第十一章 数模及模数转换器

1、数模与模数转换器数模与模数转换器 分辨率分辨率、转换精度转换精度、转换速度转换速度和和温度系数温度系数是衡量是衡量A/D和和D/A转换转换器的重要技术指标。器的重要技术指标。 在数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及下，在现代在数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及下，在现代控制、通信及检测领域中，为了提高系统的性能，控制、通信及检测领域中，为了提高系统的性能，广泛采用了数字广泛采用了数字计算机技术计算机技术。 但系统的但系统的实际对象往往都是一些模拟量实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首图像等

2、），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析处理后输出的先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析处理后输出的数字量，也往往需要将其转换成相应的模拟信号才能被执行机构所数字量，也往往需要将其转换成相应的模拟信号才能被执行机构所接受。接受。 这就需要一种能在模拟和数字信号间起桥梁作用的电路这就需要一种能在模拟和数字信号间起桥梁作用的电路模数模数转换器和数模转换器转换器和数模转换器。 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器转换器）；将数字信号转换成模拟信号的电

3、路称为数模转换器）；将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称（简称D/A转换器转换器）指导思想：数字量是用指导思想：数字量是用代码代码按数位按数位组合起来表组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的示的，对于有权码，每位代码都有一定的权权。为了将数字量转换成模拟量，必须为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的将每一位的代码代码按其权的大小按其权的大小转换成相应的模拟量，然后转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量将这些模拟量相加相加，即可得到，即可得到与数字量成正比与数字量成正比的总模拟量的总模拟量，从而实现数字模拟的转换，从而实现数字模拟的转换。1 D/A转换器转换器 D/A转换器

4、由转换器由数码寄存器数码寄存器、模拟电子开关电路模拟电子开关电路、解码网络解码网络、求和电路求和电路及及基准电压基准电压几部分组成。几部分组成。1.数字量以串行或并行方式输入并存储于数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存数码寄存器器中；中；2.寄存器输出的每位数码来驱动对应数位上的寄存器输出的每位数码来驱动对应数位上的电子电子开关开关；3.电阻解码网络中获得相应的电阻解码网络中获得相应的数位权值数位权值，然后送入，然后送入求和电路求和电路；4.求和电路将求和电路将各位权值相加各位权值相加即得到与数字量对应的即得到与数字量对应的模拟量模拟量。转换过程：转换过程：11.2.1 权电阻网络D/A

5、转换器 图中图中S0S3为模拟开关，模拟开关为模拟开关，模拟开关Si由输入码由输入码Di控制，当控制，当Di1时，时，Si接运算放大器的反相端，电流接运算放大器的反相端，电流Ii流入求和电路；当流入求和电路；当Di0时，时，Si将接地。将接地。 图中图中S0S3为模拟开关，为模拟开关，R2R电阻解码网络呈倒电阻解码网络呈倒T形形，运算，运算放大器放大器A组成组成求和电路求和电路。模拟开关。模拟开关Si由输入码由输入码Di控制，当控制，当Di1时，时，Si接运算放大器的反相端，电流接运算放大器的反相端，电流Ii流入求和电路；当流入求和电路；当Di0时，时，Si将使电阻将使电阻2R接地。接地。11

6、.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器以以4位位D/A转换器为例说明其工作原理：转换器为例说明其工作原理：对于电路图中输入每一个二进制数对于电路图中输入每一个二进制数NB，均能在其输出端得到，均能在其输出端得到与之与之成正比的模拟电压成正比的模拟电压VO。 通过以上分析，要使倒通过以上分析，要使倒T型型D/A转换器具有较高的精度，对电转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：路中的参数有以下要求：1.基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；2.倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；3.每个模拟开关的开关电压降要相等。每个模拟开关的开关

7、电压降要相等。4.运放的零点漂移要小运放的零点漂移要小 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的转换器的缺点缺点：电路中存在模拟开关电压：电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生误差，为进一步降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生误差，为进一步提高提高D/A转换器的精度，可采用转换器的精度，可采用权电流型权电流型D/A转换器转换器。11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器 电路中，电路中，用一组恒流源代替了电阻网络用一组恒流源代替了电阻网络。这组恒流源从高位。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为：到低位电流的大小依次为： I/2、I/4、I/8、I/163

8、04001122334012322)2222(2)16842(iiiffffoDRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv 在图中，当输入数字量的某一位代码在图中，当输入数字量的某一位代码Di1时，开时，开关关Si接运算放大器的反相端，相应权电流流入求和电路；接运算放大器的反相端，相应权电流流入求和电路；当当Di0时，开关时，开关Si接地。分析改电路，可得到：接地。分析改电路，可得到： 采用了恒流源电路后，采用了恒流源电路后，各支路权电流的大小均不受开关导通各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换，这就降低了对开关电路的要求，提高了

9、转换精度。精度。2 A/D2 A/D转换器转换器 为将时间连续、幅值也连续的模拟量为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，号，A/DA/D转换一般要经过转换一般要经过取样取样、保持保持、量量化化及及编码编码4 4个过程。个过程。1.1.取样与保持取样与保持 取样取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。图中，离散的模拟量。图中，传输门传输门受取样信号受取样信号S S（t t）控制，在控制，在S S（t t）的脉宽）的脉宽期间，传输门导通，输期间，传输门导通，输出信号出信号V VO O

10、（t t）为输入信号）为输入信号V VI I(t)(t)，而在其它（，而在其它（T TS S- -）期间，传输门关闭，输出信号）期间，传输门关闭，输出信号V VO O（t t）0 0取样定理取样定理：设取样信号设取样信号S（t）的频率为的频率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号vI（t）的最高频率分量的频率）的最高频率分量的频率为为fimax，则，则fs与与fimax必须满足必须满足下面的关系：下面的关系：max2isff 一般取一般取fs2fimax 通过分析可知，通过分析可知，取样信取样信S(t)的频率越高，所取得信号经低的频率越高，所取得信号经低通滤波器后越能真实地复现输通滤波器后越能真实

11、地复现输入信号入信号。合理的取样频率由取。合理的取样频率由取样定理确定。样定理确定。 将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号需要一定将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号需要一定的时间，为给后续的量化编码过程提供一个稳定值，取得的模的时间，为给后续的量化编码过程提供一个稳定值，取得的模拟信号拟信号必须通过保持电路保持一定的时间必须通过保持电路保持一定的时间。2. 量化与编码量化与编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟为将模拟信号转换为数字量，在信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将转换过程中，必须将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式规取样保持电路的输出电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为划到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为，简称，简称。量化后的数值最后还须通。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是的代码就是A/D转换器输出的数字量。