1、1第 10 章 模数转换器和数模转换器本章主要介绍了（1）数模转换器 DAC 的基本原理及多种数模转换器 DAC 的转换原理。（2）数模转换器 DAC 的主要性能。（3）模数转换器 ADC 的基本原理及多种模数转换器 ADC 的主要性能指标。 （4）常用集成 DAC、 ADC 芯片及其使用方法。 教学基本要求掌握 D/A 和 A/D 转换器的主要性能指标。理解 D/A 和 A/D 转换器的工作原理。了解常用集成芯片的使用方法。重点与难点本章重点：D/A 和 A/D 转换器的基本概念和主要性能指标。本章难点：D/A 和 A/D 转换器的工作原理。主要教学内容10.1 数模转换器的基本原理10.1
2、.1 数模转换器的概念 10.1.2 数模转换原理 10.1.3 数模转换器的构成及不同类型数模转换器的特点10.2 DAC 的转换精度与转换速度210.2.1 转换精度 10.2.2 转换速度 10.3 模数转换器的基本原理10.3.1 模数转换器的基本原理10.3.2 实现模数转换的步骤10.3.3 模数转换器的构成及不同类型模数转换器的特点10.4 模数转换器的主要技术指标10.4.1 转换精度10.4.2 转换速度10.1 数模转换器的基本原理10.1.1 数模转换器的概念经数字系统处理后的数字量，有时又要求再转换成模拟量以便实际使用，这种转换称为“数模转换” 。完成数模转换的电路称为
3、数模转换器，简称 DAC（Digital to Analog Converter）。 10.1.2 数模转换原理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，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到模拟量的转换。3其中 为二进制数按位权展开转换成的十进制数值。10.1.3 数模转换器的构成及不同类型数模转换器的特点DAC 主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成。用存于数字寄存器的数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为 1 的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器
4、对各电流值求和，并转换成电压值。根据位权网络的不同，可以构成不同类型的 DAC，如权电阻网络DAC、R2R 倒 T 形电阻网络 DAC 和单值电流型网络 DAC 等。权电阻网络 DAC 的转换精度取决于基准电压 VREF，以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同，位数多时，其阻值相差甚远，这给保证精度带来很大困难，特别是对于集成电路的制作很不利，因此在集成的 DAC 中很少单独使用该电路。它由若干个相同的 R、2R 网络节组成， 每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒 T 形网络。R2R 倒 T 形电阻网络 DAC 是工作速度较快、 应用较多的一种。和
5、权电阻网络比较，由于它只有R、2R 两种阻值，从而克服了权电阻阻值多，且阻值差别大的缺点。电流型 DAC 则是将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当于开路，所以连同电子开关在内，对它的转换精度影响都比较小，4又因电子开关大多采用非饱和型的 ECL 开关电路，使这种 DAC 可以实现高速转换，转换精度较高。10.2 DAC 的转换精度与转换速度10.2.1 转换精度在 DAC 中一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。1. 分辨率一般用 DAC 的位数来衡量分辨率的高低，因为位数越多，其输出电压 vO 的取值个数就越多（2 n个），也就越能反映出输出电压的细微变化，分辨能力就越高。 此外，
6、也可以用 DAC 能分辨出来的最小输出电压 1 LSB 与最大输出电压 FSR 之比定义分辨率。即该值越小，分辨率越高。2. 转换误差转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。常用这个最大偏差与 FSR 之比的百分数或 若干个 LSB 表示。实际上它是三种误差的综合指标。510.2.2 转换速度转换速度一般由建立时间决定。从输入由全 0 突变为全 1 时开始，到输出电压稳定在 FSR LSB 范围（或以 FSRxFSR 指明范围）内为止，这段时间称为建立时间，它是 DAC 的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。 10.3 模数转换器的基本原理10.3.1 模数转换器的基本原理
7、将模拟量转换成数字量的过程称为“模数转换” 。完成模数转换的电路称为模数转换器，简称 ADC（Analog to Digital Converter）。10.3.2 实现模数转换的步骤模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。采样定理：当采样频率大于模拟信号中最高频率成分的两倍时，采样值才能不失真的反映原来模拟信号。10.3.3 模数转换器的构成及不同类型模数转换器的特点模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接 ADC 和直接 ADC。间接 ADC 是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型 ADC。6直接 ADC 则
8、直接转换成数字量，常用的有并联比较型 ADC 和逐次逼近型 ADC。并联比较型 ADC：由于并联比较型 ADC 采用各量级同时并行比较，各位输出码也是同时并行产生，所以转换速度快是它的突出优点，同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型 ADC 的缺点是成本高、功耗大。因为 n 位输出的 ADC，需要 2n个电阻，（2 n1）个比较器和 D 触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种 ADC 适用于要求高速、低分辩率的场合。逐次逼近型 ADC：逐次逼近型 ADC 是另一种直接 ADC，它也产生一系列比较电压 VR，但与并联比较型 ADC 不同，它是逐个产生比
9、较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型 ADC 每次转换都要逐位比较，需要（ n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型 ADC 的转换速度慢，比双分积型 ADC 要快得多，属于中速 ADC 器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成 ADC 中，应用较广的一种。双积分型 ADC：属于间接型 ADC，它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。双积分型 ADC 优点是抗干扰能力强；稳定性好；可实现高
10、精度模数转换。主要缺点是转换速度7低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于多位高精度数字直流电压表中。10.4 模数转换器的主要技术指标10.4.1 转换精度集成 ADC 用分辨率和转换误差来描述转换精度。1. 分辨率 通常以输出二进制或十进制数字的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位越小，对输入信号的分辨能力就越高。例如：输入模拟电压的变化范围为 05 V，输出 8 位二进制数可以分辨的最小模拟电压为 5 V28 20 mV；而输出 12 位二进制数可以分辨的最小模拟电压为 5 V212 1.22 mV。2. 转换误差 它是指在零点和满度都校准
11、以后，在整个转换范围内，分别测量各个数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其中的最大偏差作为转换误差的指标。通常以相对误差的形式出现，并以 LSB 为单位表示。例如 ADC0801 的相对误差为 LSB。10.4.2 转换速度完成一次模数转换所需要的时间称为转换时间。大多数情况下，转换速度是转换时间的倒数。8ADC 的转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型 ADC 的转换速度最高（转换时间可小于 50 ns），逐次逼近型 ADC 次之（转换时间在 10100s 之间），双积分型 ADC 转换速度最低（转换时间在几十毫秒至数百毫秒之间）。 自我检测题1. 如果要将一个最
12、大幅值为 5.1 V 的模拟信号转换成数字信号，要求模拟信号每变化 20 mV 能使数字信号最低位（LSB）发生变化，那么应选用多少位转换器？2. 在双积分型 ADC 中，（1）若被测电压 VI（max） =2 V，要求分辨率0.1 mV，则二进制计数器的计数容量 N 应大于多少？（2）需要多少位二进制计数器？（3）若时钟频率 fCP=200 kHz，则采样保持时间至少是多少？ 思考题1. 什么是 DAC 的转换精度和转换速度？2. 如何定义 DAC 的分辨率？哪些因素会使 DAC 产生转换误差？ 3. 试比较权电阻网络 DAC、R2R、倒 T 形电阻网络 DAC 和单值电流型网络 DAC 的各自特点。4. 什么是 ADC 的转换精度和转换速度？ 5. 如何定 ADC 的分辨率？什么是 ADC 的量化误差？ 6. 试比较逐次比较型 ADC、并联比较型 ADC 和双积分型 ADC 的各自特点。 9
