第10章 数模变换器和模数变换器

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1、第10章 数模变换器（DAC）、模数变换器（ADC） 15.1 概述15.2 D/A变换器15.3 A/D变换器一、能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器( 简称 D/A变换器 ); 能将模拟量转换为数字量的装置称为模/数变 换器( 简称A/D变换器 )。10.1 概述二、分类A/D转换器：直接A/D转换器：输入的模拟信号被直接转换 成输出的数字信号。间接A/D转换器：输入的模拟信号首先 被转换成某种中间量（例如时间、频率等）然后再将这种 中间量转换成所需要的数字信号输出。D/A转换器：直接D/A转换器，间接D/A 转换器。三、模数之间转换的意义1、计算机的应用；2、数字测量仪表；3、数

2、字通信和遥测； 四、A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压 力、流量 、应力等 ）采样/ 保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数 字处理（如滤波、 计算）、数据保存 、打印等显示器显示字符、 曲线、图形、图象 等10.2 D/A 变换器（Digital Analog Converter）一、概述1、D/A转换器可以认为是一种译码电路，它能够将按一定 方案编码的数字信号，转换成模拟信号，并以电压或电流的 形式输出。2、三种基本形式（1）随意的D/A：每个代码所对应的输出电压可以根 据需要任意规定。（2）非线性的D/A：输出的电压和输入的数字量之间 成线性关系。

3、（3）线性的D/A：输出电压UO和输入的数字量D之间 成线性关系。即UO=DUR UR位模拟参考电压10.2 D/A 变换器 一、概述 3、方框图 寄存器参考电压源电阻译码器n位模拟开关输入DUo寄存器：暂时存放输入的数字量D，并控制n个模拟开关的转换 。模拟开关：对应于数字量为1的位，开关将参考电源UR按位切 换到译码器，对应于数字量为0的位，开关接通到地。电阻译码器：把输入D中各位的1，按权变换成电流。由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为 了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转 换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得 到与该数字量成正比的模拟

4、量，这就是构成D/A变换器的基本 思想。二、 权电阻D/A变换器 1、电路组成 AuORI3 S3d3+UREF23RI0 S0d022RI1 S1d12RI2 S2d2R/2UREF：基准电源。A：求和放大器。数字信号转换成电流，在输入端叠加后，以 模拟电压形式输出。权电阻网络：每个电阻的阻值与对应的权成反比。模拟电子开关：S0，S1，S2，S3它们受被转换的二进制数字信 号所控制。当di=1时，Si接到UREF，反之，Si接地。 二、 权电阻D/A变换器 1、电路组成 AuORI3 S3d3+UREF23RI0 S0d022RI1 S1d12RI2 S2d2R/22、工作原理当四位二进制数

5、字信号d0，d1，d2，d3到来时，流入A的总电流I= I0d0+I1d1+I2d2+I3d3= 二、 权电阻D/A变换器 1、电路组成 AuORI3 S3d3+UREF23RI0 S0d022RI1 S1d12RI2 S2d2R/22、工作原理I对于n位的权电阻网络D/A转换器则有 I= 运算放大器输出的模拟电压uo=IRf= 输出的模拟电压正比于输入的数字量，因而实现了从数字 量到模拟量的变换。二、 权电阻D/A变换器 1、电路组成 AuORI3 S3d3+UREF23RI0 S0d022RI1 S1d12RI2 S2d2R/22、工作原理例如：数字量（二进制数）(1011)2=(11)1

6、0当1101输入后，输出电压：二、 权电阻D/A变换器 1、电路组成 AuORI3 S3d3+UREF23RI0 S0d022RI1 S1d12RI2 S2d2R/22、工作原理 3、说明优点：简单、直观缺点：权电阻网络中各电阻阻值的精度很难实现，且难以集 成。 三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理模拟电子开关：S0，S1，S2，S3它们受被转换的二进制数 字信号所控制。当di=1时，Si接到UREF，反之，Si接地。 2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少

7、， 只有R、2R两种，电路构成比较方便。三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 2R2R2R2R2RAAR R R 2R 虚地A2R 2RAI/2 I/2I=UREF/3RI/16I/16根据叠加原理：其他端点无论是接地还是 接电源，都可按上述方法处理。 三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 B2R 2RBI/2 I/2I=UREF/3RI

8、/8I/162R2R2R2R2RBR R R 2R 虚地BI/8 I/4 I/2三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 I=UREF/3RI/16 I/8 I/4 I/2（2）电流分流当某一端点接参考电源，流进该端点的电流为I=UREF/3R（每个 端点均一样）但对运算放大器的反相端的电流贡献却不一样 三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（3）流入放大器的总电流

9、I=UREF/3RI/16 I/8 I/4 I/2根据叠加原理。当四位二进制数字信号d0，d1，d2，d3到来时， 流入A的总电流I总=I0d0+I1d1+I2d2+I3d3 ，即三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（3）流入放大器的总电流 I/16 I/8 I/4 I/2（4）运算放大器输出的模拟电压 输出的模拟电压正比于输入的数字量。 （5）对于n位的T型网络D/A转换器则有 三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS

10、0d02RS1d1R3R2RRRI/16 I/8 I/4 I/23、说明（1）所使用的电阻只有两种R和2R，故精度较高，便于集成。（2）传输时间不同，影响工作速度。（3）实用中使用倒T型电阻网络D/A转换器。 三、T型电阻网络D/A转换器 1、电路组成 2RuO 2RS2d2+ AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRRI/16 I/8 I/4 I/2S1S0uO + AUREFS3 I/2d3I/8d1I/4d3I/16d02R2R R 2R R 2R R 2R I S2R四、具有双极性输出的D/A转换器能够输出正、负数 因为在二进制算术运算中，通常把带符号的数值表示为补码

11、 形式，所以希望D/A转换器能把输入的正、负数的补码分别 转换成正、负极性的模拟电压。 1、输入为三位二进制补码时的输出 补码输 入对应 的 十 进制数要求的输 出电压d2d1d0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0+3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4+3v +2v +1v 0 -1v -2v -3v -4v四、具有双极性输出的D/A转换器能够输出正、负数 2、电路形式 IBuORBVBR/2+ AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 选择合适的VB和RB使 由图可见： 2、电路形式 IBuOR

12、BVBR/2+ AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 当UREF=8v时 四、具有双极性输出的D/A转换器能够输出正、负数 2、电路形式 IBuORBVBR/2+ AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 当UREF=8v时 补码输 入对应 的 十 进制数要求的输 出电压d2d1d0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0+3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4+3v +2v +1v 0 -1v -2v -3v -4v四、具有双极性输出的D/A转换器能够输出正、负数 五、

13、D/A变换器的主要技术指标有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率：指最小输出电压和最大输出电压之比。2、线性度：通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线 性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之 比的百分数定义 为非线性误差。 3、输出电压( 电流 )的建立时间：完成一次转换的时间包括 两部分：一是运算放大器到达稳定状态输出所需要的时间。 二是距运算放大器最远的那一位输入信号的传输时间。 五、D/A变换器的主要技术指标4、转换误差（1）比例系数误差：由于UREF偏离标准值引起的误差。其大 小与输入的数字信号的大小有关。（2）漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的误差

14、。它与输 入的数字信号无关。（3）非线性误差：由模拟开关的压降和电阻网络中各电阻阻值 的偏差引起。（4）动态误差：在输入的数字量发生变化时，由于各位数传到 放大器输入端的时间不一样而产生的误差。 六、D/A转换器中的模拟开关 1、要求（1）开关的状态是由输入的数字信号来控制的。（2）因为它所传送的是模拟信号，所以要求开关的接通和 断开不影响被传送的模拟信号数值，即应尽可能地接近理想 开关。六、D/A转换器中的模拟开关 2、双极型模拟开关T1+12v+3v-12vuO + Adi2iR+UREFT2T4T3 2.2k2.2k2.2k4.7k当di=1时：V=3vT1截止IC1=0VB2=-12v

15、T2截止 VC2=12vT3饱和，T4截止相当于开关Si接至UREF当di=0时：V=0vT1饱和IC1很大VB2较高T2饱和VC2 低电平T3截止，T4饱和相当于开关Si接至地 六、D/A转换器中的模拟开关 3、CMOS开关电路 当输入端di为高电平时：u1为低u2为高T9导通u3为低 T8截止 当输入端di为低电平时：u1为高u2为低T9截止u3为高 T8导通I1T8T2diV+T9T7T6T5T4T1T3I2u1接2R电阻u2u3T1，T4，T6，T8， T9为N沟道MOS管 ，T2，T3，T5，T7 为P沟道MOS管。 T1与T2，T4与T5，T6与T7构成CMOS反相器。 T1与T2，T4与T5，T6与T7构成CMOS反相器。 A/D变换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。10.3 A/D 变换器(ADCAnalog Digital Converter)一、A/D转换的一般步骤采样：按一定的时间间隔取模拟信号的量值。保持：将所采样的模拟信号量值保持一段时间，以便转化成对 应的数字量。量化：将采样的模拟信号以最小数字单位