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1、九 数模和模数转换9.1 D/A9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D9.2 A/D转换器转换器第九章 数模和模数转换模模 数与数数与数 模转换器是计算机与外部设备的模转换器是计算机与外部设备的 重要接口重要接口, ,也是数字测量和数字控制系统的重要部也是数字测量和数字控制系统的重要部 件。件。将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模 数转换数转换 器器( (简称简称A/DA/D转换器或转换器或ADCADC) )；传感器传感器模拟控制模拟控制模模 拟拟 信信 号号数字计算机数字计算机数字控制数字控制 数数 字字 信信 号号ADCADCDACDAC将数字量转换为模拟量的
2、装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数 模转换模转换 器器( (简称简称D/AD/A转换器或转换器或DACDAC) )9.1 D/A转换器9.1 D/A转换器9.3 小结9.2 A/D转换器9.1 D/A转换器D/A转换器的作用是将输入的数字量转换成 与之成正比的模拟量D/A转换器组成基准电压 数码输入 电子模拟开关 解码电路 求和电路D/A转换器分类按输入方式分并行输入串行输入按电路结构分权电阻网络T型电阻网络倒T型电阻网络理想运算放大器理想运算放大器 1. 理想运算放大器 Auo ， rid ， ro 0 2. 电压传输特性 uo= f (ui)线性区： uo = Auo(u+ u)非
3、线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) uo+u+uAuo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。3. 3. 理想运放工作在线性区的特点理想运放工作在线性区的特点 因为 uo = Auo(u+ u )所以(1) 差模输入电压约等于 0即 u+= u ,称“虚短”(2) 输入电流约等于 0即 i+= i 0 ,称“虚断” 电压传输特性+ uouu+i+iu+ u uo线性区Uo(sat)+Uo(sat)O9.1 D/A转换器9.1.19.1.1权电阻型权电阻型D/AD/A转换器转换器反相比例反相比例 运算电路运算电路T
4、T型电型电 阻网络阻网络+ +V VR RS S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0d d3 3d d2 2d d1 1d d0 00 01 11 10 0V Vo o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF FR R，输入数字量D模拟量模拟量 输出输出输出的模拟量应正比于 输入的数字量 Vo=VRD基准电压基准电压S S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0d d3 3d d2 2d d1 1d d0 00 01 11 10 0V
5、Vo o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF FR R，9.1 D/A转换器9.1.19.1.1权电阻型权电阻型D/AD/A转换器转换器+ +V VR RS S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0D D3 3D D2 2D D1 1D D0 00 01 11 10 0V Vo o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF
6、FR R，电子模电子模 拟开关拟开关电子模拟开关受数字量控制，Dn若为1，开 关接基准电平(“1”)， Dn若为0，接地 (“0”)。+ +V VR RS S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0D D3 3D D2 2D D1 1D D0 00 01 11 10 0V Vo o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF FR R，根据叠加原理 : I=I3+I2+I1+I0 ,若现在开关都 接“1”,则：若各权电阻按以 下规律取值：9.1.19.1.1
7、权电阻型权电阻型D/AD/A转换器转换器+ +V VR RS S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0D D3 3D D2 2D D1 1D D0 00 01 11 10 0V Vo o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF FR R，9.1.19.1.1权电阻型权电阻型D/AD/A转换器转换器+ +V VR RS S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0D D3 3D D2 2D D1 1D D0 00 01 11 10 0V Vo
8、 o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF FR R，9.1.19.1.1权电阻型权电阻型D/AD/A转换器转换器1100+ +V VR RS S1 1S S3 3S S2 2S S0 0R R0 0D D3 3D D2 2D D1 1D D0 00 01 11 10 0V Vo o+ + + +- -A AR RF F0 00 01 11 1+ + R R1 1R R2 2R R3 3I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I II IF FR R，00I
9、I3+I19.1.2 倒T型电阻网络D A转换器Vo+ +-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S0I3I1I0I22R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIF倒T型电 阻网络求和运算 电路电子模拟 开关为了克服权电阻电路难以保证精度问题，常采用倒T 型电阻网络D/A转换器。9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器Vo+ +-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R +VR2R2R2R2RRRRII02IIF由于运放的反相输入端虚地，所以，无论模拟电子开关合向 哪一边，T型电阻网络与地之间的等效电路都如下图所示。I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16电路等效电阻为R
10、,所以端口电流I =VR/R,其余各支 路电流分别是I/2、I/4、I/8、I/16。当模拟开关控制端Di为高电平时相应的电子开关Si 将该支路的电流引入运放；当控制端为低电平时，对应 支路电流直接接地。9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器Vo+ +-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R +VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16设输入的二进制数为1010，如图：9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器Vo+ +-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R +VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/
11、4I/8I/8I/16I/169.1.2 倒T型电阻网络D A转换器将倒T型电阻网络扩大到N位9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器D/A转换器转换器中的模拟电子开关S0S4的实际电路如图所示图中N沟道管T1、 T4、T6、T8、T9的 栅极为高电平时 导通，P沟道管T2、 T3、T5、T7的栅极 为低电平时导通。 当Di=0时，T2通T1 截止，输出高电平 T4通，输出低电平 T7通，输出高电平 T8通，将倒T型电阻 网络的电流引向Io2当Di=1时，T1通输 出低电平T5通，输 出高电平，T9通将 倒T型电阻网络的 电流引向Io1。A9.1.4 集成D A转换器集成D/A转换器AD7520
12、的管脚及内部 电路如图所示，它是10位倒T型电阻网络 D/A转换器。在下式中N =10，RF =R =10K输入的数字量与输出的模拟量之间的关系如表9.1.1所示 。9.1.4 集成D A转换器若把倒T型电阻网络作为运放的反馈电阻，如图所示9.1.4 集成D A转换器由虚地的概念得 ：反相比例 放大电路A/D转换器的作用是将输入的模拟量转换成相 应的数字量A/D转换器组成采样保持量化编码电路D/A转换器分类并行式 逐次逼进式 双积分式9.2 A/D 转换器计数式输入的模拟量通常要先经过采样保持电路，再送入A/D 转换器。9.2.1采样保持电路所谓采样保持电路就是在控制信号的作用下，对输入 信号
13、进行间歇性采样，并在两次采样之间的时间内保持前 一次采样瞬时值的电路。开关驱 动电路采样保持控 制信号CPsuiuoS采 样采 样采 样保 持保 持保 持采 样采 样保 持保 持uouitt为减小采样信号的失真，采样开关 S的控制信号CPs的频率fs必须满足 fs2fimax。(fimax 为输入电压频谱 中的最高频率)9.2.2并行A/D转换器分压器比较器寄存器 编码器1.分压器分压器由7个电阻串 联而成，将基准电压VR分 成1/15VR13/15VR和VR8 个参考电压，其中前7个 电压分别接的7个比较器的反相输入端，输入ui 同时接到比较器的同相 输入端，与参考电压比 较。 VR是转换器
14、能够测量的最 大值， 1/15VR是转换器 可以分辨的模拟量的最 小值。9.2.2并行A/D转换器2.比较器比较器C1C7反 相输入端分别接7个 参考电压，同相输入端接输入信号ui。若 输入信号大于参考电 压，比较器输出高电 平“1”，分之输出 低电平“0”。9.2.2并行A/D转换器3.寄存器和编码器C1C7的输出在寄存 器F1F7寄存并送到3位 二进制编码器G1G6。编 码器输出D0D2与其输入 Q0Q7的逻辑表达式为：9.2.2并行A/D转换器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1000。这个数 码被D/A转换器转换成相应的模拟电压
15、uo，送到比较器中与ui 进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除 ；若uiuo，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。原原 理理 框框 图图基基 本本 原原 理理9.2.3逐次逼进A/D转换器9.2.3逐次逼进A/D转换器Q3 R1DC1SQ2 R1DC1SQ1 R1DC1SQ0 R1DC1SQ4 RC1SR Q51D C1 S D/A转换器QE QD QC QB QACP 移位寄存器 S F E D C B A1 + C&+5VCP+5VVR VR D3 D2 D1 D0启动脉冲ui11110D/A转换器的作用是根据不同的输入代码D3D2D1D0,产生不 同的参考电压值VR,并送到比较器与ui比较。参考电压与输入数 码之间的关系如下表所示。(8/16) VR (9/16) VR (10/16) VR (11/16) VR (12/16) VR (13/16) VR (14/16) VR (15/16) VR1 0 0 01 0 0 11 0
