(數(shù)字電子技術)第7章數(shù)模與模數(shù)轉換課件

第7章數(shù)/模與模/數(shù)轉換7.1概述7.2數(shù)/模轉換7.3模/數(shù)轉換7.4本章小結7.5例題精選7.6自我檢測題第7章數(shù)/模與模/數(shù)轉換7.1概述隨著以數(shù)字計算機為代表的各種數(shù)字系統(tǒng)的廣泛普及和應用，模擬信號和數(shù)字信號的轉換已成為電子技術中不可或缺的重要組成部分。數(shù)/模轉換指的是把數(shù)字信號轉換成相應的模擬信號，簡稱D/A轉換，同時將實現(xiàn)該轉換的電路稱為D/A轉換器，簡稱DAC；模/數(shù)轉換指的是把模擬信號轉換為數(shù)字信號，簡稱A/D轉換，并將實現(xiàn)該轉換的電路稱為A/D轉換器，簡稱ADC。7.1概述隨著以數(shù)字計算機為代表的各種數(shù)字系統(tǒng)的廣泛普及和應用，模7.2.1DAC的基本概念

1.DAC的轉換原理

如果DAC電路的輸入為n位二進制數(shù)D，輸出是與數(shù)字量成正比的電壓Uo或電流Io，則有

(7.2.1)

式中，K為轉換比例常數(shù)。7.2數(shù)/模轉換7.2.1DAC的基本概念

1.DAC的轉換原理

圖7.2.1給出了DAC輸入、輸出關系框圖。當n=3時，DAC轉換電路的輸出與輸入轉換特性如圖7.2.2所示，輸出為階梯波。圖7.2.1DAC輸入、輸出關系圖圖7.2.1給出了DAC輸入、輸出關系框圖。當n=3時，圖7.2.2DAC轉換特性圖7.2.2DAC轉換特性

2.DAC的結構框圖

圖7.2.3是一個n位二進制DAC結構框圖。轉換的電阻解碼網(wǎng)絡。圖7.2.3n位二進制DAC結構框圖2.DAC的結構框圖

圖7.2.3是一個n位二進制7.2.2DAC的主要技術指標

1.轉換精度

1)分辨率

分辨率是指輸入數(shù)字量最低有效位為1時，對應輸出可分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸出電壓Um之比，即

(7.2.2)7.2.2DAC的主要技術指標

1.轉換精度

它反映了DAC對輸出最小電壓的分辨能力，當n越大時，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。

如果輸出模擬電壓滿量程Um＝10V，那么10位DAC能夠分辨的最小電壓為

10×0.098％＝9.8mV

而12位DAC能夠分辨的最小電壓為

10×0.024％＝2.4mV它反映了DAC對輸出最小電壓的分辨能力，當n越大時，DAC的2)轉換誤差

轉換誤差一般用絕對誤差表示。絕對誤差是指DAC的實際輸出值與理論值之差。該值一般應低于最小輸出電壓ULSB的一半。DAC的轉換誤差越小，轉換精度就越高。轉換精度通常用輸出電壓滿刻度時絕對誤差的百分數(shù)表示。即

轉換精度＝2)轉換誤差

轉換誤差一般用絕對誤差表示。絕對誤差

2.轉換速度

轉換速度是指從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸出之間所經(jīng)歷的響應時間，也稱轉換時間，一般取輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時，其輸出達到穩(wěn)定值所需的時間。2.轉換速度

轉換速度是指從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定7.2.3常見的DAC電路

1.倒T型電阻網(wǎng)絡

DAC電路可分為電壓型和電流型兩大類。

電路結構如圖7.2.4所示。圖7.2.4n位二進制倒T型網(wǎng)絡DAC電路7.2.3常見的DAC電路

1.倒T型電阻網(wǎng)絡

電子開關受輸入二進制數(shù)Di控制。當Di＝1時，Si接運算放大器反相輸入端，電流Ii流入求和電路；當Di＝0時，Si將電阻2R接地。根據(jù)運算放大器線性運用時的虛地概念可知，無論電子開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均將接地，這樣流過電阻2R上的電流不隨開關位置變化而變化，為確定值，從每個節(jié)點向里看的二端口網(wǎng)絡等效電阻

均為R，即

RA＝2R∥2R＝R

RB＝(RA+R)∥2R＝R

RC＝2R∥2R＝R

RD＝2R∥2R＝R電子開關受輸入二進制數(shù)Di控制。當Di＝1時，Si接運算則流過各節(jié)點的電流從高位到低位依次為

則流過各節(jié)點的電流從高位到低位依次為

流入運算放大器的總電流為

(7.2.4)(7.2.3)流入運算放大器的總電流為

(7.2.4)(7.2.3)當Rf=R時

由上式可以看出，此電路完成了從數(shù)字量到模擬量的轉換，并且輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。當Rf=R時

由上式可以看出，此電路完成

2.集成DAC電路AD7524

AD7524(CB7520)是采用倒T型電阻網(wǎng)絡的8位并行D／A轉換器，功耗為20mW，供電電壓UDD為5～15V。

AD7524典型實用電路如圖7.2.5所示。2.集成DAC電路AD7524

AD7524(CB圖7.2.5AD7524典型實用電路圖7.2.5AD7524典型實用電路表7.2.1AD7524功能表表7.2.1AD7524功能表當輸出電壓片選信號與寫入命令為低電平時，AD7524處于寫入狀態(tài)，可將D0～D7端的輸入數(shù)據(jù)寫入寄存器并轉換成模擬電壓輸出。輸出電壓與輸入數(shù)字量的關系如下：

(7.2.5)當輸出電壓片選信號與寫入命令為低電平時，AD7該電路中n=8。當參考電壓UR取負值時，輸出電壓為正；當參考電壓UR取正值時，輸出為負。

當輸入最大數(shù)字量11111111時，由式(7.2.5)可知：

該電路中n=8。當參考電壓UR取負值時，輸出電壓為正；當7.3.1ADC的基本概念

ADC的任務是將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在此過程中，輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號是離散量，所以進行轉換時必須在一系列選定的時間瞬間對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些樣值轉換為輸出的數(shù)字量。因此，轉換過程通常通過采樣、保持、量化、編碼四個步驟來完成。其轉換原理圖如圖7.3.1所示。7.3模/數(shù)轉換7.3.1ADC的基本概念

ADC的任務是將模擬信號圖7.3.1ADC的轉換原理圖圖7.3.1ADC的轉換原理圖7.3.2ADC的電路組成及其工作原理

1.ADC的電路組成

在進行A/D轉換的過程中，需要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個步驟來完成，這些步驟往往是在電路中合并進行的。例如采樣和保持就是利用同一個電路連續(xù)進行的，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現(xiàn)的，而且所占有的時間又是保持時間的一部分。其電路組成結構框圖如圖7.3.2所示。7.3.2ADC的電路組成及其工作原理

1.ADC圖7.3.2ADC的電路結構框圖圖7.3.2ADC的電路結構框圖

2.ADC的工作原理

1)采樣和保持

為了把輸入的模擬信號轉換為與之成正比的輸出數(shù)字量，首先要對輸入的模擬信號采樣，就是按一定的時間間隔，周期性地提取輸入的模擬信號的幅值的過程。這樣就把在時間上連續(xù)變化的信號轉換為在時間上離散的信號。其過程如圖7.3.3所示。2.ADC的工作原理

1)采樣和保持

為了圖7.3.3對輸入模擬信號的采樣圖7.3.3對輸入模擬信號的采樣為了使采樣后的信號不失真地代表輸入的模擬信號，根據(jù)采樣定理可知，采樣頻率fs必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍，即采樣頻率必須滿足fs≥2fmax。

模擬信號采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在采樣脈沖之后，必須加保持電路。采樣-保持電路的原理電路如圖7.3.4所示。為了使采樣后的信號不失真地代表輸入的模擬信號，根據(jù)采樣定圖7.3.4原理電路圖7.3.4原理電路2)量化編碼

輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。由于階梯波的幅度是任意的，可能會有無限多個值，這不可能與n位有限的2n個數(shù)字量相對應，因此必須把取樣后的樣值

電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平為量化電平，用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程，稱為編碼。2)量化編碼

輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的量化的方法一般有兩種：

(1)舍尾取整法：取最小量化單位Δ＝Um/2n，其中Um為模擬電壓最大值，n為數(shù)字代碼位數(shù)。將0～Δ之間的模擬電壓歸并到0·Δ，把Δ～2Δ之間的模擬電壓歸并到1·Δ，依此類推，最大量化誤差為Δ。例如，需要把0～＋1V之間的模擬電壓信號轉換為3位二進制代碼，可取Δ＝(1/8)V，那么0～(1/8)V之間的電壓就歸并到0·Δ，用二進制數(shù)000表示；數(shù)值在(1/8)～(2/8)V之間的電壓歸并到1·Δ，用二進制數(shù)001表示，并依此類推，如圖7.3.5(a)所示。量化的方法一般有兩種：

(1)舍尾取整法：取最小量(2)四舍五入法：取最小量化單位Δ＝2Um/(2n－1－1)，量化時將0～Δ/2之間的模擬電壓歸并到0·Δ，把Δ/2～3·Δ/2之間的模擬電壓歸并到1·Δ，依此類推，最大量化誤差為Δ/2。例如，需要把0～+1V之間的模擬電壓信號轉換為3位二進制代碼，這時可取Δ＝(2/15)V，那么0～(1/15)V之間的電壓就歸并到0·Δ，用二進制數(shù)000表示；數(shù)值在(1/15)～(3/15)V之間的電壓歸并到1·Δ，用二進制數(shù)001表示，并依此類推，如圖7.3.5(b)所示。(2)四舍五入法：取最小量化單位Δ＝2Um/(2n－1圖7.3.5劃分量化電平的兩種方法圖7.3.5劃分量化電平的兩種方法7.3.3ADC的主要技術指標

1.轉換精度

1)分辨率

分辨率是指ADC對輸入模擬信號的分辨能力。例如，ADC輸出為10位二進制數(shù)，輸入模擬信號電壓變化范圍為0～8V，則

7.3.3ADC的主要技術指標

1.轉換精度

2)轉換誤差

轉換誤差通常是以輸出誤差最大值的形式給出的，它表示實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數(shù)表示。例如，轉換誤差小于等于LSB/2，表明實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的誤差小于等于最低有效位的一半。2)轉換誤差

轉換誤差通常是以輸出誤差最大值的形式

2.轉換速度

ADC的轉換速度主要取決于轉換電路的類型。并聯(lián)比較型ADC的轉換速度最高，例如8位輸出單片集成的ADC轉換時間可在50ns之內(nèi)；其次為逐次逼近型ADC，多數(shù)產(chǎn)品的轉換時間都在10～100μs；雙積分型ADC最低，轉換時間多在幾十到幾百毫秒之間。2.轉換速度

ADC的轉換速度主要取決于轉換電路的7.3.4常見的ADC電路

1.逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC是按串行方式工作的，即轉換器輸出的各位數(shù)碼是逐位形成的。圖7.3.6為原理框圖，該電路由電壓比較器、邏輯控制器、D/A轉換器、逐次逼近寄存器等組成。7.3.4常見的ADC電路

1.逐次逼近型ADC圖7.3.6逐次逼近型ADC原理圖圖7.3.6逐次逼近型ADC原理圖

2.雙積分型ADC

雙積分型ADC也是常用的一種電路形式。圖7.3.7給出了一個n位二進制數(shù)并行輸出的雙積分型ADC的原理框圖，它由基準電壓源、積分器、二進制計數(shù)器、定時器和邏輯控制門等組成。為保證電路的正常工作，要求輸入模擬電壓Ui必須與參考電壓－UR極性相反，且輸入模擬電壓最大值滿足|Uim|≤|UR|。電路的基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓進行兩次積分，先將輸入模擬電壓Ui轉換成與其平均值成正比的時間間隔，然后再在此時間間隔內(nèi)用固定頻率的時鐘脈沖CLK進行計數(shù)，計數(shù)器在此時間內(nèi)得到的計數(shù)值即為與模擬輸入電壓Ui對應的數(shù)字量Dn。2.雙積分型ADC

雙積分型ADC也是常用的一種電圖7.3.7雙積分型ADC原理框圖圖7.3.7雙積分型ADC原理框圖轉換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通開關S2，使電容C完全放電。

工作過程分兩步進行：

第一步：令開關S1閉合到輸入模擬信號Ui側，積分器對Ui進行定時積分，積分時間T1=2nTc(Tc為CLK時鐘脈沖的周期)，即T1時間內(nèi)n位計數(shù)器計滿，計數(shù)值為2n。

積分結束時積分器的輸出電壓為

式中Vi是Ui在T1時間內(nèi)的平均值。(7.3.1)

轉換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通開關S2，使電容C完全第二步：令開關S1閉合到參考電壓－UR一側，積分器向相反方向積分。設積分器的輸出電壓上升到零時所經(jīng)過的時間為T2，則可知：

從上式可得：

第二步：令開關S1閉合到參考電壓－UR一側，積分器向相反進一步得：

(7.3.2)

若取Δ＝UR/2n，(Δ可看做是ADC的單位電壓)，則

(7.3.3)

(7.3.4)進一步得：

(7轉換器在工作過程中使用的轉換時間T為T=T1+T2=

(2n+Dn)TC，轉換時間與輸入電壓的大小值有關，輸入最大時轉換時間最長，最長轉換時間Tm＝(2n+2n－1)TC，完成一次A/D轉換大約需要幾十毫秒。

轉換器電路最終輸出的數(shù)字量Dn與輸入模擬電壓在T1時間內(nèi)的平均值成正比，比值與基準電壓和T1時間內(nèi)記下的脈沖數(shù)目有關。

這種雙積分型ADC的突出優(yōu)點是抗干擾能力強，轉換精度高，并且不需要采樣-保持電路；缺點是工作速度低。轉換器在工作過程中使用的轉換時間T為T=T1+T2=

(

3.集成ADCLTC1290

LTC1290是12位串行數(shù)據(jù)采集芯片，采用逐次逼近式工作。它有8個輸入通道，可以編程為單端或差動式輸入。其串行口與工業(yè)標準串行口兼容，轉換結果可以方便地編程為高位在前或者是低位在前，也可以編程為8位、12位或者16位輸出，可以方便地與移位寄存器和多種處理器進行連接。

圖7.3.8是LTC1290的內(nèi)部結構框圖及外部引腳排列。3.集成ADCLTC1290

LTC1290是1圖7.3.8LTC1290內(nèi)部結構框圖及外部引腳排列圖7.3.8LTC1290內(nèi)部結構框圖及外部引腳排列

1.本章重點內(nèi)容

D/A轉換器和A/D轉換器都是大規(guī)模的數(shù)字集成器件，在數(shù)字系統(tǒng)中被廣泛應用，并有多種集成芯片可供選用。在本章中系統(tǒng)地講述了D/A轉換電路和A/D轉換電路的基本原理和電路特點，這也是本章的重點所在。由于D/A轉換器件和A/D轉換器件種類繁多，無法一一列舉。7.4本章小結1.本章重點內(nèi)容

D/A轉換器和A/D轉換器都是大在D/A轉換電路中，重點介紹了較為常見的倒T型電阻網(wǎng)絡。在A/D轉換中，把電路歸結為直接型和間接型兩種。在直接型A/D轉換電路中，重點介紹了逐次逼近型轉換電路；在間接型A/D轉換電路中，主要介紹了雙積分型轉換電路。在D/A轉換電路中，重點介紹了較為常見的倒T型電阻網(wǎng)絡。

2.本章難點內(nèi)容

轉換精度和轉換速度是D/A轉換器和A/D轉換器最重要的兩個技術指標，是本章的難點。轉換精度由分辨率和轉換誤差共同描述。在D/A轉換中：分辨率=，轉換誤差由絕對誤差表示，該值一般應低于最小輸出電壓ULSB的一半；在A/D轉換中：分辨率=，轉換誤差通常以最低有效位的倍數(shù)表示。至于轉換速度，在D/A轉換器中由轉換時間來描述，而在A/D轉換器中主要取決于轉換電路的類型。2.本章難點內(nèi)容

轉換精度和轉換速度是D/A轉換器

3.本章需注意的問題

本章需要注意的問題主要有：

(1)在使用D/A轉換器和A/D轉換器時，為保證其轉換精度，要求模擬電壓滿量程使用時，它們的地線要正確連接，否則干擾很嚴重，會影響轉換結果的準確性。在線路設計中，必須將所有器件的模擬地和數(shù)字地分別相連，然后再將模擬地和數(shù)字地僅在一點相連接。3.本章需注意的問題

本章需要注意的問題主要有：

(2)在D/A轉換器和A/D轉換器中，轉換精度由分辨率和轉換誤差共同描述。為此，要獲取器件的高精度，不僅應提高其分辨率，還要減小其轉換誤差，包括要有高穩(wěn)定度的

供電電源，小的溫度改變，低漂移的運放等。

(3)在雙積分型A/D轉換電路中，為保證電路正常工作，輸入模擬電壓Ui必須與參考電壓－UR極性相反，且輸入模擬電壓最大值滿足|Uim|≤|UR|。否則第二次積分時計數(shù)器計滿數(shù)后積分還在進行，將發(fā)生轉換錯誤。(2)在D/A轉換器和A/D轉換器中，轉換精度由分辨率

例7.5.1某控制系統(tǒng)中有1個DAC，如果系統(tǒng)要求該DAC的轉換誤差小于0.25％，則問應該選多少位的DAC？

解本題要求DAC的轉換誤差小于0.25％，是指DAC的實際輸出值與理論值之間的誤差，該值一般應低于，為此其分辨率應小于0.5％。

根據(jù)×100%=0.5%，可得n＝7.64，

故所選的DAC的位數(shù)應為8位或多于8位。7.5例題精選例7.5.1某控制系統(tǒng)中有1個DAC，如果系統(tǒng)要求該

例7.5.2在圖7.2.4所示的倒T型電阻網(wǎng)絡DAC電路中，若n＝4，基準電壓UR＝－8V，R=5kΩ，試計算：

(1)由基準電源流入芯片的電流IR。

(2)輸出模擬電壓Uo的范圍。

(3)當D3D2D1D0＝1110時，Uo的值。

解(1)由圖7.2.4可知：

例7.5.2在圖7.2.4所示的倒T型電阻網(wǎng)絡DAC(2)

當D3D2D1D0＝1111時，

所以，輸出電壓Uo的范圍為0～7.5V。

(3)當D3D2D1D0＝1110時，

(2)

當D3D2D1D0＝1111時，

例7.5.3如果要將一個最大幅值為10.2V的模擬信號轉換為數(shù)字信號，要求能分辨出5mV的輸入信號變化，試問應選多少位的A/D轉換器？

解

所以可選用11位的A/D轉換器。例7.5.3如果要將一個最大幅值為10.2V的模擬

例7.5.43位ADC輸入滿量程為10V，求輸入模擬電壓Ui＝3V時，電路數(shù)字量的輸出為多少？(使用舍尾取整法量化)。

解使用舍尾取整法：

2·Δ=2.5V

3·Δ=3.75V

2·Δ<Ui=3V<3·Δ

取Ui電平歸化到2·Δ，輸出數(shù)字量為010。例7.5.43位ADC輸入滿量程為10V，求輸入模1.已知某D/A轉換器的最小分辨電壓ULSB＝2mV，最大滿刻度電壓Um＝10V，試求該電路輸入二進制數(shù)字量的位數(shù)n。

2.如果要求D/A轉換器精度小于1％，至少要用多少位的DAC？

3.A/D轉換過程由幾個步驟來完成？試對每個步驟進行詳細的說明。

4.8位A/D轉換器，輸入滿量程電壓為12V，求該ADC可分辨的最小階梯電壓。7.6自我檢測題1.已知某D/A轉換器的最小分辨電壓ULSB＝2mV5.3位A/D轉換器輸入滿量程為5V，求輸入下列電壓值時輸出為多少。

(1)1.5V(2)2.6V(3)3.8V

6.雙積分型A/D轉換器的參考電壓－UR=－10V，計數(shù)器為10位二進制，時鐘頻率fc=1MHz。求：

(1)允許輸入的最大模擬電壓。

(2)轉換器的最大轉換時間。

(3)當輸入電壓Ui=－5V時，輸出的數(shù)字量Dn。

7.試說明A/D轉換器和D/A轉換器的性能指標轉換精度、轉換速度都和哪些因素有關。5.3位A/D轉換器輸入滿量程為5V，求輸入下列電壓第7章數(shù)/模與模/數(shù)轉換7.1概述7.2數(shù)/模轉換7.3模/數(shù)轉換7.4本章小結7.5例題精選7.6自我檢測題第7章數(shù)/模與模/數(shù)轉換7.1概述隨著以數(shù)字計算機為代表的各種數(shù)字系統(tǒng)的廣泛普及和應用，模擬信號和數(shù)字信號的轉換已成為電子技術中不可或缺的重要組成部分。數(shù)/模轉換指的是把數(shù)字信號轉換成相應的模擬信號，簡稱D/A轉換，同時將實現(xiàn)該轉換的電路稱為D/A轉換器，簡稱DAC；模/數(shù)轉換指的是把模擬信號轉換為數(shù)字信號，簡稱A/D轉換，并將實現(xiàn)該轉換的電路稱為A/D轉換器，簡稱ADC。7.1概述隨著以數(shù)字計算機為代表的各種數(shù)字系統(tǒng)的廣泛普及和應用，模7.2.1DAC的基本概念

1.DAC的轉換原理

如果DAC電路的輸入為n位二進制數(shù)D，輸出是與數(shù)字量成正比的電壓Uo或電流Io，則有

(7.2.1)

式中，K為轉換比例常數(shù)。7.2數(shù)/模轉換7.2.1DAC的基本概念

1.DAC的轉換原理

圖7.2.1給出了DAC輸入、輸出關系框圖。當n=3時，DAC轉換電路的輸出與輸入轉換特性如圖7.2.2所示，輸出為階梯波。圖7.2.1DAC輸入、輸出關系圖圖7.2.1給出了DAC輸入、輸出關系框圖。當n=3時，圖7.2.2DAC轉換特性圖7.2.2DAC轉換特性

2.DAC的結構框圖

圖7.2.3是一個n位二進制DAC結構框圖。轉換的電阻解碼網(wǎng)絡。圖7.2.3n位二進制DAC結構框圖2.DAC的結構框圖

圖7.2.3是一個n位二進制7.2.2DAC的主要技術指標

1.轉換精度

1)分辨率

分辨率是指輸入數(shù)字量最低有效位為1時，對應輸出可分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸出電壓Um之比，即

(7.2.2)7.2.2DAC的主要技術指標

1.轉換精度

它反映了DAC對輸出最小電壓的分辨能力，當n越大時，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。

如果輸出模擬電壓滿量程Um＝10V，那么10位DAC能夠分辨的最小電壓為

10×0.098％＝9.8mV

而12位DAC能夠分辨的最小電壓為

10×0.024％＝2.4mV它反映了DAC對輸出最小電壓的分辨能力，當n越大時，DAC的2)轉換誤差

轉換誤差一般用絕對誤差表示。絕對誤差是指DAC的實際輸出值與理論值之差。該值一般應低于最小輸出電壓ULSB的一半。DAC的轉換誤差越小，轉換精度就越高。轉換精度通常用輸出電壓滿刻度時絕對誤差的百分數(shù)表示。即

轉換精度＝2)轉換誤差

轉換誤差一般用絕對誤差表示。絕對誤差

2.轉換速度

轉換速度是指從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸出之間所經(jīng)歷的響應時間，也稱轉換時間，一般取輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時，其輸出達到穩(wěn)定值所需的時間。2.轉換速度

轉換速度是指從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定7.2.3常見的DAC電路

1.倒T型電阻網(wǎng)絡

DAC電路可分為電壓型和電流型兩大類。

電路結構如圖7.2.4所示。圖7.2.4n位二進制倒T型網(wǎng)絡DAC電路7.2.3常見的DAC電路

1.倒T型電阻網(wǎng)絡

電子開關受輸入二進制數(shù)Di控制。當Di＝1時，Si接運算放大器反相輸入端，電流Ii流入求和電路；當Di＝0時，Si將電阻2R接地。根據(jù)運算放大器線性運用時的虛地概念可知，無論電子開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均將接地，這樣流過電阻2R上的電流不隨開關位置變化而變化，為確定值，從每個節(jié)點向里看的二端口網(wǎng)絡等效電阻

均為R，即

RA＝2R∥2R＝R

RB＝(RA+R)∥2R＝R

RC＝2R∥2R＝R

RD＝2R∥2R＝R電子開關受輸入二進制數(shù)Di控制。當Di＝1時，Si接運算則流過各節(jié)點的電流從高位到低位依次為

則流過各節(jié)點的電流從高位到低位依次為

流入運算放大器的總電流為

(7.2.4)(7.2.3)流入運算放大器的總電流為

(7.2.4)(7.2.3)當Rf=R時

由上式可以看出，此電路完成了從數(shù)字量到模擬量的轉換，并且輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。當Rf=R時

由上式可以看出，此電路完成

2.集成DAC電路AD7524

AD7524(CB7520)是采用倒T型電阻網(wǎng)絡的8位并行D／A轉換器，功耗為20mW，供電電壓UDD為5～15V。

AD7524典型實用電路如圖7.2.5所示。2.集成DAC電路AD7524

AD7524(CB圖7.2.5AD7524典型實用電路圖7.2.5AD7524典型實用電路表7.2.1AD7524功能表表7.2.1AD7524功能表當輸出電壓片選信號與寫入命令為低電平時，AD7524處于寫入狀態(tài)，可將D0～D7端的輸入數(shù)據(jù)寫入寄存器并轉換成模擬電壓輸出。輸出電壓與輸入數(shù)字量的關系如下：

(7.2.5)當輸出電壓片選信號與寫入命令為低電平時，AD7該電路中n=8。當參考電壓UR取負值時，輸出電壓為正；當參考電壓UR取正值時，輸出為負。

當輸入最大數(shù)字量11111111時，由式(7.2.5)可知：

該電路中n=8。當參考電壓UR取負值時，輸出電壓為正；當7.3.1ADC的基本概念

ADC的任務是將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在此過程中，輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號是離散量，所以進行轉換時必須在一系列選定的時間瞬間對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些樣值轉換為輸出的數(shù)字量。因此，轉換過程通常通過采樣、保持、量化、編碼四個步驟來完成。其轉換原理圖如圖7.3.1所示。7.3模/數(shù)轉換7.3.1ADC的基本概念

ADC的任務是將模擬信號圖7.3.1ADC的轉換原理圖圖7.3.1ADC的轉換原理圖7.3.2ADC的電路組成及其工作原理

1.ADC的電路組成

在進行A/D轉換的過程中，需要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個步驟來完成，這些步驟往往是在電路中合并進行的。例如采樣和保持就是利用同一個電路連續(xù)進行的，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現(xiàn)的，而且所占有的時間又是保持時間的一部分。其電路組成結構框圖如圖7.3.2所示。7.3.2ADC的電路組成及其工作原理

1.ADC圖7.3.2ADC的電路結構框圖圖7.3.2ADC的電路結構框圖

2.ADC的工作原理

1)采樣和保持

為了把輸入的模擬信號轉換為與之成正比的輸出數(shù)字量，首先要對輸入的模擬信號采樣，就是按一定的時間間隔，周期性地提取輸入的模擬信號的幅值的過程。這樣就把在時間上連續(xù)變化的信號轉換為在時間上離散的信號。其過程如圖7.3.3所示。2.ADC的工作原理

1)采樣和保持

為了圖7.3.3對輸入模擬信號的采樣圖7.3.3對輸入模擬信號的采樣為了使采樣后的信號不失真地代表輸入的模擬信號，根據(jù)采樣定理可知，采樣頻率fs必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍，即采樣頻率必須滿足fs≥2fmax。

模擬信號采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在采樣脈沖之后，必須加保持電路。采樣-保持電路的原理電路如圖7.3.4所示。為了使采樣后的信號不失真地代表輸入的模擬信號，根據(jù)采樣定圖7.3.4原理電路圖7.3.4原理電路2)量化編碼

輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。由于階梯波的幅度是任意的，可能會有無限多個值，這不可能與n位有限的2n個數(shù)字量相對應，因此必須把取樣后的樣值

電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平為量化電平，用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程，稱為編碼。2)量化編碼

輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的量化的方法一般有兩種：

(1)舍尾取整法：取最小量化單位Δ＝Um/2n，其中Um為模擬電壓最大值，n為數(shù)字代碼位數(shù)。將0～Δ之間的模擬電壓歸并到0·Δ，把Δ～2Δ之間的模擬電壓歸并到1·Δ，依此類推，最大量化誤差為Δ。例如，需要把0～＋1V之間的模擬電壓信號轉換為3位二進制代碼，可取Δ＝(1/8)V，那么0～(1/8)V之間的電壓就歸并到0·Δ，用二進制數(shù)000表示；數(shù)值在(1/8)～(2/8)V之間的電壓歸并到1·Δ，用二進制數(shù)001表示，并依此類推，如圖7.3.5(a)所示。量化的方法一般有兩種：

(1)舍尾取整法：取最小量(2)四舍五入法：取最小量化單位Δ＝2Um/(2n－1－1)，量化時將0～Δ/2之間的模擬電壓歸并到0·Δ，把Δ/2～3·Δ/2之間的模擬電壓歸并到1·Δ，依此類推，最大量化誤差為Δ/2。例如，需要把0～+1V之間的模擬電壓信號轉換為3位二進制代碼，這時可取Δ＝(2/15)V，那么0～(1/15)V之間的電壓就歸并到0·Δ，用二進制數(shù)000表示；數(shù)值在(1/15)～(3/15)V之間的電壓歸并到1·Δ，用二進制數(shù)001表示，并依此類推，如圖7.3.5(b)所示。(2)四舍五入法：取最小量化單位Δ＝2Um/(2n－1圖7.3.5劃分量化電平的兩種方法圖7.3.5劃分量化電平的兩種方法7.3.3ADC的主要技術指標

1.轉換精度

1)分辨率

分辨率是指ADC對輸入模擬信號的分辨能力。例如，ADC輸出為10位二進制數(shù)，輸入模擬信號電壓變化范圍為0～8V，則

7.3.3ADC的主要技術指標

1.轉換精度

2)轉換誤差

轉換誤差通常是以輸出誤差最大值的形式給出的，它表示實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數(shù)表示。例如，轉換誤差小于等于LSB/2，表明實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的誤差小于等于最低有效位的一半。2)轉換誤差

轉換誤差通常是以輸出誤差最大值的形式

2.轉換速度

ADC的轉換速度主要取決于轉換電路的類型。并聯(lián)比較型ADC的轉換速度最高，例如8位輸出單片集成的ADC轉換時間可在50ns之內(nèi)；其次為逐次逼近型ADC，多數(shù)產(chǎn)品的轉換時間都在10～100μs；雙積分型ADC最低，轉換時間多在幾十到幾百毫秒之間。2.轉換速度

ADC的轉換速度主要取決于轉換電路的7.3.4常見的ADC電路

1.逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC是按串行方式工作的，即轉換器輸出的各位數(shù)碼是逐位形成的。圖7.3.6為原理框圖，該電路由電壓比較器、邏輯控制器、D/A轉換器、逐次逼近寄存器等組成。7.3.4常見的ADC電路

1.逐次逼近型ADC圖7.3.6逐次逼近型ADC原理圖圖7.3.6逐次逼近型ADC原理圖

2.雙積分型ADC

雙積分型ADC也是常用的一種電路形式。圖7.3.7給出了一個n位二進制數(shù)并行輸出的雙積分型ADC的原理框圖，它由基準電壓源、積分器、二進制計數(shù)器、定時器和邏輯控制門等組成。為保證電路的正常工作，要求輸入模擬電壓Ui必須與參考電壓－UR極性相反，且輸入模擬電壓最大值滿足|Uim|≤|UR|。電路的基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓進行兩次積分，先將輸入模擬電壓Ui轉換成與其平均值成正比的時間間隔，然后再在此時間間隔內(nèi)用固定頻率的時鐘脈沖CLK進行計數(shù)，計數(shù)器在此時間內(nèi)得到的計數(shù)值即為與模擬輸入電壓Ui對應的數(shù)字量Dn。2.雙積分型ADC

雙積分型ADC也是常用的一種電圖7.3.7雙積分型ADC原理框圖圖7.3.7雙積分型ADC原理框圖轉換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通開關S2，使電容C完全放電。

工作過程分兩步進行：

第一步：令開關S1閉合到輸入模擬信號Ui側，積分器對Ui進行定時積分，積分時間T1=2nTc(Tc為CLK時鐘脈沖的周期)，即T1時間內(nèi)n位計數(shù)器計滿，計數(shù)值為2n。

積分結束時積分器的輸出電壓為

式中Vi是Ui在T1時間內(nèi)的平均值。(7.3.1)

轉換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通開關S2，使電容C完全第二步：令開關S1閉合到參考電壓－UR一側，積分器向相反方向積分。設積分器的輸出電壓上升到零時所經(jīng)過的時間為T2，則可知：

從上式可得：

第二步：令開關S1閉合到參考電壓－UR一側，積分器向相反進一步得：

(7.3.2)

若取Δ＝UR/2n，(Δ可看做是ADC的單位電壓)，則

(7.3.3)

(7.3.4)進一步得：

(7轉換器在工作過程中使用的轉換時間T為T=T1+T2=

(2n+Dn)TC，轉換時間與輸入電壓的大小值有關，輸入最大時轉換時間最長，最長轉換時間Tm＝(2n+2n－1)TC，完成一次A/D轉換大約需要幾十毫秒。

轉換器電路最終輸出的數(shù)字量Dn與輸入模擬電壓在T1時間內(nèi)的平均值成正比，比值與基準電壓和T1時間內(nèi)記下的脈沖數(shù)目有關。

這種雙積分型ADC的突出優(yōu)點是抗干擾能力強，轉換精度高，并且不需要采樣-保持電路；缺點是工作速度低。轉換器在工作過程中使用的轉換時間T為T=T1+T2=

(

3.集成ADCLTC1290

LTC1290是12位串行數(shù)據(jù)采集芯片，采用逐次逼近式工作。它有8個輸入通道，可以編程為單端或差動式輸入。其串行口與工業(yè)標準串行口兼容，轉換結果可以方便地編程為高位在前或者是低位在前，也可以編程為8位、12位或者16位輸出，可以方便地與移位寄存器和多種處理器進行連接。

圖7.3.8是LTC1290的內(nèi)部結構框圖及外部引腳排列。3.集成ADCLTC1290

LTC1290是1圖7.3.8LTC1290內(nèi)部結構框圖及外部引腳排列圖7.3.8LTC1290內(nèi)部結構框圖及外部引腳排列

1.本章重點內(nèi)容

D/A轉換器和A/D轉換器都是大規(guī)模的數(shù)字集成器件，在數(shù)字系統(tǒng)中被廣泛應用，并有多種集成芯片可供選用。在本章中系統(tǒng)地講述了D/A轉換電路和A/D轉換電路的基本原理和電路特點，這也是本章的重點所在。由于D/A轉換器件和A/D轉換器件種類繁多，無法一一列舉。7.4本章小結1.本章重點內(nèi)容

D/A轉換器和A/D轉換器都是大在D/A轉換電路中，重點介紹了較為常見的倒T型電阻網(wǎng)絡。在A/D轉換中，把電路歸結為直接型和間接型兩種。在直接型A/D轉換電路中，重點介紹了逐次逼近型轉換電路；在間接型A/D轉換電路中，主要介紹了雙積分型轉換電路。在D/A轉換電路中，重點介紹了較為常見的倒T型電阻網(wǎng)絡。

2.本章難點內(nèi)容

轉換精度和轉換速度是D/A轉換器和A/D轉換器最重要的兩個技術指標，是本章的難點。轉換精度由分辨率和轉換誤差共同描述。在D/A轉換中：分辨率=，轉換誤差由絕對誤差表示，該值一般應低于最小輸出電壓ULSB的一半；在A/D轉換中：分辨率=，轉換誤差通常以最低有效位的倍數(shù)表示。至于轉換速度，在D/A轉換器中由轉換時間來描述，而在A/D轉換器中主要取決于轉換電路的類型。2.本章難點內(nèi)容

轉換精度和轉換速度是D/A轉換器

3.本章需注意的問題

本章需要注意的問題主要有：

(1)在使用D/A轉換器和A/D轉換器時，為保證其轉換精度，要求模擬電壓滿量程使用時，它們的地線要正確連接，否則干擾很嚴重，會影響轉換結果的準確性。在線路設計中，必