第章 数模转换和模数转换

第8章数模转换和模数转换第8章数摸转换和模数转换8.1概述8.2数／模转换电路(DAC)8.3模／数转换电路（ADC）本章小结第8章数模转换和模数转换8.1概述随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。完成A/D转换的电路称为A/D转换器（简称ADC），ADC的转换过程称为编码。完成D/A转换的电路称为D/A转换器（简称DAC），DAC的转换过程称为解码。例如，用计算机对粉状货物（例如水泥、面粉）和颗粒状货物进行称重包装系统（如图8.1所示）。称重传感器小信号放大器A/D微处理器CPUD/A放大驱动料门开关驱动显示mgΔU模拟量数字量数字量模拟量第8章数模转换和模数转换一、A/D和D/A转换器按结构划分，ADC和DAC可分为三大类：第一类是单片集成的，它是ADC和DAC产品的主流。这一类产品的特点是：通用性强，已形成系列化，可靠性高，成本也较低，但单片式ADC和DAC器件频带宽度有限制，影响转换速度和精度，能达到16位精度的水平也就不错了。第二类是混合集成式的，它可以根据转换精度和速度的要求，在集成芯片外的陶瓷基片上制造与之匹配的电阻网络，使得混合式集成芯片在转换精度和速度上大大优于单片式芯片。

第三类是模块结构式的，这一类转换器实际上是一个功能完整的最小数字系统。第8章数模转换和模数转换8.2数／模转换电路(DAC)数／模转换器(即DAC)是数字系统和模拟系统的接口，它将输入的二进制代码转换为相应的模拟电压输出。数／模转换有多种方法，如权电流法、权电阻法、T型R－2R网络法等。一、权电阻网络D／A转换电路1.电路组成4位权电阻网络D／A转换电路如图所示。它由求和运算放大器、基准电压UREF、权电阻网络和电子模拟开关S0～S3等四部分组成。4位权电阻网络D／A转换器UREF第8章数模转换和模数转换2.工作原理

在图4位权电阻网络D／A转换中，当电子开关S0～S3都接1端时，流入求和运算放大器反相输入端A的总电流为：Di∈(0，1)又由于，于是运算放大器的输出电压u0为：第8章数模转换和模数转换对于n位权电阻D/A转换器，则有权电阻D／A转换器的优点是：电路简单，转换速度比较快。权电阻D／A转换器的缺点是：各个电阻的阻值相差很大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，难以保证电阻阻值精度的要求，这既不利用电路的集成化，又给电路的转换精度带来严重的影响。第8章数模转换和模数转换二、R－2R倒T形电阻网络D／A转换电路1.电路组成4位倒T形电阻网络D／A转换电路，如图8.6所示。它由求和运算放大器，基准电URET，R－2R倒和形电阻网络和电子模拟开关S0～S3等四部分组成。UREF第8章数模转换和模数转换2.工作原理四位倒T型电阻网络的等效电路如图所示。四位倒T型电阻网络的等效电路第8章数模转换和模数转换从数字量高位D3至低位D0的电流分别为因此，流入求和运算放大器的输入电流分别为：所以，运算放大器原输出电压u0为：对于n位倒T形电阻网络D／A转换器的输出电压u0为：第8章数模佩转换脂和模贴数转城换三、车权电芽流型D／A转换酬电路权电流型D／A转换电路原理图由于肥运算蛮放大述器的威输入立阻抗夹多数超情况煤下可念以近冈似认丑为无菌穷大笨，所淋以流慎过RF的电处流近河似等秆于。由疲图得塑：==第8章数模型转换愁和模末数转炉换8.炎3模／兵数转州换电塞路（AD读C）模／低数转粮换电新路的武作用煮是将扣输入绝连续吸变化反的模赵拟信最号变赞换为节与其熄成正电比的善数字为量信悬号输促出。筐在进球行模票／数(即A／D)转换柳时，紧通常手按取弦样、识保持逆、量拨化、革编码愚四个嫌步骤屈进行范。一、AD莲C的基欧本过舌程1.所谓验取样可，就转是对慕模拟纸信号ui(t竟)进行露周期贪性抽蕉取样闻值的挺过程蓬。2.量化锐与编喇码所赤谓量吉化，流就是部用数庆字信号号的误最低论位1软(L阀SB冻)所对益应的锣模拟矿电压棕作为袍量化怜单位最，用怖表示栏，将皇样值混电压坑变换招为量莫化单项位(吃)电压肤整数迹倍的哭过程陆。量蕉化后娱的离印散量谜用相刺应的焦二进存制码移表示升，称饮作编朝码。第8章数模骆转换栋和模霜数转喘换A／D转换堆器的荐种类每很多复，按舟其工母作原患理不绘同来卷划分挠，可距分为梅直接A／D转换肝器和口间接A／D转换涂器两膝大类昨型。直接A／D转换渣器具禾有较排快的赚转换挤速度投，典谎型电师路有粗并行味比较臂型A／D转换碍器，顽逐次原比较端型A／D转换窝器。丙间接A／D转换融器由远于要支先将绵模拟通信号色转换职成时肠间或广频率泳，再汇将时径间或伶频率戒转换圾为数军字量擦输出神，所外以转嘱换速役度慢座。双柔积分童型A／D转换石器、商电压欺／频兵率转更换型A／D转换敏器、夺计数晒式A／D转换大器都绒属于往间接A／D转换渡器。二、气并行轮比较蜜型A／D转换捡器并行误比较详型A／D转换器器的态主要泪优点易是转蜜换速狼度快挽，只汉要进报行一斥次比系较就锯能得店出结摸果。码它的夸缺点某是电惨路比这较复掌杂，魂成本凑高。第8章数模房诚转换声和模过数转李换1.电路秘组成如图烤所示淹，并止行比破较型A／D转换然器由镇电阻足分压烛器、樱电压域比较畜器、烫寄存斜器和顾优先较编码妨器四挂部分裂组成代。第8章数模俭转换皇和模移数转利换2.并行伟比较复型A/其D转换辽器的咬真值肚表并行比较型A/D转换器的真值表第8章数模万转换倦和模毫数转需换三、弱逐次野比较嚼型A／D转换技器1．格转换失原理直：第8章数模不转换劲和模巴数转丢换2．厚逻辑容电路第8章数模怀转换泻和模裤数转庙换四、饺双积府分型A/炼D转换董器它由孤积分柴器、继过零说比较白器（C）、砖时钟临脉冲第控制鼠门（G）和匪定时秩器、穿计数她器（FF气0～FF旦n）等硬几部柿分组枪成。第8章数模遇转换视和模辅数转必换工作零原理何：（1）准计备阶光段计购数器描清零个，积控分电冷容放守电，vO=0轿V。（2）第秧一次委积分贪阶段t=数0时，圣开关S1与A端接通喂，输逢入电铲压vI加到积分尺器的怨输入称端。捆积分器从0开始舱积分惩：第8章数模盖转换宽和模台数转购换由于vO<0艳V，过督零比郊较器来输出vC=1，控彻制门G打开逢。计屡数器田从0开始莲计数就。经过2n个时阵钟脉企冲后苹，触种发器FF做0～FF袭n－1都翻钩转到0态，汇而Qn=1，开若关S1由A点转黑到B点，离第一关次积守分结告束。倍第一胳次积侵分时选间为掀：t=之T1跃=2铸nT座C第一冬次积载分结啄束时壤，积坟分器疗的输找出电趣压VP为：（3）第奸二次裳积分轻阶段当t=拦t1时，S1转接骆到B点，偷基准稼电压萄－VR庙EF加到码积分烦器的绒输入钻端；丙积分用器开始拾向相茫反进珍行第击二次抗积分违。当t=栏t2时，易积分满器输收出电地压vO>0驻V，比蒜较器策输出vC=0，控宏制门G被关凳闭，夏计数秋停止掠。第8章数模萝转换锤和模与数转挽换在此宾阶段侵结束耽时vO的表弦达式羞可写本为：设T2斩=t誉2－t1，于亦是有案：设在拆此期咽间计拦数器疮所累召计的盈时钟委脉冲着个数庭为λ，则闯：T2=λ凭TC可见云，T2与VI成正抱比，T2就是患双积厌分A/扁D转换讨过程询的中愤间变扁量。上式爬表明换，计桑数器米中所秩计得痛的数λ（λ=Qn-1坡…Q适1Q辱0），居与在草取样详时间T1内输窝入电亭压的巩平均煮值VI成正茧比。州只要VI贼<V批RE础F，转街换器竹就能装将输侵入电甩压转走换为勾数字鲁量。第8章数模扶转换反和模翻数转商换本家章灭小固结在许设多计聋算机锅测控窄系统象中，唤系统粉所能亭达到臣的精储度和前速度咸最终猾是由A/锄D和D/棒A转换咱器的琴转换朋速度归和转耽换精身度所证决定除的。裙因此调，转抹换精崖度和萍转换类速度洗是A/施D和D/匙A转换势器的会两个苦重要疑指标妈。D/枝A转换酒器功耀能是依将输扩入的村二进峡制数奋字信扩号转浆换成暴与之寻正比看的模励拟电祝压。抱常用棵的D/晒A转换集器有锋权电犹阻网贱络、R-邪2R倒T形和旧权电踢流型D/枪A转换雾器。R-梳2R倒T形电路阻网句络D/呜A转换返器所范需的坟电阻蝇种类骗少，命转换唤速度近快，靠但转恋换精乡丰度低秋。权字电流埋网络D/相A转换香器转贝换速徒度和粱转换灯精度向都比包较高话。A/售D转换贸要经含过取虑样、值保持峡、量私化和足编码陪四个岭步骤告实现呈。前须两个劣步骤亮在取超样－荷保持澡电路航中完蹦成，滑后两略个步龄骤在A/获D转换咽器中缺完成骂。对葱模拟嚷信号棋进行恳取样耀时，徐必须缺满足斤低通稠信号怠的取盆样定孤理，耳取样樱脉冲占的频穷率fs≥2乓fi航(m扰ax延),即在员模拟命信号伐的一找个周团期内给至少还取样2次，连这样舱才能掘做到叛不失留真地宾恢复效原来仁的模丹拟信矩号。A/纺D转换睡器的圈功能斥是将扮输入记的模井拟电议压转仇换成未下之舟成正脾比的爱二进池制数雪字信块号。A/臭D转换也分为策直接猴转换忙和间件接转扣换两代种类墓型。蹦直接疗转换跑速度康快，座如并彻联比兆较型A/猎D转换疯器，辩通常薯用于廊高速风转换异场合药。