数字电子技术08

8.1D/A转换器8.2A/D转换器8模数与数模转换器如何实现数/模转换？数/模转换器的典型电路结构有哪几种类型？各有什么使用特点？如何实现数/模转换器的双极性输出？直接型模/数转换器的转换过程包括哪些环节？模/数转换器的典型电路结构有哪些？各有什么优缺点？数/模转换器和模/数转换器的主要技术指标有哪些？本章要点A/D

转换器

D/A

转换器

模拟

控制器

工业生产过程控制对象

模

拟

传感器

典型的计算机测控系统结构框图将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字

计算机8.1D/A转换器8.1.1D/A转换的基本原理8.1.2倒T形电阻网络D/A转换器8.1.4D/A转换器的输出方式8.1.3权电流D/A转换器8.1.5D/A转换器的主要技术指标8.1.6集成D/A转换器及其应用将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量DAC8.1D/A转换器模拟量1、数

/

模转换器:A

=KDO=–KNB

数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量--模拟量的转换。①实现D/A转换的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20将二进制数ND＝(11001)B转换为十进制数。8.1.1D/A转换的基本原理②

D/A转换器的组成:n位D/A转换器的组成框图④D/A转换器的分类:按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC

权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转

换

器③权电阻网络实现D/A转换的原理电路

8.1.2倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”或虚地。基准电压

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入运放的总电流：i＝I0+I1+I2+I3输出模拟电压：

8.1.3权电流型

D/A转换器在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。8.1.3权电流型

D/A转换器8.1.4D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模拟量

数字量MSBLSB常用双极性编码模拟量2的补码偏移二进制码D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0127011111111111111112601111110111111101000000011000000100000000010000000-11111111101111111-1271000000100000001-1281000000000000000

8.1.5D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。

分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为1、分辨率2、转换精度：转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等3.转换速度当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，要延迟一段时间。通常用建立时间和转换速率来定量描述D/A转换器的转换速度。(1)建立时间。建立时间指输入数字量发生变化时输出电压达到规定误差范围(一般为)所需要的时间。8.1.6集成D/A转换器及其应用)DAC0808的电路结构框图8.2.8集成A/D转换器及其应用8.2A/D转换器8.2.1A/D转换的一般工作过程8.2.2

并行比较型A/D转换器8.2.3逐次比较型A/D转换器8.2.4双积分式A/D转换器

8.2.5V-F变换型A/D转换器

8.2.7A/D转换器的主要技术指标

8.2.6

型A/D转换器取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散8.2.1A/D转换的一般工作过程

A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。1.采样和保持

采样定理：

为了能从采样输出信号真实地复现模拟信号，采样信号必须有足够高的频率，即必须满足条件采样—保持电路的原理图及波形图2.量化与编码数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通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A/D转换器输出的数字量。量化3.编码在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号编码量化后电压a)只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码b)四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v输入信号编码模拟电平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码8.2.2并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压输出数字量所加砝码重量结果

8.2.3逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。第一次8克砝码总重<待测重量Wx，8克砝码保留8克第二次再加4克砝码总重仍<待测重量Wx，4克砝码保留12克第三次再加2克砝码总重>待测重量Wx，2克砝码撤除12克第四次再加1克砝码总重＝待测重量Wx，1克砝码保留13克所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。8.2.4双积分式A/D转换器

对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压－时间－数字式积分器。第一次积分阶段：

第二次积分阶段

8.2.5V-F变换型A/D转换器电压-频率变换型A/D转换器(简称V-F变换型A/D转换器)也是一种间接型A/D转换器。其转换原理是：首先将输入的模拟电压信号转换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号进行计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字量。单片集成的V-F变换器一般采用电荷平衡式电路结构，又分为积分器型和定时器型两种常见的形式。8.2.5V-F变换型A/D转换器8.2.6型A/D转换器D触发器输出Q为低电平，使参考电压uR接地，设输入信号uI=2V，差动放大器输出为-2V，积分器输出电压不断上升，使比较器输出为高电平，则在下一个时钟脉冲上升沿触发器输出状态为高电平，使参考电压2.56V接入差动放大器的同相端。8.2.6型A/D转换器由于积分器电容两端的电荷处于平衡状态，充电电荷与放电电荷量相等

多次充放电，采用多次累加的方法，用多次放电周期之和与多次充放电周期之和的比值确定输入电压

1.转换精度8.2.7A/D转换器的主要技术指标单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。