第九章數模、模數轉換電路

1、9.1 概述 模數轉換（模數轉換（A/DA/D）模擬信號到數字信號的轉換模擬信號到數字信號的轉換 A/DA/D轉換器或轉換器或ADCADC（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter）實現實現A/DA/D轉換的電路。轉換的電路。 數模轉換（數模轉換（D/AD/A）數字信號到模擬信號的轉換數字信號到模擬信號的轉換 D/AD/A轉換器或轉換器或DACDAC（Digital to Analog ConverterDigital to Analog Converter） 能實現能實現D/AD/A轉換的電路。轉換的電路。數字控制系統(tǒng)原理框

2、圖數字控制系統(tǒng)原理框圖非電模擬量非電模擬量電模擬量電模擬量模數轉換模數轉換計算機或計算機或數字系統(tǒng)數字系統(tǒng)傳感器傳感器開關控制開關控制數模轉換數模轉換模擬控制模擬控制溫度溫度壓力壓力流量流量速度速度 電流電流電壓電壓 數據傳輸系統(tǒng)原理框圖數據傳輸系統(tǒng)原理框圖電模擬量電模擬量模數轉換模數轉換存儲、傳存儲、傳輸、處理輸、處理聲音或圖像聲音或圖像聲音或圖像聲音或圖像 傳感器傳感器數模轉換數模轉換9.29.2 數模（數模（D/AD/A）轉換轉換 一、一、 D/A轉換器的結構轉換器的結構 數字輸入數字輸入數碼鎖存器數碼鎖存器電子開關電子開關電阻網絡電阻網絡求和電路求和電路模擬輸出模擬輸出 VOD0D1D

3、n-1VREF數碼鎖存器數碼鎖存器完成輸入數字的鎖存并為轉換保留一定時間完成輸入數字的鎖存并為轉換保留一定時間電子開關電子開關完成基準電壓完成基準電壓VREF和地之間的倒換和地之間的倒換電阻網絡電阻網絡根據輸入數字產生不同的電流或電壓根據輸入數字產生不同的電流或電壓求和電路求和電路產生模擬輸出電壓產生模擬輸出電壓1. 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器 （1）電路結構）電路結構（2）工作原理）工作原理當輸入數字當輸入數字D0=1時時 )2(22200REF01REF00REF0DRVDRVDRVInn)2(22211REF12REF11REF1DRVDRVDRVInn當輸入數字當輸入數字D

4、1=1時時 當輸入數字當輸入數字Di=1時時 )2(22REFREFiiniiiDRVDRVII0S0S1Sn-1數碼鎖存器數碼鎖存器D0D1Dn-1數字輸入數字輸入VREFR0=2n-1RR1=2n-2RRn-1=20R模擬輸出模擬輸出 VORfAIIn-1I10111100111100110)2(22)2.22(22)2(22.)2(22)2(22.niiinREFnnnREFnnnREFnREFnREFnDRVDDDRVDRVDRVDRVIIII10REFf)2(22niiinfODVRRRIV設設n=4，Rf = R/2，VREF=-5V，則，則:)2222(25)2(252/2001

5、1223341404DDDDDRRViiiO401234min012325)21202020(250001OOVVDDDD時當) 12(25)21212121 (2511114401234max0123OOVVDDDD時當 VOVOt01211212/ ) 12(52/54444maxminnOOVV分辨率25511218n8 時：分辨率當1023112110n10時：分辨率當因此：時，因為：,1)2(min10OOOniiiVVVD10)2(/niiiOODVVAD轉換器輸出的通式為：【例例】已知某已知某8位位D/A轉換器的輸入為轉換器的輸入為11010001時時，輸出，輸出VO=2.09V

6、，求輸入為求輸入為00111100時的輸出電壓時的輸出電壓值。值。VDVVniiiOO01. 0)11010001(09. 2)2(/2101解：)(6 . 06001. 0)2(102VDVVniiiOO權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器的特點：轉換器的特點：（1 1）電路結構比較簡單；電路結構比較簡單；（2 2）電阻網絡中各個電阻的阻值相差太大；）電阻網絡中各個電阻的阻值相差太大；（3 3）容易產生輸出尖峰現象。）容易產生輸出尖峰現象。2. 倒倒T T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器 （1）電路結構（）電路結構（AD7520、CB7520）I 模擬輸出模擬輸出 VORfA2R I/16

7、2R I/82R I/4 2R I/22RRRRVREFII/2I/4I/8I/16S0S1S2S3D0D1D2D3（2）工作原理）工作原理)2222(2168420011223340123DDDDIDIDIDIDII)( ; )2(2)2222(2304001122334RVIDRRVDDDDRIRIVREFiiiFREFFFO)2(2)/10niiinREFOFDVVRRADn轉換（取位對于倒倒T T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器的特點：轉換器的特點：（1 1）電路結構比較簡單；電路結構比較簡單；（2 2）電阻網絡中的種類少（僅）電阻網絡中的種類少（僅R R和和2R2R兩種）。兩種）。二

8、、二、 電子開關電子開關 1. CMOS電壓開關電壓開關2. CMOS電流開關（電流開關（CB7520）1RiIiDi-VREFVDDVSS2RRRIout1Iout2VDDVSSDi三、三、 集成集成D/A轉換器轉換器DAC0832 8位數模轉換器位數模轉換器1. DAC0832的內部結的內部結1）8位輸入寄存器位輸入寄存器第一級數據鎖存器第一級數據鎖存器2）8位位DAC寄存器寄存器第二級數據鎖存器第二級數據鎖存器3）8位位D/A轉換器轉換器完成數模轉換完成數模轉換8位位輸入輸入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉換器轉換器DI7DI7 DI0DI0ILEILECSCSWR1W

9、R1WR2WR2XFERXFERV VREFREFI IOUT2OUT2I IOUT1OUT1RBFRBFAGNDAGNDVCCVCCDGNDDGNDIE1IE1IE2IE2&CS片選信號，用于芯片尋址；片選信號，用于芯片尋址；ILE允許鎖存信號；允許鎖存信號；WR1寫信號寫信號1；當；當LE1（內部輸入鎖存信號內部輸入鎖存信號1）=CSWR1 ILE=1時，將數據鎖存于輸入鎖存器；時，將數據鎖存于輸入鎖存器；WR2寫信號寫信號2；XFER通道控制信號，當通道控制信號，當LE2（內部輸入鎖存信號內部輸入鎖存信號2）=WR2 XFER=1時，時，8位位DAC寄存器可作為數據通道；寄存器可

10、作為數據通道；2. 信號線信號線DI7DI08位數據輸入位數據輸入IOUT1模擬電流輸出模擬電流輸出1，當，當DI7DI0為為FFH時，時， IOUT1最大，最大，當當DI7DI0為為0時，時， IOUT1=0（最?。┳钚。㊣OUT2模擬電流輸出模擬電流輸出2， IOUT2=常數常數- IOUT1RFB反饋電阻引出端；反饋電阻引出端；VREF參考電壓輸入，范圍：參考電壓輸入，范圍：+10V-10V；VCC芯片電壓，范圍：芯片電壓，范圍：+5V+15V，最佳最佳15V；AGND模擬地；模擬地；DGND數字地；數字地；3. 使用說明使用說明（1）雙緩沖器方式）雙緩沖器方式特點：轉換速度快，但控制電

11、路復特點：轉換速度快，但控制電路復雜。雜。（2）單緩沖器方式）單緩沖器方式特點：轉換速度慢，但控制電路簡特點：轉換速度慢，但控制電路簡單（常用方式）。單（常用方式）。4. DAC0832應用舉例應用舉例DAC0832采用單緩沖器方式采用單緩沖器方式四、四、 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標1. 轉換精度（分辨率或位數轉換精度（分辨率或位數n）121n分辨率取樣取樣用周期性的取樣脈沖用周期性的取樣脈沖fS，對輸入模擬對輸入模擬信號的幅度定時取出樣值，將其變成一連串信號的幅度定時取出樣值，將其變成一連串等距而不等幅的脈沖的過程。等距而不等幅的脈沖的過程。 保持保持把取樣電壓保持一段時

12、間，保證完把取樣電壓保持一段時間，保證完成成A/D轉換轉換 。 1、取樣保持、取樣保持-+UL取樣時間取樣時間保持時間保持時間0tVI0tVO波形表示波形表示1. 量化量化把取樣電平規(guī)范到某個最小單位把取樣電平規(guī)范到某個最小單位 電電壓的若干倍的過程。壓的若干倍的過程。0tVO12345678 量化方法量化方法（1）只舍不取法）只舍不取法量化誤差量化誤差 = （2）有舍有取法）有舍有取法量化誤差量化誤差 = /2二、二、 量化、編碼量化、編碼2. 編碼編碼編碼編碼把量化后把量化后 的倍數用二進制數表示的過程的倍數用二進制數表示的過程0000010100111001011101110 1 2 3

13、 4 5 6 7 0123456780000010100111001011101110 1 2 3 4 5 6 7 0123456789.3.2 A/D轉換器的類型轉換器的類型直接型直接型A/D轉換器轉換器間接型間接型A/D轉換器轉換器逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器轉換器 雙積分型雙積分型ADC一、直接型一、直接型A/D轉換器轉換器 1、逐次逼近型、逐次逼近型A/D轉換器轉換器（2）工作原理：）工作原理：第一步送出第一步送出Qn-1=1（最大砝碼）將產生的最大砝碼）將產生的D/A電壓與輸入電壓電壓與輸入電壓VI比較。比較。第二步根據比較結果決定第二步根

14、據比較結果決定Qn-1的去留，并加入的去留，并加入Qn-2與與VI比較。比較。依此類推直至加入依此類推直至加入Q0。最后一步根據比較結果決定最后一步根據比較結果決定Q0的去留，并輸出轉換結果。的去留，并輸出轉換結果。-+A逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器D/A轉換器轉換器控制控制邏輯邏輯輸輸出出緩緩沖沖器器Qn-1 Qn-2 Q0Qn-1(MSB)Qn-2Q0(LSB)數數字字輸輸出出時鐘脈沖時鐘脈沖CP啟動脈沖啟動脈沖模擬輸入模擬輸入VI基準電壓基準電壓VREF電壓電壓比較器比較器完成轉換時間：完成轉換時間： (n+1)TCP2 2、并聯(lián)比較型、并聯(lián)比較型A/DA/D轉換器轉換器 -+C6-+C

15、5-+C4-+C3-+C2-+C1-+C7DDDDDDDRRRRRRRR/2VREF模擬模擬輸入輸入VIVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/15&FF1FF7FF3FF4FF5&D2(MSB)D0(LSB)D1CP電壓比電壓比較器較器鎖存器鎖存器編碼器編碼器FF6FF2輸入模擬電壓輸入模擬電壓 VI 寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)（編碼器輸入）（編碼器輸入）Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 數字量輸出數字量輸出（編碼器輸出）（編碼器輸出）D2 D1 D0 （01/15）VREF（1/153/15）VREF（

16、3/155/15）VREF （5/157/15）VREF（7/159/15）VREF（9/1511/15）VREF（11/1513/15）VREF（13/151）VREF 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 42QD 2462462461QQQQQQQQQD1345671234567123456702QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ

17、D二、二、 間接型間接型A/D轉換器轉換器電壓電壓頻率變換（頻率變換（VF變換）；電壓變換）；電壓時間變換時間變換（VT變換）變換）（VT變換）變換）（2） 工作原理工作原理下降；次積分），使第積分接通，積分器開始對與復位，啟動BIIAnDVVVVQQR1(0) 1 (0上升；次積分），使積分（第開始對的積分，結束對接于，脈沖后，個當輸入BREFIREFAnnVVVVVQCP212)2(。轉換，讀出轉換結果結束本次，停止計數，（過零）使脈沖后，個當輸入01/00)3(DDDAVVCPMnCB-+A-+AFF2Q2D2FF1Q1D1FF0Q0D0FFn-1Qn-1Dn-1FFnQnRD啟動啟動&

18、amp;CPRC積分器積分器過零過零比較器比較器VAVBVCVDV I-VREFGCPnTT21M（3） 工作波形工作波形（4） 波形分析波形分析0tQn0tVA0tVC0tVB0tVD-VREFVIt1t20 0t t1 1階段積分器對階段積分器對V VI I積分：積分：CPnIItIBTRCVTRCVdtVRCV211101t t1 1t t2 2階段積分器對階段積分器對-V-VREFREF積分：積分：CPREFREFttREFBTMRCVTRCVdtVRCV2212)(1nREFICPREFCPnICPREFCPnIBBVVMTMRCVTRCVTMRCVTRCVVV2202021即：低速低速ADC;最小轉換時間最小轉換時間=2nTCP最大轉換時間最大轉換時間=2n+1TCP三、三、 A/D轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 1.1. 轉換精度轉換精度 （階梯電壓）分辨率（分解度）naxV2Im【例例】已知已知8位位A/D轉換器的基準電壓轉換器的基準電壓VREF=5.12V，求當輸入為求當輸入為VI=3.