《数字电子技术基础》第9章.数模模数转换电路资料.ppt

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1、9.1 D/A9.1 D/A转换电路转换电路9.2 A/D9.2 A/D转换电路转换电路9.3 9.3 集成集成D/A与与A/D转换电路及其应用转换电路及其应用第第9 9章章 数数/ /模和模模和模/ /数转换电路数转换电路 D/AD/A转换电路按不同的分类方法划分有多转换电路按不同的分类方法划分有多种类型。按转换网络结构区分，有权电阻网种类型。按转换网络结构区分，有权电阻网络、倒络、倒T T电阻网络、权电流网络等电阻网络、权电流网络等D/AD/A转换电转换电路。按半导体器件区分，有单极型路。按半导体器件区分，有单极型CMOSCMOS和双和双极型极型TTL D/ATTL D/A转换电路。转换电

2、路。TTL D/ATTL D/A转换电路的转换电路的转换速度高于单极型转换速度高于单极型CMOS D/ACMOS D/A转换电路，在转换电路，在转换速度要求较高的场合下，可选用双极型转换速度要求较高的场合下，可选用双极型TTL D/ATTL D/A转换电路。转换电路。 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路图图9.1.4 9.1.4 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换电路转换电路 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.1 权电阻网络图图9.1.5 9.1.5 倒倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换电路转换电路 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.

3、2 倒T电阻网络 倒倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换电路中的模拟开转换电路中的模拟开关存在着导通电阻和导通压降，它们会引关存在着导通电阻和导通压降，它们会引起流过各支路的电流变化，产生转换电流起流过各支路的电流变化，产生转换电流误差问题。为了改进倒误差问题。为了改进倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换转换电路的精度，可以采用恒流源代替各支路电路的精度，可以采用恒流源代替各支路电阻产生电流的权电流电阻产生电流的权电流D/AD/A转换电路。转换电路。 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.3 权电流D/A转换电路1 1）分辨率）分辨率2 2）满量程）满量程3 3）失调误

4、差）失调误差5 5）温度系数）温度系数4 4）非线性误差）非线性误差 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.4 D/A转换电路的主要技术指标1.1.转换精度转换精度1 1）建立时间）建立时间2 2）转换速率）转换速率ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路2.2.转换速度转换速度 A/DA/D转换是转换是D/AD/A转换的逆过程，在转换的逆过程，在A/DA/D转换转换电路中，将一个输入连续的模拟信号

5、变换为输电路中，将一个输入连续的模拟信号变换为输出离散的数字信号。若模拟参考量为出离散的数字信号。若模拟参考量为UERFUERF，则，则输出数字量输出数字量D D和输入模拟量和输入模拟量A A之间的关系为之间的关系为 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路 在在A/DA/D转换过程中，转换过程中，有时需要用到采样有时需要用到采样保保持电路，使输入持电路，使输入A/DA/D转转换电路的信号在一次转换电路的信号在一次转换时间内保持不变。换时间内保持不变。 所谓采样就是将一所谓采样就是将一个时间上连续变化的模个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散拟量转换为时间上离散的模拟量。图的模拟量。图

6、9.2.39.2.3表表示出了模拟信号与采样示出了模拟信号与采样信号的波形关系。信号的波形关系。图图9.2.3 9.2.3 模拟信号采样过程模拟信号采样过程 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.1 采样-保持电路 假定被转换的模拟输入电压ui在0UREF范围内变化。量化采用有舍有入方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段（量化阶梯），其中6段间隔为1/7 UREF，另外两段间隔（最初和最末）为1/14 UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过UREF/14，如图9.2.6所示。图图9.2.6 9.2.6 数字输出与模

7、数字输出与模拟输入之间的对应关系拟输入之间的对应关系 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.2 并行比较A/D转换电路 例9.2.1在图9.2.7电路中，已知UREF=12 V，输入模拟电压4.9 V，确定3位并行比较A/D电路的输出数字量。 解：当输入模拟电压4.9 V时，从图9.2.7电路中的比较器输入电压是在5UREF/14到7UREF/14之间，可得出输出C1C2C3C4C5C6C7=1110000。对照表9.2.1或分析电路图9.2.7，得到输出的数字量为011。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路图图9.2.8 39.2.8 3位逐次比较位逐次比较A/D

8、A/D转换电路图转换电路图 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.3 逐次比较A/D转换电路1.1.补偿电压电路补偿电压电路 逐次比较逐次比较A/DA/D转换电路转换电路不像并行比较不像并行比较A/DA/D转换电路转换电路速度快，所以在模拟输入信速度快，所以在模拟输入信号转换到数字信号期间，输号转换到数字信号期间，输入模拟量应该保持不变，输入模拟量应该保持不变，输入端需设采样入端需设采样保持电路。保持电路。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路2.2.采样采样- -保持电路保持电路 逐次比较逐次比较A/DA/D转换电路中包含转换电路中包含D/AD/A转转换电路，其精度

9、主要取决于换电路，其精度主要取决于D/AD/A转换电转换电路的精度。模拟信号转换到数字信号的路的精度。模拟信号转换到数字信号的过程中，移位寄存器在时钟的作用下，过程中，移位寄存器在时钟的作用下，RSRS触发器不断地翻转，触发器不断地翻转，D/AD/A转换电路的转换电路的电子开关不断接通与断开，所有这些都电子开关不断接通与断开，所有这些都将产生时间延迟。将产生时间延迟。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路3.D/A3.D/A转换电路转换电路 首先为首先为3 3位位D/AD/A转换电路输入转换电路输入3 3位数位数字量，依次从高到低为字量，依次从高到低为100100，由，由D/AD/A

10、转转换电路转换为模拟电压换电路转换为模拟电压u uo o，与，与uiui进行进行比较，若比较，若u uo o较小，则再在次高位二进较小，则再在次高位二进制码上置制码上置1 1，即给，即给D/AD/A转换电路置为转换电路置为110110。若若u uo o较大，则去掉较大，则去掉100100，换上，换上010010。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路4.4.比较器比较器 由由5 5个个D D触发器触发器FAFAFEFE连成模数为连成模数为5 5的环形计数器和门电路组成。将环形的环形计数器和门电路组成。将环形计数器中计数器中FAFA先置先置“1”“1”，在时钟，在时钟CPCP的的控制下

11、，控制下，“1”“1”按按FAFBFCFDFEFAFBFCFDFE循环移位，同时循环移位，同时在比较器输出信号的作用下，控制寄在比较器输出信号的作用下，控制寄存器输出二进制数的变化。存器输出二进制数的变化。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路5.5.控制逻辑电路控制逻辑电路 3 3个边沿个边沿RSRS触发器用触发器用来暂存变化的二进制数字。来暂存变化的二进制数字。1 1号触发器寄存二进制数号触发器寄存二进制数的最低位（的最低位（LSBLSB），），3 3号触号触发器寄存二进制数的最高发器寄存二进制数的最高位（位（MSBMSB）。）。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路6

12、.6.逐次比较寄存器逐次比较寄存器 G GA A、G GB B、G GC C与门组成了输出电与门组成了输出电路，当路，当Q QE E=1=1时，打开输出与门时，打开输出与门 G GA A、G GB B、G GC C，读出经逐次比较后的二进，读出经逐次比较后的二进制数码。制数码。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路7.7.输出电路输出电路 例9.2.2在图9.2.8中3位A/D转换电路中,3位D/A转换电路中参考电压UREF=7 V，若模拟输入电压ui=5.6 V，输出的3位数字量Q2Q1Q0为多少？ 解：经采样保持电路将输入模拟电压ui=5.6 V转换ui=5.6 V。开始环形计数

13、器的QA=1，则RS触发器输出Q3Q2Q1=100，所以uo=4-0.5=3.5 V。因为uoui，所以CO=0。在第2个时钟脉冲上升沿到来后，QB=1，RS触发器输出Q3=1，Q2=1，此时Q3Q2Q1=110，所以uo=6-0.5=5.5 V。因为uoui，所以CO=0。接着第3个时钟脉冲上升沿到来后，QC=1，RS触发器输出Q3Q2Q1=111，经D/A转换器后uo=7-0.5=6.5 V，使uoui，CO=1。在第4个时钟脉冲上升沿到来后，QD=1，RS触发器Q3Q2Q1变化为110。在第5个时钟脉冲上升沿到来后，QE=1，打开输出门GA、GB、GC，将转换的数字结果读出，即模拟输入电

14、压为5.6 V时,转换为三位二进制码110。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路8.8.工作原理工作原理图图9.2.10 9.2.10 双积分双积分A/DA/D转换电路转换电路 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.4 双积分A/D转换电路 双积分双积分A/DA/D转换电路先把电压转换成中间转换电路先把电压转换成中间量时间，再将时间转换为数字量，所以也称为量时间，再将时间转换为数字量，所以也称为V VT T转换电路。还可以把电压转换成其他物理转换电路。还可以把电压转换成其他物理量，如先把电压转换成频率，再将频率转换为量，如先把电压转换成频率，再将频率转换为数字量，即

15、数字量，即V VF F转换电路。上述介绍的转换方转换电路。上述介绍的转换方法属于间接转换，双积分法属于间接转换，双积分A/DA/D转换电路是间接转换电路是间接转换方法中应用最为普遍的电路。逐次比较、转换方法中应用最为普遍的电路。逐次比较、并行比较等并行比较等A/DA/D转换方法直接将电压转换为数转换方法直接将电压转换为数字，属于直接转换法。字，属于直接转换法。 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路1 1）分辨率）分辨率 2 2）量化误差）量化误差 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.5 A/D转换电路的主要技术指标1.1.转换精度转换精度1 1）转换）转换 时间时间

16、2 2）转换）转换速率速率 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路2.2.转换速度转换速度 并行数字量输入集成并行数字量输入集成DACDAC进行转进行转换时，输出建立时间短。随着输入换时，输出建立时间短。随着输入数字量的增多，引脚增多，芯片面数字量的增多，引脚增多，芯片面积较大，与其他器件连接也较为复积较大，与其他器件连接也较为复杂，下面介绍并行数据输入的集成杂，下面介绍并行数据输入的集成DAC1210DAC1210。9.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用9.3.1 集成D/A转换电路及其应用（3 3）控制电路。）控制电路。（2 2）D/A

17、D/A寄存器。寄存器。（1 1）输入寄存器。）输入寄存器。9.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用1.1.并行数字量输入集成并行数字量输入集成DAC1210DAC12109.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用2.2.串行数字量输入集成串行数字量输入集成MAX515MAX515图图9.3.4 9.3.4 串行输入串行输入MAX515MAX515功能框图功能框图9.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用 ADC0809 ADC0809采用采用CMOSCMOS工艺制造，

18、内部结构如图工艺制造，内部结构如图9.3.59.3.5所示，所示，ADC0809ADC0809输输出是出是8 8位数据，输入通道配备位数据，输入通道配备8 8路，可分时选通路，可分时选通8 8路模拟量进行转换。输路模拟量进行转换。输出设有三态出设有三态TTLTTL锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。图图9.3.5 A/D9.3.5 A/D转换电路转换电路08090809结构框图结构框图9.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用9.3.2 集成A/D转换电路及其应用 图图9.3.6 9.3.6 例例9.3.29.3.2

19、9.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用 解：（1）图9.3.6中的8位ADC0809两个参考电压输入端UREF(+)与UREF(-)可分别连接到UDD和GND。OE接高电平输出使能。ADDCADDBADDA=000，则选择IN0通道的模拟输入信号进行转换。若START、ALE和EOC相连，可分析上一次转换结束后，EOC发出高电平脉冲信号，使寄存器复位，地址选定了通道。EOC(START)在下降沿时，又开始新一轮的A/D转换，则上一次转换结束就是下一次转换的开始。 （2）ADC0809每转换一次，EOC发出一个高电平时钟脉冲信号，发给4位8421码二

20、进制计数器74161的时钟输入端。74161的输出按0000到1111计数，往复循环。 （3）74161的输出数据控制168 RAM的地址输入端，而ADC0809的数字量送到168 RAM的数据输入端。每次ADC0809转换后的数据在EOC时钟脉冲的作用下存入168 RAM，不断记录，但最多存放16个8位二进制数据。因此图9.3.6是一个简易数字采集存储电路。9.3 9.3 集成集成D/AD/A与与A/DA/D转换电路及其应用转换电路及其应用本章小结本章小结A/D转换电路和D/A转换电路是电子系统设计过程中的关键环节，为现实中的各种物理量（或被转换成的模拟电压或电流信号）和数字测量、处理的数字

21、量起着沟通的作用。数字系统的精度和速度主要取决于A/D和D/A转换电路，因此A/D和D/A转换电路的转换速度、转换精度是主要技术指标。随着集成电路工艺制造技术的发展，A/D和D/A转换电路的转换速度、转换精度、噪声、功耗等性能有了很大的进步，目前最快的A/D转换电路的转换速度超过350 MHz，最大分辨率已超过24位。常用的集成D/A转换主要采用权电阻网络、权电容网络、用双极型的权电流和用CMOS倒T电阻网络等方法。由于倒T电阻网络电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，在集成D/A转换电路中被普遍采用。双极型的权电流方法因采用恒流源和高速模拟开关具备了转换精度高、转换速度快的优点，适用于高速、

22、高精度D/A转换的场合。第第9 9章章 数数/ /模和模模和模/ /数转换电路数转换电路本章小结本章小结输入数字量的数据格式可分为两类：数字量并行输入方式和数字量串行输入方式。并行输入方式输出建立时间短，但芯片引脚较多，芯片体积大，与其他器件有较为复杂的连接。串行输入方式则只有一位数字输入信号，大大减少了输入信号引脚，使芯片体积减小，成本降低。在不计较转换时间的应用中，可使用串行输入方式获得较小的体积，具有较低的成本优势。常用的A/D转换电路采用直接转换和间接转换两种方法。直接转换方法主要有并行比较、串行比较和逐次比较等方案。间接转换方法主要有电压-时间变换（双积分）、电压频率变换等方案。第第

23、9 9章章 数数/ /模和模模和模/ /数转换电路数转换电路本章小结本章小结各种电路在精度、转换速率及其他参数等方面各具特色，因而应用都比较广泛。电压时间变换型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，在低转换速率的场合下应用广泛。电压频率变换型对于调频信号具有较高的抗干扰能力，也用于低速的遥测、遥控系统。并行比较型转换速度快，但集成度相对不高，且易受干扰，主要应用于超高速A/D转换电路中。逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度低于并行比较型，应用最为广泛。另外，A/D转换器的其他实现方法有-型A/D转换电路、流水线A/D转换电路等。根据实际需要的转换精度、转换速率、功耗等指标选择A/D转换电路和D/A转换电路，还应注意便于与其他数字系统或者微型计算机接口。第第9 9章章 数数/ /模和模模和模/ /数转换电路数转换电路