数字电路第七章

第7章数/模转换和模/数转换

模拟

传感器

A/D

转换器

数字控制

计算机

D/A

转换器

模拟

控制器

D/A

转换器

A/D

转换器

D/A

转换器

传感器A/D

转换器

D/A

转换器

传感器A/D

转换器

D/A

转换器

传感器A/D

转换器

D/A

转换器

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。工业生产过程控制对象A/D

转换器

D/A

转换器

传感器(温度、压力、流量、应力等）计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制信号1、DAC的功能:将数字量成正比地转换成与之对应的模拟量。（设D/A转换器的输入数字量为n位）n位数字量模拟量0~5V或0~10V等DAC4位8位10位12位16位等n=n位数字量模拟量0~5V或0~10V等DAC7.1D/A转换器如何实现D/A？

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,这样，就可以实现数字量--模拟量的转换。2.

实现D/A转换的基本思想3.

D/A转换器的组成:

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器4.

D/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DACCMOS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

器按模拟电子开关分类7.1.1权电阻网络D/A转换器Di=0,Si接地Di=1,Si接基准电压，电流Ii流入求和电路

权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相连的电阻将接“地”或虚地。1、原理电路2.工作原理

根据运算放大器线性应用时“虚断”和“虚短”的概念可知输出电压为

取RF=R/2，则

此电路结构简单，所用的电阻元件少。但是各个电阻的阻值相差较大，在输入数字量位数越多时问题越严重，而且难以集成，所以这种电路使用受到很大限制。

取RF=R/2，则7.1.2倒T形电阻网络D/A转换器Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路

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。1、原理电路II2I1I0I3i＝

I0+I1+I2+I32.工作原理：流入运放的总电流：

2.工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压：

2.工作原理：4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：推广到n位倒T形电阻网络DAC,有：令：则O=–KNB

上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。解：(1)当输入数字量D3D2D1D0=0010时例7.1在倒T形电阻网络D/A转换器中，设UREF=-5V，RF=R,试求：（1）当输入数字量D3D2D1D0=0010时，输出的电压值。（2）当输入数字量D3D2D1D0=0101时，输出的电压值。（3）当输入最大数字量时，输出的电压值。7.1.5D/A转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。说明D/A在理论上能到达的精度。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。输入数字量位数越多，分辨率越高。计算分辨率时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输入数字量的位数n越多，分辨率的值越小，分辨能力越高。转换输出量就越平滑、连续、模拟信号的还原度就越好。2转换精度：输出模拟量电压的实际值与理想值之差。由转换过程的各种误差引起，其中主要是转换误差：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：D/A转换器输入的数字量发生变化的时候，输出模拟量不可能立即达到所对应的值，它需要延迟一段时间，通常用建立时间来表示：数字量的变化越大，建立时间越长，一般产品说明中给出的是输入数字量各位由全0变换位全1，或者由全1变换位全0的建立时间。4温度系数：在其他条件不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满度量输出条件下，温度每升高一度，输出电压变化的变分数作为温度系数。

A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。7.2.0A/D转换器概述ADCDn-1~D0输出数字量输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能:7.2A/D转换器7.2.1A/D转换的一般工作过程

1.取样与保持

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。

取样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的取样频率由采样定理确定。

取样定理：设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimax 取样之后的信号要转换位数字信号，需要一定的时间，为了给后续量化编码电路提供一个稳定的电压值，必须通过一个保持电路保持一段时间。2.量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将取样–保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。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。量化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。编码2.A/D转换器分类①并行比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns～1s,但电路复杂。②逐次比较型

特点:转换速度适中,转换时间为几s～100s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。目前采用最多。③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百s～