第八章 数模转换和模数转换

第八章数/模与模/数转换8.1DAC8.2ADC8.1DAC8.1.1DAC的基本概念1.转换特性

DAC电路输入的是n位二进制数字信息B(Bn-1,Bn-2,…B1、B0)，按权展开式为

DAC的任务是将输入的数字信号转换成与输入数字量成正比例的输出模拟量电流i或者电压u。

DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uo或电流io，即式中K为转换比例常数。

图8-2DAC框图DACBn­1Bn­2…B1B0MSBLSB输入数字信号B输出模拟量uOiO或å-=.=.=102niiiBKBK图8-3当n=3时，DAC转换电路的输出与输入转换特性2.分辨率分辨率

n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,当n=10时，DAC分辨率=;当n=11时，DAC分辨率。电路所能分辨的最小输出电压增量与满刻度输出电压之比。

3.精度

(1)非线性误差；

(2)比例系数误差；

(3)漂移误差；

4.转换时间

也称建立时间，是从输入数字信号时开始，到输出电压或者电流达到稳定状态时所需要的时间。8.1.2DAC的电路形式及工作原理1.权电阻图8–4权电阻DAC电路当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准电压UR，相应的电阻Ri支路上产生电流当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0。根据叠加原理，总的输出电流为因此电流表达式应为通过集成运算放大器，输出电压为将代入则得例如，UR=8V,输入八位二进制数码为11001011，则输出电压为。

2.倒T型网络DAC图8–5R-2R倒T型网络DAC电路运算放大器的输出电压为若Rf=R,并将I=UR/R代入上式，则有8.1.3集成DAC图8-7AD7520引脚图

D0-D9为10个数码控制位，控制内部CMOS的电流开关。

IO1和IO2为电流输出端。

Rf为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。

UREF为基准电压输入端。

+UDD端接电源的正端。

GND端为接地端。1IO1IO2GNDD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9RfUREF+UDDAD752023456789101112131415168.2ADC8.2.1ADC的组成1.ADC的两个组成部分及其作用图8-8ADC的组成部分(1)采样保持电路。

采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足公式fs≥2fimax(fimax为输入电压频谱中的最高频率)，这样就能将采样保持后的不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式称为采样定理。图8–9采样保持前后的波形举例CPsT采样保持TsuI(t)uI(t)uI(t)uI(t)`tt保持保持保持采样采样采样采样(2)量化编码电路。采样保持电路的输出信号无法与n位有限的2n个数字量输出X相对应。因此必须将采样后的值只限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上,这个过程称为“量化”。将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码对应的过程称作“编码”。2.量化方式和量化误差

(1)只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值之间，即(k为整数)

(2)四舍五入法。当uI的尾数不足时，用舍尾取整法得其量化值；当uI的尾数等于或大于时，则入整。图8–11两种量化方法的比较8.2.2ADC电路1.双积分ADC双积分ADC又称双斜率ADC，它先将模拟电压uI转换成与之大小对应的时间T，再在时间间隔T内用计数器对固定频率计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。图8–12双积分A/D电路原理图图8–13双积分ADC工作波形

(1)采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0，开关S与输入信号uI连接,积分器对uI进行积分，输出为。

τ为积分时间常数由于uA＜0，过零比较器输出UC=1，G门打开，n位二进制计数器从0开始计数，一直到时，触发器又全部回到0，Qn=1，开关S转接至基准电源-UR，采样阶段结束。此时

(2)比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分器对-UR进行积分，积分器输出当uA≥0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则代入上式得求得2.逐次逼近式ADC图8–14四位逐次逼近型A/D转换器原理框图假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信号电压uI=6.25V。首先，在脉冲CP0作用下，JK触发器的状态置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压,所以。由于，比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，JK触发器的状态变为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参考电压 。由于，

比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1,K=0。CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参考电。由于，比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参考电压

。由于，比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。

CP3作用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器A，使QA=0，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V的二进制代码。暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的二进制代码。3.并行比较型电路图8-16三位二进制数的并行比较型ADC电路

8.2.3ADC的主要技术指标1.分辨率分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。一个n位ADC的分辨率为满量程的1/2n。例如，ADC输出为八位二进制数，输入信号最大值为5V，其分辨率为分辨率2.转换误差转换误差表示ADC实际输出的数字量和理论