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1、第9章数模和模数转换器91 概 述 随着数字电子技术的飞速发展，数字电子计算机、数字控制系统、数字通信设备和数字测量仪表等已经广泛应用于国民经济的各个领域。数字电子电路、数字系统或装置一般只能加工和处理数字信号。可是日常需要处理的物理量，绝大部分都是连续变化的模拟信号，例如温度、气压、声音、图像信号等。因此，必须先把这些模拟信号转换成数字信号，才能送入电子计算机或其他数字电路中进行加工和处理。另外，经过数字电路处理后的数字信号的输出，也需要还原成模拟信号才能实现系统的功能。所以，在数字系统的输入和输出部分，一般要设有模拟信号转换成数字信号和数字信号转换成模拟信号的电路。 图9-1示出一个简单的
2、计算机控制系统的框图。假设被控制的物理量是温度，首先通过传感器将非电量温度转换成随之变化的模拟电信号，然后通过模拟信号向数字信号转换的电路，再将数字信号送入数字计算机进行处理;经过计算机处理后输出的数字信号又必须通过数字信号向模拟信号转换的电路，用模拟信号去推动执行元件，完成控制温度的功能。图9-1数字系统框图 图9-1所示系统中，能把模拟信号转换成数字信号的电路称为模/数转换器(Analog-Digital-Converter)，简称A/D转换器或ADC。能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器(Dgital-Analog-Converter)，简称D/A转换器或DAC。92 数模转换
3、器92l数模转换原理 数字电路处理的信号一般是多位二进制信息。因此，数/模转换器的输入数字信号是二进制数字量，输出模拟信号则是与输入数字量成正比的电压或电流。 数/模转换器的组成如图9-2所示。 图中寄存器用来暂时存放数字量D。寄存器的输入可以是并行输入，也可以是串行输入，但输出只能是并行输出。通常输入寄存器的数字量D都是存放数字码。n位寄存器的输出分别控制N个模拟开关的接通或断开。每个模拟开关相当于一个单刀双掷开关，它们分别与电阻译码电路的n个支路相连。当输入数字量为l时，开关将参考电压UR按位切换到电阻译码电路;当输入数字量为0时，开关接通到地，从而使电阻译码网络输出电压(或电流)的大小与
4、输入数字量成正比。图9-2 DA转换器框图电阻译码电路是一个加权求和电路。它把输入数字量的各位I按权变成相应的电流，再通过运算放大器转换成模拟电压U0。922权电阻DA转换器 1电路组成 图9-3所示为一个4位权电阻DAC的电路图。它包括四部分:参考电压UR；电子开关；权电阻求和网络；运算放大器。2工作原理 有一个以二进制数码表示的4位数字量，D4=d3d2d1d0。用4位二进制代码d3、d2、d1、d0分别控制电子开关S3、S2、S1、S0。如di=l，Si接UR；di=0，Si接地。当Si接UR时，该支路中的电阻便得到电流，否则该支路得不到电流，各支路的总电流流到R/2上便建立起输出电压。
5、图9-3 4位权电阻DAC例如D=d3d2d1d0=1001，则R上有电流，23R上有电流，I为R与23R两电阻上电流之和。因为运算放大器输入阻抗很大，不需输入电流，所以该电流流入R/2中，又因为运放反相输入端是虚地，所以，图9-3中的权电阻求和网络存在如下关系式，这里，d3、d2、d1、d0可能取“1”或“0”。因为反馈电阻为R/2，所以，同理，对一个n位权电阻DAC则存在如下关系式：正是说明了输入数字量转换成了模拟量输出。对于D4=d3d2d1d0=1001则：即模拟量输出U0的大小直接与输入二进制数的大小成正比，其比例系数为，其中UR为参考电压。 由于这里电阻的数值是按照二进制不同的位权
6、值进行匹配的，所以叫做权电阻求和网络。 3特点 权电阻DAC的数字量各位同时转换，速度快，这种转换叫做并行数/模转换;这种转换器的位数越多，需要的权电阻越多，而且各个电阻的阻值差也越大，如有10位，最小的电阻R=l0k，则最大的电阻23R=5.l2M，阻值范围大，如果想 图9-4制成集成片非常困难;这种转换的精度与各电阻关系极大，在大范围内又要高精度，实在无法做到，因此权电阻DAC用得很少，但它的转换思路是颇为有用的。923 T型电阻网络DA转换器1电路工作原理T型电阻网络的基本结构如图9-4所示。这是一个四级的T型网络。电阻值为R和2R的电阻构成T型。由图9-4可知，由节点AA向右看的等效电
7、阻为R，而由BB、CC、DD各点向右看的等效电阻值也都是R。因此有：图9-5这种网络可以类推到N级。 图9-5是一个数字量输入为4位的T型网络DA转换器原理图。同样，图中电阻值为R和2R的电阻构成了型网路。D0D3表示4位二进制输入信号，D3为高位，D0为低位。S0S3是四个电子模拟开关，当某一位数Di=l，即表示Si接l，这时相应电阻的电流Ii流向I01，当Di=0，即表示Si接0，则流过相应电阻的电流Ii流向IO2到地。因此，运算放大器的输入电流I01由下式决定：图9-5中的运算放大器接成反相放大器的形式，其输出电压U0由下式决定:即输出的模拟电压与输入的数字信号D3D0的状态以及位权成正
8、比。 若取RF=R，则D/A转换后的输出电压表示为如果电阻网络由N级组成，则DA转换后的输出电压表示为2数模转换器的主要参数 (1) 分辨率 分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它用输入数码只有最低有效位为1时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之比来表示，即分辨率例如10位DAC的分辨率为 如果输出模拟电压满量程为l0V，那么10位DAC能够分辨的最小电压为l0V/l023=976mV，而8位DAC能分辨的最小电压为l0V/255=39mV。可见DAC的位数越多，分辨出最小电压的能力越强，故有时也用输入数码的位数来表示分辨率，如10位DAC的分辨率为10位。 (2) 绝对误差 绝对误差
9、又称绝对精度，是指当输入数码为全1时所对应的实际输出电压与电路理论电压值之差。设计时，一般要求小于LSB所对应的输出电压值。因此，绝对误差与位数有关，位数N越多，LSB愈小，精度则愈高。 (3) 转换速度转换速度是指从送入数字信号起，到输出电流或电压达到稳态值所需要的时间。因此，也称作输出建立时间。一般位数愈多，转换时间愈长。也就是说精度与速度是相互矛盾的。 集成DA转换器芯片通常只将T型(倒T型)电阻网络、模拟开关等集成到一块芯片上，多数芯片中并不包含运算放大器。构成D/A转换器时要外接运算放大器，有时还要外接电阻。常用的DA转换器芯片有8位、l0位、12位、16位等品种。这里主要介绍8位D
10、A转换器，其型号为DAC0832。DAC0832的内部原理框图和外部引线排列如图9-6所示。1原理框图图9-6 DAC0832原理框图和引线图 由图可知，芯片内部主要由三部分组成:两个8位锁(寄)存器，即输入锁存器和DAC锁存器，可以进行两次缓冲操作，使操作形式灵活、多样;控制电路由G1、G2、G3等门电路组成，实现对锁存器的多种控制；8位D/A转换器，主要由倒T型电阻网络组成，参考电压U、和求和运算放大器需要外接。2 DAC0832的管脚使用说明 D7D0 数字信号输入端，D7为最高位，D0为最低位。 ILE 允许输入锁存，高电平有效。 ：片选输入，低电平有效。 ：写信号（1）输入，低电平有
11、效。由图9-6（a）可知，A=ILE。只有当ILE=1，=0时，A点为高电平1，输入锁存器处于导通状态，允许数据输入；而当=1时，输入数据D7D0被锁存。：写信号（2）输入，低电平有效。 ：传送控制信号输入端，低电平有效。数据D7D0被锁存后，能否进行D/A转换还要看B点的电平。B=1时，使锁存于输入器中的数据被锁存于DAC锁存器进行D/A转换，否则将停止D/A转换。 使用该芯片时，可采用双缓冲方式，即两级锁存都受控;也可以用单级缓冲方式，即只控制一级锁存，另一级始终直通；还可以让两级都直通，随时对输入数字信号进行D/A转换。因此，这种结构的转换器使用起来非常灵活方便。 UREF 参考电压输入
12、端，可在+l0V-l0V范围内选择。图9-7 单极性输出DA转换器 IOUT1 :电流输出1。 IOUT2 电流输出2。 Rf反馈电阻引线端。 Vcc:电源电压，可在+5V+l5V范围内选择。最佳工作状态电压为+l5V。 AGND 模拟信号接地端。 DGND 数字信号接地端。3DAC0832的应用用DAC0832构成单极性D/A转换器的典型接线如图9-7所示。如果在图9-7电路的基础上再加一级放大器，就构成了双极性电压输出，如图9-8所示。当参考电压为UR时，9-8 双极性输出D/A转换器 由输出模拟电压Uo的表达式可知，若参考电压UR为负，则输入数字信号最高值D7为1时，U0为负值；当D7=
13、0时，U0为正值。所以，最高位D7起到了符号位的作用。当UR为正时，D7同样可起到符号位的作用，但D7=l时Uo为正值，D7=0时U0为负值。93模数转换器93lA/D转换的一般过程A/D转换的目的是将模拟信号转换成数字信号，所以A/D转换电路的输入是连续变化的模拟信号，输出则是离散的二进制数字信号。从输入到输出，一般要经过采样、保持、量化和编码四个步骤，才能完成A/D转换。1采样和保持 要把随时间连续变化的模拟信号变换成对应的离散数字信号，首先要按一定的时间间隔取出模拟信号的值，这一过程叫采样。采样定理：为了保证采样后的信号能恢复原来的模拟信号，要求采样的频率fS与被采样的模拟信号的最高频率
14、fImax应满足下面关系：fS2fImax 由于模/数转换需要一定的时间，在这段时间内模拟信号应保持不变，因此要求采样后的模拟信号值必须保持一段时间，这一过程称为保持。图9-9是模拟信号、采样信号及采样后保持的信号波形图。图中，UI为输入模拟信号；US为采样信号，频率为fS=1/TS；U0为采样保持后的输出信号，每个采样值保持的时间为TS。只要fS高于UI最高频率的两倍，则从输出信号U0中可以恢复输入模拟信号UI。图9-9 模拟信号、采样信号、保持信号波形图2量化和编码 经采样、保持所得电压信号仍是模拟量，不是数字量。量化和编码就是由模拟量转换成数字量的过程，亦即A/D转换的主要阶段。量化是将
15、采样、保持电路输出信号Uo进行离散化的过程。离散后的电平称为量化电平。用二进制数表示量化电平即为编码。 任何一个数字量的大小，都是以某个最小数字量单位的整数倍来表示的，在用数字量表示模拟电压时，也是如此。最小数字量单位，就是量化单位。将采样电压按一定的等级进行分割，也就是说用近似的方法取值，这就不可避免地带来了误差，这种误差称之为量化误差。误差的大小取决于量化的方法。各种量化方法中，对模拟量分割的等级越多，误差则越小。 量化方法一般有两种。一种是采用只舍不入的方法。另一种是采用四舍五入的方法。 例如，量化单位为lmV，对于05mV U0lmV，只舍不入方法取U0=0mV，而四舍五入方法则取U0=lmV。由于前者只舍不入，而后者有舍有入，所以后者较前者误差来得小。前者误差最大为lmV，
