数字电子技术教学课件作者龙治红8

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1、第8章数模和模数转换器,8. 1 概述 8. 2 D/A转换器 8. 3 A/D转换器,8. 1 概述,随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等)，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转

2、换器(简称A/D转换器或ADC);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)。显然，ADC和DAC是数字系统的重要接口部件。,下一页返回,8. 1 概述,随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。,上一页返回,8. 2 D/A转换器,D/A转换器将输入的二进制代码转换成相应的输出模拟电压。它是数字系统和模拟系统的接口。图8. 2. 1为一个DAL的框图，一般包括基准电压、输入寄存器、电子模拟开关、由数字代码所控制的电阻网络和运算放大器等几部分。 8. 2. 1权电阻网络D/A转换器一、电路

3、组成图8.2.2所示为n位权电阻型D/A转换器，它主要由电子模拟开关S0Sn-1、权电阻网络、基准电压UREF和求和运算放大器等部分组成。构成权电阻网络的电阻的阻值与该位的位权值成反比。,下一页返回,8. 2 D/A转换器,二、工作原理运算放大器反向输入端“虚地”，该点电位总是近似为零。当电子开关S0Sn-1都接1端时，流入求和运算放大器的总电流为：模拟开关S i受d i控制，因此,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,因运算放大器的输入偏置电流近似为0，则运算放大器输出电压为通常取则可简化为,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,权电阻网络D/A转换器的优点是电路简

4、单，转换速度也比较快，其转换精度取决于基准电压UREF以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同，位数多时，其阻值相差很大，这给保证精度带来很大困难，特别是对于集成电路的制作很不利，因此在集成的D/A转换器中很少单独使用该电路。 8. 2. 2 R-2R倒丁形电阻网络D/A转换器一、电路组成在单片集成D/A转换器中，使用最多的是倒T形电阻网络D/A转换器。四位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如图8.2.3所示。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,无沦模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均等效接“地”(地或虚地)。这样流经2R电

5、阻的电流与开关位置无关，为确定值。二、工作原理分析R-2R电阻解码网络不难发现，从A, B, C, D每个接点向左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整倍数递减。设由基准电压源提供的总电流为I ，可见流过各开关支路(从右到左)的电流分别为I/2, I/4 , I/8和I/16。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,于是可得总电流输出电压,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,将输入数字量扩展到n位，可得n位倒T形电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式如下: 若取，则可以看出:输出模拟电压与输入数字量成正比，完成了

6、数模转换。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,倒T形电阻网络D/A转换器中各支路的电流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差，有效地减小了动态误差，因而提高了转换速度;并且，电阻只有R , 2R两种，为集成电路的设计和制作带来了很大的方便。 8. 2. 3权电流型D/A转换器上述两种DAL都为电压型，它们都是利用电子开关将基准电压接到电阻网络中去的，由于电子开关存在导通电阻和导通压降，而且各开关的导通电阻和导通压降值也各不相同，不可避免要引起转换误差。为了提高转换精度，可采用权电流型DAC。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,一、电路组成

7、图8.2.4所示为4位权电流型DAL，它主要由权电流恒流源、运算放大器、电子开关和基准电压源组成。二、工作原理这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2, I/4 , I/8和I/16。当输入数字量的某一位代码di=1时，开关Si接运算放大器的反相输入端，相应的权电流流入求和电路;当di=0时，开关Si接地。分析该电路可得出,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,8. 2. 4 D/A转换器的主要参数一、转换精度

8、在DAL中转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 1.分辨率 D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数称为分辩率。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。此外，D/A转换器也可以用能分辨的最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码各有效位全为1)之比给出。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,n位D/A转换器的分辨率可表示为。它表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。 2.转换误差 D/A转换器实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误

9、差称为转换误差。它是一个综合指标，不仅与DAL中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAL的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。二、转换时间转换时间是指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围(ULSB/2)时所需时间表示。转换时间越小，转换速度就越高。 8. 2. 5集成D/A转换器AD7520 集成D/A转换器品种很多，其中R-2R倒T型电阻网络DA

10、L较常见。10位D/A转换器AD7520就是R=10k欧姆的倒T型电阻网络D/A转换器，内有反馈电阻RF= R。使用时须外接运算放大器和基准电压UREF。一、电路组成 AD7520为10位CMOS电流开关R-2R倒T形电阻网络D/A转换器，电路如图8. 2. 5虚线框内所示。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,AD7520各引脚功能见图8.2.6。其中D0D9为数码输入端;Iout1和Iout2为电流输出端;RF为内部反馈电阻输出端;UREF为基准电压输入端;+VDD为芯片工作电源。二、应用 1.数字式可编程增益控制电路如图8.2.7 (a)所示，电路中运算放大器接成普通的反

11、相比例放大形式，AD7520内部的反馈电阻R为运算放大器的输入电阻，而由数字量控制的倒T型电阻网络为其反馈电阻。当输入数字量变化时，倒T型电阻网络的等效电阻便随之改变。这样，反相比例放大器在其输入电阻一定的情况下可得到不同的增益。,上一页下一页返回,8. 2 D/A转换器,根据运算放大器虚地原理，可以得到所以它的电压放大倍数，由数码输入端d0d9的值决定，故构成增益可编程放大器。如图8.2.7 (b)所示，将AD7520芯片中的反馈电阻R作为反相运算放大器的反馈电阻，数控AD7520的倒T型电阻网络连接成运算放大器的输入电阻，即可得到数字式可编程衰减器。,上一页下一页返回,8.

12、2 D/A转换器,2.波形发生器在图8. 2. 8中，输出模拟电压的值随计数器74LS161的Q3 Q2 Q1 Q0的变化而发生周期性的变化，故构成波形发生器。,上一页返回,8. 3 A/D转换器,8. 3. 1 A/D转换的一般步骤在进行A/D转换时，输入的模拟信号是在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入信号取样，然后再把这些取样的值转换为输出的数字量。因此一般的A/D转换过程要经过取样、保持、量化和编码这四个步骤进行。前两个步骤在取样一保持电路中完成，后两个步骤在A/D转换器中完成。一、取样与保持电路取样是对模拟信号进行周期性抽取样

13、值的过程。图8. 3. 1为取样保持电路的基本形式。N沟道增强型MOS管，受取样脉冲信号uS的控制，运算放大器构成电压跟随器。,下一页返回,8. 3 A/D转换器,当取样脉冲uS为高电平时，NMOS管导通，存储电容C迅速充电，使电容C上的电压uC跟上输入电压u1变化;当uS为低电平时，NMOS管截止，C上的电压在此期间保持不变，直到下一个取样脉冲的到来。电压跟随器的输出电压始终跟随存储电容上电压变化。该电路在每次取样结束后A/D转换器输出电压保持一段时间，以便进行量化和编码。输入电压、取样脉冲信号和A/D转换器的输出电压波形如图8. 3. 2所示。可以证明，为了正确无误地用图8. 3. 3

14、中所示的取样信号uS表示模拟信号u1必须满足:取样信号的频率大于等于输入模拟信号频谱中最高频率的2倍，即,上一页下一页返回,8. 3 A/D转换器,在满足取样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号uS还原为u1，这个低通滤波器的电压传输系数在低于fimax的范围内应保持不变，而在fs fimax以前应迅速下降为零，如图8. 3. 4所示。因此，取样定理规定了A/D转换的频率下限。因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/ D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的u1值。二、量化和编码,上一页下一页返

15、回,8. 3 A/D转换器,我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被整除，因而不可避免的会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。,上一页下一页返回,8. 3 A/D转换器,假定需要把0+1V的模拟电压信号转换成3位二进制代码，这时便可以

16、取=(1/8) V，并规定凡数值在0(1/8) V之间的模拟电压都当作0x看待，用二进制的000表示;凡数值在(1/8) V(2/8) V之间的模拟电压都当作1 x0看待，用二进制的001表示，等等，如图8.3.5 (a)所示。不难看出，最大的量化误差可达，即(1/8)V。为了减少量化误差，通常采用图8.3.5 (b)所示的划分方法，取量化单位= (2/15) V，并将000代码所对应的模拟电压规定为0(1/15)V，即0/2 。这时，最大量化误差将减少为/2=(1/15)V。 8. 3. 2并联比较型A/ D转换器一、电路组成,上一页下一页返回,8. 3 A/D转换器,图8. 3. 6所示为3位并联比较型A/D转换器的原理电路图。它由电压比较器、寄存器和代码转换器3部分组成。分压器将基准电压分为等不同电压值，分别作为比较器C1C7的参考电压，与输入电压u1进行比较。

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