模 - 数转换器与数 - 模转换器

第十一章模/数转换器与数/模转换器

计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界，对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量，将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的A/D和D/A。

虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。本章将简单介绍D/A转换器和A/D转换器的几种主要形式。

第一节数/模转换器（Digital/AnalogConverter）

D/A转换器的作用是将数字量转换为相应的模拟量。例如：对于0~5V的直流电压，计算机用8位数字量来描述时：最小值（00000000）B=0对应0V，

最大值（11111111）B=255对应5V，

中间值（01111111）B=127对应2.5V

等等。

D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（00111111）B，应给出幅度为1.25V

的电压。

一、D/A转换电路要实现D/A转换，有很多种电路形式，下面我们介绍几种。

1、权电阻D/A转换器

自然二进制数字每位的权重是不同的（2n），对整个数值大小的影响也是不同的。权电阻D/A将这种权重的不同，对应成电阻阻值的不同，从而实现数/模转换。

电阻种类多，比例严格

2、R-2RT型D/A转换器（电阻较多，延迟、尖峰）

前一种方法电阻种类太多，数值还要准确，现在我们介绍的D/A只需要两种阻值的电阻，制作起来会容易些。

3、R-2R倒T型电阻网络D/A

这是一种常用的D/A电路，其特点是各支路电流直接流入运放，无延迟，且无论数值如何变化，总电流不变。没有尖峰电流。开关接左接右都是接地，支路电流不变。

二、D/A转换器的主要技术指标

转换精度和转换速度是D/A的两个主要指标。

1、D/A转换器的转换精度关于精度有两个概念：

分辨率：指转换器理论上可以达到的精度。通常用所用二进制的位数表示，如：8位、10位、12位等。也可以用最小非零值与最大值之比表示：如10位D/A的分辨率为：1/（210-1）=0.001即约千分之一。

转换误差：D/A转换器实际能够达到的转换精度。由于参考电压VREF的波动、运放的零点漂移、线路上的导通电阻和导通压降、电阻网络的阻值误差，实际的精度要低于分辨率。转换误差常以最低有效位对应电压值（LSB）作参考，表示为1/2LSB、1LSB，其中1LSB表示误差大小与000.....0001对应的输出值相等。1/2LSB则为其值的一半。转换误差也可以用它相当于满度输出值的百分比来表示。误差值

转换误差=————————*100%满度输出值

误差值=输入满刻度数字量时的输出—理论满度值

2、D/A转换器的转换速度

手册中通常给出建立时间ts这一指标，它表示在最恶劣情况下（输入从全0变为全1，或从全1变为全0），输出达到某一接近程度（如0.2%）所需要的时间。通常建立时间在100ns~几十s之间，有的厂家给出的高速D/A指标可达1ns一下，一般100ns就算转换速度比较快了。

第二节模/数转换器（A/D）

A/D的作用是将模拟信号转换为相应的数值，在这个过程中，肯定会有损失、有失真，因为在这一过程中，要经历对时间的离散化——采样、对幅度的离散化——量化。为了保证采样时输入电压的稳定，有时要用采样保持器（简称采保）。最后对量化的结果（最小单位的倍数）进行编码——输出数据。

一、A/D转换器电路

A/D转换器从转换方式上，可分为两大类：

间接法——先将模拟输入信号转换成时间T或频率F，然后再将中间量T或F转换为数字量。

特点：转换速度慢，精度可以做得较高，抗干扰能力强。例如数字万用表中的A/D芯片就是双积分型的。

直接法——用输入电压与芯片内部的标准电压比较，找到与之最接近的标准电压，将标准电压对应的数字量赋予该输入信号。（显然该标准电压是受一个数字量控制的，由片内D/A产生，书中称2n个量化级电压。）

特点：转换速度快，精度、抗干扰能力不如间接法。

1、V-T变换型A/D转换器（属于间接法）有一个内部斜波电压发生器有两个比较器，比较器参考电压分别为0V和输入信号电压Vi，由此形成一段与输入幅度成正比的时间间隔。有一个计数器，对上述时间间隔计数。计数值即为所求。

2、双积分式A/D转换器（属于积分型）

双积分的意思是指进行了两次积分。第一次是对输入Vi进行正向积分，对电容充电。第二次积分是对标准电压VREF反向积分，使电容放电，放光为止。对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。

双积分型A/D转换器是常用的A/D形式。特点是：转换结果与RC值、计数时钟的精度基本无关，只要在一次转换时间内保持稳定就行了，降低对电路的要求。由于是对输入信号积分，求其平均值，所以对尖峰干扰和对称交流干扰有很强的抑制作用。

3、V-F变换型A/D转换器（自学）

先将输入信号转换为频率F，然后再转换为数字量。

4、计数斜坡式A/D转换器与V-T变换型A/D有些类似，但这种方法属于直接法，是将输入电压与2n个量化级电压比较，直接得到数值。

5、逐次逼近型A/D转换器

这种A/D的工作方式有点象用天平称重。从最大的砝码开始试起，少再加砝码，多换小些的筹码。逐次逼近型与前面的计数斜坡型相比，它没有采用大排队式的递增比较，而是采用了从大到小的检索的方式，因此速度要快得多。逐次逼近型A/D设定了一组时序节拍，通过每一拍的比较输出电平，分别置位或清零各个数据位。第一拍：D/A输入为1000，满度的一半。比较输出接D#的JK第二拍：使D#由JK端状态置零或置1。使C#异步置1，D/A输入为X100。第三拍：使C#根据其JK状态置0置1。使B#异步置1，D/A输入为XX10。第四拍：输出为XXX1第五拍：下降沿置A#上升沿置为4个D触发6、并联型A/D

转换器

优点是速度很快，缺点是硬件复杂，精度不高。

任一输入电压加入所有比较器，都会有一个比较结果，

将该结果锁存于D触发器中。最后用数字电路将不同的输出组合编码。

二、A/D转换器的转换精度和转换速度

A/D转换器的精度和速度的定义与D/A的相应指标类似。转换精度也分为分辨率和转换误差，一个是理论上的，一个是实际达到的。分辨率一般用位数表示，误差一般用最低有效位LSB