第12章模数与数模转换电路

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1、数数 字字 电电 子子 技技 术术 基基 础础第第1212章章 模模/数与数数与数/模转换电路模转换电路12.1 概述概述12.2 D/A转换器转换器12.3 A/D转换器转换器12.4 本章小结本章小结第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.1 12.1 概述概述模数转换器模数转换器数模转换器数模转换器 模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电信号到数字电信号的转换。信号到数字电信号的转换。（Analog - Digital Converter），简称），简称A/D转换器转换器、ADC 数模转换器一般属于系统的后

2、级电路，完成数字电数模转换器一般属于系统的后级电路，完成数字电信号到模拟电信号的转换。信号到模拟电信号的转换。（Digital - Analog Converter），简称），简称D/A转换器转换器、DAC第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.2 12.2 D/A 转换器转换器12.2.1 12.2.1 D/A 转换原理转换原理d0d1dn-1DACuO或或iO例如：例如：DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 11113148212121)1101(0232 10O)2(niiiDku输出模拟电压输出模拟电压实际是实际是不连续

3、不连续的，而是由一系列的，而是由一系列“台阶电压台阶电压”组成。组成。 其最小单位就是输入其最小单位就是输入“0001”所对应的模拟电压大小，就所对应的模拟电压大小，就是是比例系数比例系数 k 的大小。的大小。MSB：输入：输入n位二进制数位二进制数 的最高位；的最高位；LSB：最低位；：最低位；FSR：最大输入数字量：最大输入数字量 “1111”。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 权电阻网络权电阻网络DAC1. 1. 电路结构电路结构000011112. 2. 工作原理工作原理3REF3dRVI )(20123FOIIIIRiRu 2REF22dR

4、VI 12REF12dRVI 03REF02dRVI )2222(2 )222(2001122334REF03REF12REF2REF3REFOddddVdRVdRVdRVdRVRu nnnnnnDVddddVu4REF00112211REFO2)2222(2 第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 权电阻网络权电阻网络DAC1. 1. 电路结构电路结构000011113. 3. 器件特点器件特点优点优点： 电路结构简单；电路结构简单； 转换速度也比较快。转换速度也比较快。缺陷缺陷： 电路中电阻大小各不相电路中电阻大小各不相同，且差异很大，转换器同，且差异

5、很大，转换器位数越大，这种差异就越位数越大，这种差异就越大。权电阻的阻值精度直大。权电阻的阻值精度直接限制了转换精度。同时接限制了转换精度。同时不利于集成化。不利于集成化。 电子开关的导通电阻和电子开关的导通电阻和导通压降都会影响转换精导通压降都会影响转换精度和转换速度。度和转换速度。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路二二. . 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络DAC1. 1. 电路结构电路结构RRRR11110000第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路2. 2. 工作原理工作原理)21212121(168420413223REF01

6、23ddddRVdIdIdIdIi )2222(2001122334REFOddddViRu 外接电压外接电压VREF输出的总电流：输出的总电流：RVIREF 3. 3. 器件特点器件特点只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。 倒倒 T 型电阻网络型电阻网络DAC的转换精度和转换速度，都优于权电的转换精度和转换速度，都优于权电阻网络阻网络DAC，许多型号的集成许多型号的集成DAC芯片都采用此结构。芯片都采用此结构。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路三三. . 其他类型其他类型DAC1. 1. 权电

7、流型权电流型DAC2. 2. 权电容型权电容型DAC3. 3. 双极性输出型双极性输出型DAC 电路结构与权电阻网络电路结构与权电阻网络DAC类似，类似，内部使用多个恒流源内部使用多个恒流源，其大小依次为前一个的一半，从而构成其大小依次为前一个的一半，从而构成“权结构权结构”。 仍采用权电阻网络仍采用权电阻网络DAC类似的电路结构，类似的电路结构，但用多个电容替但用多个电容替代了权电阻网络中的各电阻代了权电阻网络中的各电阻，且电容大小仍满足，且电容大小仍满足“权结构权结构”。 实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号转换为对应的模拟信

8、号，此时就需要使用双极性输出型转换为对应的模拟信号，此时就需要使用双极性输出型DAC。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路12.2.2 12.2.2 D/A 转换器的性能指标转换器的性能指标一一. . 转换精度转换精度表征表征DAC的理论转换精度。的理论转换精度。分辨率分辨率转换误差转换误差表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。1. 1. 分辨率分辨率DAC输入的最小有效数字输入的最小有效数字“0001”和最大有效数字和最大有效数字“1111”分别对应分别对应的输出模拟量的比值，即的输出模拟量的比值，即MSB和

9、和FSR对应的输出模拟量的比值对应的输出模拟量的比值。121)12(212REFREFFSRMSB nnnnVVVV121FSRMSB n分分辨辨率率n 位位DAC器件，常常直接把器件，常常直接把“2n”或者或者“n位位”称为分辨率。称为分辨率。例如：例如：8位位DAC的分辨率就是的分辨率就是 255，或者，或者8位。位。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路一一. . 转换精度转换精度2. 2. 转换误差转换误差 转换误差是一个转换误差是一个综合性的静态指标综合性的静态指标，它通常包括，它通常包括比例系数误差比例系数误差、非线性误差非线性误差、漂移误差漂移误差等多

10、个成分，等多个成分，这些误差的这些误差的绝对值之和绝对值之和，就是，就是DAC的转换误差大小。的转换误差大小。 由于由于DAC电路内各环节不可避免地存在与理论性电路内各环节不可避免地存在与理论性能不一致的差异，因此能不一致的差异，因此实际的输出模拟量实际的输出模拟量和和理论输出理论输出量量之间存在一定误差，之间存在一定误差，这种误差的最大差值这种误差的最大差值称为称为DAC的转换误差。的转换误差。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路二二. . 转换速度（建立时间）转换速度（建立时间） DAC的的转换速度转换速度通常用通常用建立时间建立时间来描述，指从数字信号来描述

11、，指从数字信号输入输入DAC开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整个转换过程所需要的时间。个转换过程所需要的时间。建立时间建立时间 tset 的定量：的定量： 从输入数字量发从输入数字量发生突变开始，到输出生突变开始，到输出模拟量进入与稳态值模拟量进入与稳态值相差相差(1/2)LSB 范围范围以内的这段时间。以内的这段时间。第第1212章章 模模/ /数与数数与数/ /模转换电路模转换电路现在常用的集成现在常用的集成DAC器件从内部组成上区分，有两大类：器件从内部组成上区分，有两大类： 内部只包含电阻网络（或恒流源网络、电容网络等）内部只包含电