第13章

數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院自動化工程系雷永鋒20137/27/2025第13章數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

13.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器

13.2模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器

7/27/2025引言模擬信號數(shù)字信號：A/D轉(zhuǎn)換器(ADC－AnalogToDigitalConverter)數(shù)字信號

模擬信號：D/A轉(zhuǎn)換器(DAC－DigitalToAnalogConverter)圖13-1A/D和D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示意圖7/27/2025A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)計算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、計算）、數(shù)據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等7/27/202513.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器常用在電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器13.1.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源和運算放大器等部分組成。圖13-2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7/27/20251.電子開關(guān)的作用及其組成雙向電子開關(guān)分別受輸入二進(jìn)制數(shù)碼的控制

圖13-35位二進(jìn)制數(shù)11010D/A轉(zhuǎn)換示意圖7/27/2025電子開關(guān)由晶體管或場效應(yīng)晶體管構(gòu)成

圖13-4晶體管雙向電子開關(guān)2.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻取值也符合二進(jìn)制規(guī)律。由于電阻阻值和每一位的“權(quán)”相對應(yīng)，所以稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)7/27/2025運算放大器輸入端的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成反相加法運算電路。這樣，就可以將權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)所轉(zhuǎn)換得的各位模擬量相加，最后獲得D/A轉(zhuǎn)換。3.運算放大器7/27/2025D/A的組成輸入4位二進(jìn)制數(shù)輸出模擬電壓S0~S3:模擬電子開關(guān)D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)求和運算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D3++-3R3R/2UO7/27/2025VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO當(dāng)D3D2D1D0=0000時,S3S2S1S0都倒向地UO=0VD/A轉(zhuǎn)換原理當(dāng)D3D2D1D0=0000時UO3R2R++-3R/2R等效電路3R0000AV=-17/27/2025VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))當(dāng)D3D2D1D0=1000時,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效電路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2當(dāng)D3D2D1D0=1000時0001AV=-13R7/27/2025VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))當(dāng)D3D2D1D0=0100時,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF當(dāng)D3D2D1D0=0100時UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效電路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-17/27/2025D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推導(dǎo)，當(dāng)D3D2D1D0=0010時，UO=–VREF/8當(dāng)D3D2D1D0=0001時，UO=–VREF/167/27/2025D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))D3D2D1D0=1000時，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100時，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010時，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001時，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根據(jù)疊加原理:UO=–(D3VREF/21+

D2VREF/22+

D1VREF/23+

D0VREF/24)=–(D3/21+

D2/22+

D1/23+

D0/24)VREF

=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)7/27/2025UO=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))此式表明:D/A電路輸出模擬電壓UO與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比7/27/2025例13-1

設(shè)，試分別求出二進(jìn)制數(shù)1010和1111相對應(yīng)的模擬輸出量。解：

（1）當(dāng)數(shù)字量為1010時（2）當(dāng)數(shù)字量為1111時顯然，輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，可適用于各種有權(quán)碼；缺點：阻值有一定的誤差，且易受溫度變化的影響，位數(shù)較多時，阻值分散性也很大7/27/202513.1.2T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只采用了R、2R兩種阻值的電阻，克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的不足在集成D/A轉(zhuǎn)換芯片中得到更廣泛的應(yīng)用圖13-5T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7/27/2025基準(zhǔn)電壓源UR輸出的總電流是固定的，其大小為：

輸出電流和各支路電流的關(guān)系為：

因為

輸出模擬電壓Uo：

T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬電壓Uo與輸入的數(shù)字量成正比（13-4）

7/27/2025一般取RF=R，則式（13-4）可寫成如下形式（13－5）T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：電子開關(guān)Sk不管是接地還是接虛地，流過各支路2R電阻中的電流總是近似恒定值，在集成芯片中應(yīng)用得最廣泛

7/27/202513.1.3D/A轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率DAC電路所能分辨的最小輸出電壓增量ULSB與最大輸出電壓Um之比稱為分辨率，它是轉(zhuǎn)換器的一個重要參數(shù)，其表示式為：2.線性度通常用非線性誤差的大小來表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度，并且把偏離理想的輸入—輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。7/27/20253.絕對精度在D/A轉(zhuǎn)換器中，任何輸入數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬電壓值與其理想電壓值之差的最大值定義為絕對精度，它描述了在整個工作區(qū)內(nèi)實際的輸出電壓與理想的輸出電壓之間的最大偏差4.建立時間實際上D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電容、電感和開關(guān)電路均存在時間延遲，即經(jīng)過一段時間才能使新的模擬量穩(wěn)定下來，這段時間就是D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間，它反映了D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。7/27/202513.1.4集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例集成D/A轉(zhuǎn)換器芯片的型號繁多，按照輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)分類有8位、10位、12位和16位等多種。8位的如DAC0832、DAC0808，10位的如DA7533、DA7520，12位的如DA7543等。CC7520集成D/A轉(zhuǎn)換器（相應(yīng)的國產(chǎn)型號為5G7520）圖13-6CC7520集成D/A轉(zhuǎn)換器7/27/2025在其基本應(yīng)用電路圖13-6中，運算放大器的輸出電壓為圖13-7CC7520的CMOS電子開關(guān)7/27/202513.2模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器13.2.1A/D轉(zhuǎn)換器概述A／D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬電壓數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成在數(shù)值上與之成正比的二進(jìn)制數(shù)。一類是直接A／D轉(zhuǎn)換器

一類是間接A／D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換采樣和保持量化和編碼兩大步驟采樣—保持電路來完成A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)實現(xiàn)7/27/2025將一個時間上和幅值上連續(xù)的模擬量vI轉(zhuǎn)換成時間上離散的模擬量vS的過程稱為采樣:圖13-8模擬信號的采樣采樣后，vI被轉(zhuǎn)換成連續(xù)的相等時間間隔的脈沖信號，其幅值等于采樣時輸入模擬量的值采樣后的電壓需要保持一段時間7/27/2025把采樣后的電壓幅值化為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程叫做量化。只舍不入

有舍有入

圖13-9劃分量化電平的兩種方法示意圖用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過程叫做編碼7/27/202513.2.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器整個電路由電阻分壓器（量化標(biāo)尺）、電壓比較器、寄存器和編碼電路4部分組成。圖13-10電路為2位二進(jìn)制數(shù)輸出的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

7/27/2025表13-1圖13-10中輸入模擬電壓和輸出數(shù)碼之間的關(guān)系

輸入模擬電壓UI寄存器狀態(tài)C2C1C0數(shù)字輸出D2D100000001010111011111最大量化誤差為。7/27/2025并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器（三位）原理(補(bǔ)充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI

6VR/8時，輸出=1UI

7VR/8時，輸出=1UI

7VR/8時，輸出=0UI

6VR/8時，輸出=0電壓比較器D鎖存器編碼器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0輸入模擬電壓精密參考電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個電阻）輸出數(shù)字量CPUI

VR/8時，輸出=1UI

VR/8時，輸出=07/27/2025并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表UIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D06VR/8

>UI>5VR/8

00111111015VR/8

>UI>4VR/8

00011111007VR/8

>UI>6VR/8

0111111110VR>UI>7VR/8

11111111114VR/8

>UI>3VR/8

00001110113VR/8

>UI>2VR/8

00000110102VR/8

>UI>VR/8

0000001001VR/8

>UI>

0

0000000000特點：輸入電壓UI每增加VR/8

，輸出數(shù)字量增加1根據(jù)以上真值表設(shè)計編碼器的組合邏輯電路（設(shè)計略）7/27/202513.2.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的過程與天平稱物重量的過程相似逐次逼