1 0 m V2 0 m V4 0 m V

8 0 m V1 0 0 m V

2 0 0 m V4 0 0 m V

/VU o

/Vt0

m V8 0 0

iu10 1 10 0 1 1 0 0 1 1

工作原理

2Q 3Q 4Q 5Q

&

&

&

&

11

& &&

+-

2

d1

2d

d0

DAC

)2( 2

)2( 1

)2( 0

+-

AQ BQ

AF BF

CQ

C1 R1S1 C1 R1S1 C1 R1S1

CF

1G 2G3G

4G5G

6G

7G

8G

AU

1D

C1

1D

C1

1D

C1

1D

C1

1D

C1

LU

9G

iu

BU (LSB)

MSB)(

CP

C

1Q1F 2F 3F 4F 5F

3 位逐次渐近型 A/D 转换器的电路原理图

转换速度比并联比较型 A/D 转换器低，但比计数型A/D 转换器速度要高得多

逐次渐近型 A/D 转换器：

对 n 位输出的 A/D 转换器，完成一次转换所需时间为 n+2 个时钟信号周期

在输出位数较多时，电路规模要比并联型小得多，因此逐次渐近型 A/D 转换器是目前集成 A/D 转换器产品中用得最多的一种电路。

实例： 逐次逼近型集成 A/D—ADC0809

9.3.5 双积分型 A/D 转换器 一、工作原理

采样阶段—定时积分阶段

i1

0

i1o

1

d)(1

URC

Tt

R

U

CU

T

比较转换阶段— 定电压积分阶段

2 1REF i

T TV U

RC RC 1

2 iRRF

TT U

V

1

2

C

iC REF

T NT

T ND U

T V

取 ，

t

t

t

1T 2T

1t 2t'2t

'2T

2ii Uu

2ii Uu

'1OU

1OU

1ii Uu

t

Gu

2ii Uu

Gu

ou

O

O

O

O

采样：定时积分阶段

1o1 i

TU U

RC

比较：定电压积分阶段

iRRF

12 UV

TT

iREF

ND U

V

抗干扰能力强：积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间 T1 为 20ms 的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。

缺点： 转换速度较慢 : 完成一次 A/D 转换至少需要（ T1 ＋

T2 ）时间，因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。

　 良好的稳定性，可实现高精度：由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF 之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与 R 、 C 无关。

双积分型 A/D 转换器： 优点：

　例如，输入模拟电压满量程为 10V ，若用 8 位ADC 转换时，其分辨率为 10V/28 ＝ 39mV， 10

位的 ADC是 9.76mV ，而 12 位的 ADC为

2.44mV 。

9.3.6 A/D 转换器的转换精度与转换速度 一 . 转换精度

1. 分辨率—说明 A/D 转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高

2. 转换误差—表示 A/D 转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。

例如，相对误差≤ ±LSB/2 ，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。

　 完成一次 A/D 转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。

二 . 转换精度

并联比较 A/D 转换器转换速度最高： ~10ns ；

逐次比较型 A/D 转换器次之： 10~100us ；

间接 A/D 转换器的速度最慢：几十 ~ 几百 ms 。

本章小结

1 ． A/D和 D/A 转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。

2 ．倒 T 型电阻网络 D/A 转换器中电阻网络阻值仅有R 和 2R 两种，各 2R 支路电流 Ii与 Di 数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。

3 ．在权电流型 D/A 转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成 D/A 转换器多采用此种类型电路。

本章小结

5 ． A/D 转换器和 D/A 转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前， A/D与 D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。

4 ．不同的 A/D 转换方式具有各自的特点，并行 A/D转换器速度高；双积分 A/D 转换器精度高；逐次渐近型 A/D 转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。