第9章數模和模數轉換模數轉換即將模擬電量轉換為數字量，使輸出的數字量與輸入的模擬電量成正比。實現模數轉換的電路稱模數轉換器（AnalogtoDigitalConverter），簡稱A/D轉換器或ADC。數模轉換即將數字量轉換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數字量成正比。實現數模轉換的電路稱數模轉換器（DigitaltoAnalogConverter），簡稱

D/A轉換器或DAC。數字系統模擬信號模擬設備A/DD/A數模混合系統示意圖9.1D/A轉換器9.1.1D/A轉換器的基本原理輸出模擬量：輸入二進制數D的按權展開式為：D/A轉換器分類：按照譯碼網絡的不同分為：

權電阻網絡D/A轉換器、倒T形電阻網絡D/A轉換器、權電流型D/A轉換器、權電容網絡D/A轉換器等。

下面僅介紹權電阻網絡D/A轉換器和目前集成D/A轉換器中常用的倒T形電阻網絡D/A轉換器。9.1.2權電阻網絡D/A轉換器4位權電阻網絡D/A轉換器主要由權電阻網絡、模擬開關、求和運算放大器和基準電源VREF四部分組成。對于n位的權電阻網絡D/A轉換器:特點：結構比較簡單，所用的電阻元件數很少。缺點：各個電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號

的位數較多時，這個問題就更加突出。9.1.3倒T形電阻網絡D/A轉換器

當某位數碼為1時，相應的開關將電阻接到運算放大器A的反相輸入端（求和點虛地）；

當某位數碼為0時，相應的開關將電阻接到運算放大器的同相輸入端（地）。II/16VREF2R2R2R2R2RRRRI/8I/4I/2對于n位輸入的倒T形電阻網絡D/A轉換器：倒T形電阻網絡D/A轉換器的特點：1.電阻種類少,只有R和2R兩種,有利于提高制作精度;2.模擬開關在地和虛地之間轉換，不論開關狀態如何，各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時間；3.各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，不存在傳輸時間差，因而提高了轉換速度，并減小了動態過程中輸出端可能出現的尖峰脈沖。9.1.4集成D/A轉換器及主要技術參數1．集成D/A轉換器AD7520

AD7520的電路的輸入為10位二進制數，芯片內只含倒T形電阻網絡、CMOS電流開關和反饋電阻R（10K）。設基準電壓VREF=-10V，則當輸入數字量d9d8…d0均為1時，輸出電壓當輸入數字量d9d8…d0均為0時，輸出電壓2．主要技術參數（1）轉換精度：分辨率、轉換誤差分辨率：指對輸出最小電壓的分辨能力，定義為最小輸出電壓VLSB（此時輸入數字代碼中只有最低有效位為1，其余各位均為0）與最大輸出電壓VOM（或稱滿量程輸出電壓，即此時輸入數字代碼中各位均為1）之比。分辨率如輸入數字代碼為10位的AD7520的分辨率此時若輸出模擬電壓滿量程為10V，則其能夠分辨的最小電壓為

轉換誤差：通常用輸出電壓滿量程FSR（FullScaleRange的縮寫）的百分數表示，也可以用最低有效位的倍數表示。如，轉換誤差為。表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于最小輸出電壓的一半。（2）轉換速度通常用建立時間tset來定量描述D/A轉換器的轉換速度。9.2A/D轉換器9.2.1A/D轉換器的基本原理A/D的功能是將模擬量的輸入轉換成數字量的輸出。一個完整的A/D轉換過程，通常要經過取樣和保持、量化和編碼步驟。取樣：將時間上連續變化的模擬量轉換成時間上離

散的模擬量過程。保持：保持取樣信號，使有充分時間轉換為數字號。取樣保持電路為了使取樣輸出信號能不失真地復現原來的輸入信號，根據取樣定理，取樣信號S(t)的頻率fs必須滿足：式中，fimax為輸入模擬信號Vi的最高頻率分量的頻率。

fs≥2

fimax量化：把取樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的

整數倍表示。方法一般有兩種：只舍不入、有

舍有入。編碼：把量化的結果用二進制代碼表示。只舍不入

取量化單位

0–?之間的模擬電壓歸并到0??–2?之間的模擬電壓歸并到1?此方法產生的最大量化誤差為?

…有舍有入取量化單位

0–0.5?之間的模擬電壓歸并到0?此方法產生的最大量化誤差為?/2…之間的模擬電壓歸并到1?A/D轉換器按工作原理分類：直接A/D轉換器：

并行比較型A/D轉換器和逐次比較型A/D轉換器間接A/D轉換器：

雙積分型A/D轉換器、電壓頻率轉換型A/D轉換器9.2.2并行比較型A/D轉換器3位并行比較型A/D轉換器電路：主要由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和優先編碼器四部分組成。1.工作原理（1）分壓器將基準電壓VREF分為(13/15)VREF、(11/15)VREF、…、(3/15)VREF、(1/15)VREF不同電壓值，分別作為比較器A1~A7的參考電壓；

（2）輸入電壓Vi的大小決定各比較器的輸出CO1～CO7狀態。（3）比較器的輸出狀態由D觸發器存儲，經優先編碼器編碼后得到3位數字量

D2D1D0輸出。2.并行比較型A/D轉換器的特點（1）轉換速度快；（2）電路規模大，轉換的二進制位數每增加1位，分壓

電阻、電壓比較器和寄存器的數量幾乎按幾何級數增加，如轉換后的二進制位數為n時，需要2n個電阻、2n-1個比較器和寄存器。另外編碼電路的規模也會增加。9.2.3逐次逼近型A/D轉換器

主要由電壓比較器、D/A轉換器、控制邏輯、逐次逼近寄存器和輸出緩沖器等部分組成。（1）轉換開始前先將寄存器清零。工作原理（2）轉換控制信號VS變為高電平時開始轉換，時鐘信號首先將寄存器的最高位置為1，其它位置置0，使寄存器的輸出為100…00。（3）將該數字量被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓VR。（4）比較，若VR>Vi，說明數字過大了，則這個1應取掉；若

VR<Vi，說明數字還不夠大，這個1應予保留。（5）再按同樣的方法將次高位置1，并比較VR與Vi的大小以確定這一位的1是否應當保留。（6）依次逐位比較下去，直到最低位比較完為止，這時寄存器里所存的數碼就是所求的輸出數字量。以3位逐次逼近型A/D轉換器為例

上述分析過程中采用的是只舍不入的量化方法，如VREF=8V，取樣電壓值Vi=4.8V時,其轉換結果D2D1D0=100,量化值為4?=4V，偏差0.8V。

為了減少量化誤差，應采用有舍有入的量化方法。可以采用在3位D/A轉換器的輸出級加一個偏移電路的方法。9.2.4雙積分型A/D轉換器

主要由積分器、過零比較器、計數器、控制邏輯和時鐘脈沖源等幾個部分組成。

轉換控制信號VS=0，將計數器清零，并接通開關S0，使積分電容C完全放電，同時開關S1合到輸入信號Vi一側。轉換控制信號VS=1時開始轉換：

第一次積分階段，S0斷開，積分器對Vi進行固定時間T1的積分。

第二次積分階段，令開關S1轉接至基準電壓-VREF一側，積分器向相反方向積分。故得到，，若取則

為了實現對上述雙積分過程的控制，可以用下圖所示的邏輯電路來完成。

此時則9.2.5集成A/D轉換器及主要技術參數1．集成A/D轉換器CC14433為雙積分型集成A/D轉換器，它采用CMOS工藝制造，將模擬電路與數字電路集成在一個芯片，只需外接少量元件就可以構成一個具有自動調零和自動極性切換功能的位的A/D轉換系統。2．主要技術參數（1）轉換精度:分辨率、轉換誤差

分辨率：用輸出二進制（或十進制）數的位數表示，它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。例如，輸入模擬電壓滿量程為10V

8位的A/D轉換器可以分辨的最小輸入電壓

10位的A/D轉換器可以分辨的最小輸入電壓

轉換誤差：通常以相對誤差的形式給出，它表示A/D轉換器實