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1、第九章 数模和模数转换器,9.1 概述 9.2 数模转换器 9.3 模数转换器,数模转换器（简称D/A转换器或DAC）,9.1 概述,能够将数字信号转换成模拟信号的电路。,模数转换器（简称A/D转换器或ADC）,能够将模拟信号转换成数字信号的电路。,ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，在各种系统中应用很广。,一、D/A转换器的基本工作原理,D/A转换器实质上是一个译码器（解码器），将输入的二进制数字量转换成模拟量，并以电压或电流的形式输出。,9.2 D/A转换器,将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模
2、拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,1、数/模转换方法：,DAC的输出特性:,DAC输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比：,两个相邻数码转换出的电压值之间的差值，是信息所能分辨的最小量(1 LSB)；最大输入数字量对应的输出电压值(绝对值)用FSR表示。,2、D/A转换器的一般构成,D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。,数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位的权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。,按解码网络
3、的结构不同，有权电阻网络DAC、倒T型电阻网络DAC、 权电流型DAC等。,二、权电阻网络D/A转换器,“权电阻”：,电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。,di = 1 时，,Si 接VREF ；,di = 0 时，,Si 接地 。,“电子开关”：,1、电路构成,权电阻,双向模拟开关,求和电路,运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。,“求和电路”：,二、权电阻网络D/A转换器,2、工作原理,运放工作在线性区，,虚地，,U-=0。,若di=0，,Si接地，,Ii=0,若di=1，,Si接VREF，,I0=,VREF,8R,I = I3 + I2 + I1 + I0,输入的数
4、字量,二、权电阻网络D/A转换器,2、工作原理,对于n位的DAC，输出电压的计算式为：,3、电路特点：,（1）结构简单；,（2）电阻的阻值相差较大，在位数多时，很难保证精度。,输出电压的范围：,单位电压,极性与参考电压相反。,三、倒T型电阻网络D/A转换器,1、电路构成,解码电路中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R总是与地相连。流经2R电阻上的支路电流与开关状态无关。,求和点,虚地,2、工作原理,求和点,虚地,从每个节点向左看，等效电阻均为2R；整个网
5、络的等效输入电阻为R。,流入求和点的各支路电流为：,流入求和点的电流为：,运算放大器的输出电压为：,即输出的模拟电压uO正比于输入的数字量NB，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用 较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒 T型电阻网络。,3、倒T型电阻网络DAC的特点：优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度； 而且支路电流同时流入求和点，不存在时间差，因而提 高了转换速度。,四、权电流型D/A 转换器,各支路恒流源的大小与对应数字量的权重成正比。,若Di=0，,Si接地，,Ii不能加到运放输入端,若Di=1，,Si将对
6、应的恒流源加到运放输入端,对于n位的DAC：,五、D/A 转换器的主要技术指标,DAC的主要技术指标有：转换精度、转换速度。,1、分辨率,分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。,定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。,n位DAC有2n个不同的模拟量输出值，即分辨率为2n，,实际中通常用输入数字量的有效位数表示DAC的分辨率，,显然位数越多，分辨率越高。,如10位、8位等。,另外也用DAC的最小非零输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率:,分辨率,DAC的转换精度通常用分辨率、转换误差来描述。,2、转换误差,用最低有效位的倍数表示。,如：某个DAC的转换误差为1/2
7、LSB，,表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等于输入数字代码为001时输出电压的一半。,用输出电压满刻度的百分数表示。,（1）造成转换误差的主要原因 ：,参考电压 VREF的波动 比例系数误差,运算放大器的零点漂移 失调误差,模拟开关的导通内阻和导通电压,电阻网络中的电阻值偏差等,转换误差指输出模拟电压的实际值与理想值之差的最大值。,非线性误差,（2）转换误差的表示方法 ：,如：1（FSR）,建立时间 tSet ：,输入由全0变为全1，输出电压与稳态值相差（LSB/2)所需的时间。,一般DAC的tset0，,000,000,011,101,100,001,（2）四舍五入法,当vI的尾数
8、/2时，舍尾取整。,这种方法可正可负，,当vI的尾数/2时，舍尾入整。,000,001,100,110,100,010, A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有并行比较型、逐次比较型等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。,3、A/D转换器的主要电路形式,二、并行比较型ADC,优先编码
9、器,寄存器,比较器,输入输出关系表P449表9.2.1,0,0,0,1,1,1,1,100,（1）优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。（2）缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需n-1个电压比较器和2n -1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。 （3）应用：适用于高速， 精度较低的场合。,并行比较型A/D转换器的特点：,三、 逐次比较型ADC,设待秤重量 Wx = 13克，,逐次比较型ADC的工作原理可用天平秤重过程来说明：,若有四个砝码共重15克，,每个重量分别为 8、4、2、1克 。,可以用下表步骤来秤量 ：,第1次,加8克,砝码总重 待测重量Wx ，,8 克,第2次,加4克,砝码总重 待测重量Wx ，,12 克,第4次,砝码总重 待测重量Wx ，,加1克,13 克,故保留,故保留,故撤除,故保留,（一）电路组成,n位ADC完成一次A/D转换所需的时间为nTCP。,
