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1、4主要内容 在本章中，将介绍几种常用A/D与D/A转换器的电路结构、工作原理及其应用。,第九章 数模与模数转换电路,1定义 (1)能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器）；(2)能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器），,2地位 A/D转换器和D/A转换器在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用, 已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。,3两个重要技术指标 (1)转换精度 (2)转换速度,9.1 D/A转换器,一 D/A转换器的基本原理 及方框图,对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正
2、比的总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。,(二)N位D/A转换器的方框图,(三)分类,1按解码网络结构 T形电阻网络倒T形电阻网络权电流权电阻,2按模拟电子开关电路 CMOS开关型(转换速度低)双极型开关(转换速度高),二 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）,所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。,2S0S3为模拟开关，由输入数码Di控制，,当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；,当Di=0时，Si将电阻2R接地。,(一)电路组成,1R-2R电阻网络,3运放A求和电路 4基准电压VREF,可算出，基准电流 I=VREF/R，,
3、输出电压：,则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。 于是得总电流：,将输入数字量扩展到n位，则有：,可简写为：vO=KNB 其中：,K=,(二)数量关系,要使D/A转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：（1）基准电压稳定性好； （2）倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高； （3）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整倍数递增。,各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点提高了转换速度。 它是目前广泛使用的D/A转换器中速度较快的一种。
4、,三 权电流型D/A转换器,为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。,采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：,由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为,可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：,基准电流：,四 D/A转换器的输出方式,单极性负输出单极性正输出双极性输出,(一).转换精度,五 D/A转换器的主要技术指标,2 转换误差,此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。,1 分辨率D/A转换器
5、模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示D/A转换器的分辨率。,(1)比例系数误差-实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差 由 VREF Rf引起, 与输入的数字量成正比,(2)失调误差-由运算放大器零点漂移引起,大小与输入数字量无关 该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移,(3)非线性误差-由网络电阻,电子开关引起,大小与输入数字量有关,但不成比例,没有一定变化规律,2.转换速度,（1）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。,（2）转换速率（SR）在大信号工作
6、状态下模拟电压的变化率。,3. 温度系数在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。,六 D/A转换器应用举例,（一）DAC0808 是8位权电流型D/A转换器，其中D0D7是数字量输入端。 用这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1。,当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k时， 输出电压为：,DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）,（二）AD7520D/A转换器,1、AD7520芯片 是10位CMOS电流开关型D/A转换器， 内含倒T 形电
7、阻网络、CMOS电流开关和反馈电阻,基本接线方法：,由 9 个 MOS 管组成的 CMOS 模拟 开关电路。 图中 TIT3 组成电平转移电路 , 使输入信 号能与TT L 电平兼容。 T4 、 T5 及 T6 、 T7 组成两个反相 器 , 分别作为模拟开关管 T8 、T9的驱动电路 ,TB8、 T9 构 成单刀双掷开关。 当 Dz=1 时 ,TI 输出低电平 ,T4 、 T5 反相器输出高 电平 , 而 T6 、 T7 反相器输出低电平 , 从而使 T8 截止、T9导通 ,2R 电阻经 T9 接至运算放大器的反相输入端 , 权 电流流人运算放大器。 当 Dz=0 时 ,T1 输出高电平 ,
8、T4 、 T5 反相器输出的低电平使 T9 截止 ,T6 、 T7 反相器输出的高电平使 T8 导通 , 这样 2R 电阻经 T8接地。 该电路具有使用简便 , 功耗低 , 转换速度较快 , 温度系数小 , 通用性强等 优点。,2、应用 （1）数字式可编程增益控制放大器,电路中运算放大器接成普通的反相比例放大形, 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 形电阻网络为其反馈电阻。当输入数字量变化时 , 倒 T 形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 的情况便可得到不同的增益。,9.2 A/D转换器,一A/D转换的一般
9、步骤,由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为： 取样、保持、量化和编码。,（一）取样与保持,1、为什么要取样 完成一次A/D转换，需要一定时间，A/D转换器不能把随时间作连续变化的输入模拟电压在每一瞬时的电压都转换成相应的数字量，因此，在A/D转换前必须取样,2、取样的概念 把在时间上作连续变化的模拟信号，变化为在时间上离散、幅值作连续变化的模拟信号（一列脉冲信号）,取样定理：,式中fS为取样频率，fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。,4 取样保持电路,电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:,当控制信号vL为高电平时，T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。则
10、充电结束后 vO=vI=vC。,N沟道MOS管T作为开关用。,当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。,3、保持的概念 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（T-t)。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vI值。,（二）量化和编码,1、量化的概念 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。 数字信号最低有效位中的
11、1表示的数量大小，就等于。,2、编码的概念 把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。 这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。,3、量化误差 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。 常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入量化方式,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0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看待，用二进制的001表示，等等，如图9.24（a）所示。不难看出，最大的量化误差
12、可达，即（1/8）V。,(1)只舍不入量化方式,(2)四舍五入量化方式 为了减少量化误差，通常采用图9.24（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为/2=（1/15）V。这个道理不难理解，因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的中点，所以最大的量化误差自然就缩小为/2了。,二、分类 按工作原理分 1、直接A/D转换器-将模拟信号直接转换为数字信号，有较快的转换速度，典型电路有：并行比较型A/D 转换器、逐次比较型A/D转换器。 2、间接A/D转换器-先将模拟信号
13、转换成某一中间电量（时间或频率），然后再将中间电量转换为数字量输出。速度较慢，典型电路有：双积分型A/D转换器，电压频率转换型A/D 转换器。,三 并行比较型A/D转换器（3位）,并行比较型A/D转换器真值表,并行A/D转换器具有如下特点：（1）由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此转换速度最快。（2）随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。一个n位转换器，所用的比较器个数为2n1，如8位的并行A/D转换器就需要281=255个比较器。由于位数愈多，电路愈复杂，因此制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。（3）使用这种含有寄存器的并行A/D转换
14、电路时，可以不用附加取样保持电路，因为比较器和寄存器这两部分也兼有取样保持功能。这也是该电路的一个优点。,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。按照天平称重的思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。,四 逐次比较型A/D转换器,1 转换原理：,四 逐次比较型A/D转换器,由比较器、D/A 转换器、数据寄存器、移位寄存器、控制逻辑组成。,比较器输出控制数据寄存器 D/A 转换器提供已知电压v0 数据寄存器一方面存放结果，一方面提供数据 移位寄存器把数字量从高位到低位逐位送到数据寄存器,4位逐次比较型A/D
15、转换器中，设VREF=10V，vI=8.26V，试 画出在时钟脉冲作用下v/O的波形并写出转换结果。,D/A转换器输出电压,在时钟脉冲作用下v/O的波形如图所示,2 逻辑电路,逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度快，精度高的特点。,五双积分型A/D转换器,它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、 计数器（FF0FFn）等几部分组成。,（2）第一次积分阶段,工作原理：,（1）准备阶段 计数器清零， 积分电容放电，vO=0V。,t=0时，开关S1与A端 接通，输入电压vI加到 积分器的输入端。积分 器从0开始积分：,由于vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。,在此阶段结束时vO的表达式可写为：,设T2=t2t1，于是有：,设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：,可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。,上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。,
