数模和模数转换器

第10章数模和模数转换器10.1概述数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

模拟量数字量模拟量数字量传感器被控对象

自然界物理量为何要进行数模和模数转换？数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC…………模拟控制器模拟控制器生产控制对象

DACADC数模和模数转换器应用举例主要要求：

了解数模转换的基本原理。

了解常用D/A转换器的类型和主要参数。了解R

-2R

倒T形电阻网络D/A转换器的电路与工作原理。10.1D/A转换器了解权电阻网络D/A转换器的电路与工作原理。输出模拟电压

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可见，uO∝

D，uO的大小反映了数字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二进制数输入模拟电压输出一、数模转换的基本原理LSB—LeastSignificantBit

输入数字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D

最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB

表示)。10.1.1D/A转换器的构成不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。设RF=R/2S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR

(一)

电路组成与转换原理10.1.3R

-2R

倒

T形电阻网络

DAC

由倒T型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称I/U

转换电路)组成。模拟开关Si

打向“1”侧时，相应2R

支路接虚地；打向“0”侧时，相应2R

支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒T型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可见，支路电流值Ii

正好代表了二进制数位Di

的权值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模拟开关Si

受相应数字位Di

控制。当Di=1

时，开关合向“1”侧，相应支路电流Ii

输出；Di=0时，开关合向“0”侧，Ii

流入地而不能输出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0对n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，则uO=

-

D

·

n

位DAC将参考电压VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。调节VREF

可调节DAC的输出电压。uO=

-

D

·

误差分析1、因参考电压的偏离引起的误差2、实际运放的偏离引起的误差3、模拟开关的导通压降引起的误差4、电阻阻值的偏差引起的误差一种简化的CMOS开关型D/A转换器CMOS开关电路的组成及工作原理（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度

D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。

D/A转换器的主要参数含义1、分辨率：所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。位数越高，分辨能力就越强，分辨率的值越低（小）。2、转换精度（绝对精度）：实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压间的最大误差。与元件参数的精度、工作温度、运放的温度漂移及转换位数有关。通常要求小于最小电压变化量的一半。3、转换时间：衡量转换速度。4*、线性度：又称为非线性误差，是偏离理想的输入-输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分率。集成D/A转换器5G7520及其应用电路举例1、输入全为0时，调运放调零电位器使输出为0；2、输入全为1时，调R1使输出为预定满量程输出；3、R2用以调节输出电压值（满量程下降）。由5G7520构成数控电流源10.2A/D转换器4、分两步完成。1、用于将模拟信号转换成相应的数字量，是模拟系统到数字系统的接口电路。2、转换需要时间，故要求转换期间输入的模拟量保持不变；须进行模拟信号的离散处理，即采样和保持。3、把保持的模拟量转换成数字量的过程称为量化过程；把量化的结果进行编码得到输出的数字信号。10.2.1A/D转换器的基本原理模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。10.2.4并联（行）比较型A/D工作原理特点：是所有A/D中速度最快的一种，但电路复杂、成本高、价格贵，一般分辨率较低。分辨率的提高0≤ui＜VREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。3VREF/14≤ui＜5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理10.2.2逐次逼近型A/D转换器3位逐次逼近型A/D转换器转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若ui＜uo时，比较器输出uc=1；当ui≥uo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，