第7章数模与模数转换电路

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1、(7-1)肖合九肖合九 教授教授数字逻辑电路数字逻辑电路 (7-2)第第7 7章章 数模与模数转换电路数模与模数转换电路 (7-3)第第7章章 数模与模数转换电路数模与模数转换电路概述概述7.1 D/A 转换器转换器7.2 A/D 转换器转换器(7-4)一、数模、模数转换器是模拟、数字系统间的桥梁一、数模、模数转换器是模拟、数字系统间的桥梁概概 述述 能将模拟量能将模拟量(温度、湿度、压力、流量、速度等温度、湿度、压力、流量、速度等)转转换为数字量的电路称为模数转换器，简称换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器转换器或或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，能将数字量

2、转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称简称D/A转换器或转换器或DAC。 ADC和和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。也可称之为两者之间的接口。 二、性能指标二、性能指标 转换精度和转换速度转换精度和转换速度是衡量是衡量ADC和和DAC转换性能转换性能的主要指标。的主要指标。 (7-5) 三、常见数模、模数转换器应用系统举例三、常见数模、模数转换器应用系统举例(7-6)7.1.1 D/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理一、对一、对D/A转换器的基本要求转换器的基本要求01234567001010011100101110111

3、uo/VD000DACuO或或iO输输入入输出输出dn-1d1d0 1、输入、输出关系框图、输入、输出关系框图 如左下图所示，如左下图所示，d0dn-1是输入的是输入的n位二进制数，位二进制数，uO或或iO是与是与输入二进制数成比例的输出电压或电流。输入二进制数成比例的输出电压或电流。 2、转换特性、转换特性 右下图所示是输入为右下图所示是输入为3位二进制数时位二进制数时DA转换器的转换特性，转换器的转换特性，它具体而形象地反映了对它具体而形象地反映了对DAC的基本要求。的基本要求。(7-7) 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，

4、然后将代表各位的模拟量相加，所得的应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。到模拟量的转换。uo或 io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnuD/A转换的基本原理转换的基本原理)2222(00112211oddddKinnnni或或Ku或或Ki是比例系数是比例系数(7-8)DAC的类型的类型 在常见的在常见的DAC中，主要有如下几种类型：中，主要有如下几种类型： 权电阻网络权电阻网络DAC；2. 倒梯形（倒梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DA

5、C； 3. 权电流型权电流型DAC； 4. 开关树型开关树型DAC等；等； 5. 权电容网络权电容网络DAC。(7-9)uo二、电路组成二、电路组成 倒梯形（倒梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DAC如下图所示。图中如下图所示。图中S0S3为模拟为模拟开关，由输入数码开关，由输入数码di控制，当控制，当di=1时，时，Si接运算放大器反相输入接运算放大器反相输入端（虚地），电流端（虚地），电流Ii流入求和电路；当流入求和电路；当di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地（地或虚地）。或虚

6、地）。倒倒T形形电阻解电阻解码网络码网络 模拟模拟开关开关求和集成运求和集成运算放大器算放大器 基准参基准参考电压考电压 (7-10)计算倒计算倒T型电阻网络支路电流的等效电路型电阻网络支路电流的等效电路分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻都是处向左看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是到地，也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。(7-11)uo(7-12) （1）分辨率）分辨率 分辨率是指对输出电压的分辨能力

7、。分辨率定义为最小分辨分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率定义为最小分辨电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位量最低位(LSB)为为1，其余位均为，其余位均为0时的输出电压，记为时的输出电压，记为ULSB。最。最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记时的输出电压，记为为UFSR。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。

8、越大，分辨率越高。用输入二进制数的有效位数表示用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为。在分辨率为n位的位的D/A转转换器中，输出电压能区分换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给个不同的输入二进制代码状态，能给出出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。用用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：00101023112110 转换精度转换精度三、三、DAC的主要性能指标的主要性能指标(7-13) （2）转换误差：）转换误差： 是指输出模拟电压的实际

9、值与理想值之差。有各种因素引起：是指输出模拟电压的实际值与理想值之差。有各种因素引起： 比例系数误差比例系数误差它是参考电压它是参考电压VREF的偏离而引起的误差，的偏离而引起的误差，因因VREF是比例系数，是比例系数， 故称之为比例系数误差，如左下图所示。故称之为比例系数误差，如左下图所示。 漂移误差漂移误差它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入数字量为数字量为 0 时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并不为不为 0。这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移，。这使输出电压特性与理想电压特性

10、产生一个相对位移，如右下图中的虚线所示。如右下图中的虚线所示。 非线形误差非线形误差它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数来表示。偏差产生的，常用满刻度的百分数来表示。(7-14) 转换误差的表示：转换误差的表示： 用输出电压满刻度用输出电压满刻度FSR的百分数表示。的百分数表示。 也可用最低有效位（也可用最低有效位（ LSB）的倍数表示。）的倍数表示。例如：给出转换误差的例如：给出转换误差的1/2LSB，这就表示输出模拟电，这就表示输出模拟电压与理想值之间的绝对误差小于等于当输入为压与理想值之间的绝对误差小于等于当输入为

11、001时的输出电压的一半。时的输出电压的一半。(7-15) 2. 转换速度：转换速度： D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换时间，它决定出电压所需要的时间称为转换时间，它决定D/A转换转换器的转换速度。器的转换速度。 描述描述D/A转换器转换速度的参数是：转换器转换速度的参数是： 建立时间建立时间ts 从数字信号输入从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度。目前小决定了转换速度。目前1012