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1、第9章 数/模与模/数转换电路,学习要点： 掌握常用D/A转换器、A/D转换器的工作原理 熟悉D/A转换器、A/D转换器的主要性能指标 了解ADC、DAC在测控系统中的应用,第9章 数/模与模/数转换电路,9.1 D/A转换器,9.2 A/D转换器,9.3 A/D转换器和D/A转换器在测控系统中的应用,退出,9.1 D/A转换器,9.1.1 R2R T型电阻D/A转换器,9.1.2 具有双极性输出的D/A转换器,9.1.3 D/A转换器的主要性能指标,退出,9.1.4 集成D/A转换器,目前常用的D/A转换器中有R2R T型电阻D/A转换器、权电阻D/A转换器、全电流D/A转换器、权电容D/A
2、转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。,以R2R T型电阻D/A转换器为例，说明其转换原理。,9.1.1 R2R T型电阻D/A转换器,T型电阻网络的基本结构如图9-1:,图9-1为一个四级的T型网络。电阻值为R和2R的电阻构成T型。 由图9-1中节点AA向右看的等效电阻值为R，而由BB，CC，DD各点向右看的等效电阻值也都是R，因此:,依此类推可推到n级。,图9-2 T型网络D/A转换器,图中 表示四位二进制输入信号， 为高位， 为低位。 是四个电子模拟开关的示意图，模拟开关 分别受的信号控制：当二进制代码为0时，电子开关合到上方接地的一侧；当二进制代码为1时，电子开关合到下方运算放大器
3、输入的一侧，该支路的电流成为运放输入电流 的一部分，通过运算放大器进而将电流信号转化为电压信号。由图可知，因为求和放大器反相输入端的电位始终接近于零，所以无论开关 在何位置，都相当于接地，流过每个支路的电流也始终不变。,可以求出运算放大器的输入电流 为,图9-2中运放接成反相放大器的形式，又根据理想运放的“虚断”的特性，其输出电压Uo为：,T型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个输入端，如图9-3所示。这种结构也称作倒T型电阻网络D/A转换器。,图:9-3,T型（或倒T型）电阻网络的特点:电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来了很大的方便，无论模拟开关状态如
4、何变化，各支路电流都直接流入地或者运放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间；同时，各支路电流直接接至运放的输入，它们之间不存在传输时间差。所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度，T型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。,9.1.2 具有双极性输出的D/A转换器,因为在二进制算术运算中通常都把带符号的数值表示为补码的形式，所以要求D/A转换器能够把以补码形式输出的正、负数分别转换成正、负极性的模拟电压。,现以输入为3位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。3位二进制补码可以表示从+3到之间的任何整数，它们与十进制数的对应关系以及要求得到的输出电压如表9-1所示。,表9-1
5、 输入为3位二进制补码时要求D/A转换器的输出,图9-4 具有双极性输出电压的D/A转换器,表9-2 具有偏移的D/A转换器的输出,在图9-4的D/A转换电路中，如果没有接入反相器G和偏移电阻 ，它就是一个普通的3位倒T型电阻网络D/A转换器。在这种情况下，如果把输入的3位代码看作无符号的3位二进制数（即全都是正数），并且取 ，则输入代码为111时输出电压 ，而输入为000时输出电压 ，如表9-2所示。将表9-1与表9-2对照一下便可以发现，如果把表9-2中间一列的输出电压偏移-4V，则偏移后的输出电压恰好同表9-1所要求的输出电压相符。,然而，D/A转换器电路输出电压都是单极性的，得不到正、
6、负极性的输出电压。为此，在图9-4中的D/A转换电路中增设了由和组成的偏移电路。为了使输入代码为100时的输出电压等于零，只要使与此时的大小相等即可。故应取:,图9-4中所标示的、和的方向都是电流的实际方向。 假若再将表9-1和表9-2最左边一列代码对照一下还可以发现，如果把表9-1中补码的符号位求反，再加到偏移后的D/A转换器上，就可以得到表9-1所需要的输入与输出的关系。为此，在图9-1中是将符号位经反相器G反相后才加到D/A转换电路上去的。 通过上面的例子可总结出构成双极性输出D/A转换器的一般方法： 只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入最高位为1而其他各位输入为0时的输出
7、,同时将输入的符号位反相后接到一般的D/A转换器的输入，就得到了双极性输出的D/A转换器。,9.1.3 D/A转换器的主要性能指标,目前DAC的种类是比较多的，制作工艺也不相同。按输入数据字长也分为8位、10位、12位及16位等；按输出形式可分为电压型和电流型等；按结构可分为有数据锁存器和无数据锁存器2类。不同类型的DAC在性能上的差异较大，适用的场合也不尽相同。 因此，须清楚了解D/A转换器的一些技术参数。,1D/A转换器的转换精度,在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。,（1）分辨率（Resolution）。 分辨率是指数字信号中最低位发生变化时对应输出电压变化量 与满刻度
8、输出电压 之比。分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。在分辨率为n的D/A转换器中，从输出模拟电压的大小应能区分出输入代码从0000到1111全部 个不同的状态，给出 个不同等级的输出电压。分辨率可表示为,分辨率,例如：10位D/A转换器的分辨率 ，从理论上讲，二进制位数越多，分辨率越高，相应的转换精度也越高。,（2）转换误差（Conversion Offset Error）。由于D/A转换器的各个环节的参数在性能上和理论值之间不可避免地存在着差异，所以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。,转换误差是指转换器的实际误差，造成的原因包括参考电位 的波动、运算
9、放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏移以及三极管特性的不一致等。,转换误差可以用输出满刻度电压FSR（Full Scale Range）的百分数表示。 如转换误差为0.2FSR，就表示转换误差与满刻度电压之比为0.2。 转换误差也可以用最低有效位的倍数来表示。如给出为 LSB，即表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差不大于当输入为0001时的输出电压的 。,2D/A转换器的转换速度（Conversion Rate）,转换速度是指从送入数字信号起，到输出电流或电压达到最终误差 并稳定为止所需要的时间。通常用建立时间 来定量描述D/A转换器的转换速度。不同类型的D
10、/A转换器转换速度差别较大，通常为几十纳秒到几微秒，一般电流型D/A转换器较之电压型D/A转换器速度快一些，但总的来说，D/A转换速度远高于A/D转换速度。 D/A转换器的技术指标还包括线性度、输入编码形式、输入高、低逻辑电平值、温度系数、输出电压范围、功率消耗以及工作环境条件等。,9.1.4 集成D/A转换器,集成D/A芯片通常只将T型（倒T型）电阻网络、模拟开关等集成在一块芯片上，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。有的芯片中包含数据锁存器（寄存器）及一些逻辑功能电路，可以和微处理器相连接，应用较为广泛；有的则不包含这些电路。常用的D/A转换
11、芯片有八位、十位、十二位、十六位等品种。,简要介绍DAC0832D/A转换器芯片。,1原理框图,DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式8位D/A转换器,内部结构框图如图:,DAC0832内部有两个8位数据锁存器（或称作寄存器）、一个T型电阻网络和3个控制逻辑门,2引脚使用说明:,（1） : 数字信号输入端， 为最高位， 为最低位。,（2） :数据锁存允许信号（输入），高电平有效。,（3） :片选信号（输入），低电平有效。,（4） :第1写信号（输入），低电平有效。,上述三个输入信号可控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式，当 、 和 时，为输入寄存器直通方式；当 、 和 时，为
12、输入寄存器锁存方式。,（5） ：第2写信号（输入），低电平有效。,（6） ：数据传送控制信号（输入），低电平有效。,上述两个输入信号可控制DAC寄存器是数据直通还是数据锁存方式，当 和 时，为DAC寄存器直通方式；当 和 时，为DAC寄存器锁存方式。,（7） ：参考电压输入端，其电压可正可负，范围是1010V。,（8） ：电流输出1。,（9） ：电流输出2。,（10） ：反馈电阻引线端。,DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器， 即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图 ：,图：运算放大器的接法,（11）AGND：模拟信号接地端。,（12）DGND：数字
13、信号接地端。,3DAC0832的工作方式 DAC0832在不同信号组合的控制下可实现直通、单缓冲和双缓冲3种工作方式。DAC0832是电流输出型D/A转换器，需要用运算放大器将输出电流转换为输出电压。电压的输出可分单极性输出和双极性输出两种。,9.2 A/D转换器,9.2.1 A/D转换的基本原理,9.2.2 常见ADC的类型,9.2.3 A/D转换器的重要技术参数,退出,9.2.4 集成A/D转换器,9.2 A/D转换器,A/D转换器分直接A/D转换器和间接A/D转换器两种。 直接A/D转换器能把输入的模拟电压直接转化为输出的数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并联比较型和反馈比较型两类
14、。 间接A/D转换器多半属于电压时间变换型（简称V-T变换型）和电压频率变换型（简称V-F变换型）两类。,9.2.1 A/D转换的基本原理,整个A/D转换过程通常包括采样、保持、量化和编码4个步骤。,1采样（Sample） 所谓采样是指周期地采取模拟信号的瞬间值，得到一系列的脉冲样值。图9-8表明了采样的过程。,对输入模拟信号的取样,图 9-8,2保持（Hold） 在两次采样之间，为了使前一次采样所得信号保持不变，以便量化（数字化）和编码，需要将其保存起来。这就要求在采样电路后面加上保持电路。采样保持电路基本组成如图9-9所示。,基本采样保持电路,图: 9-9,3量化和编码 经采样保持所得电压
15、信号仍是模拟信号，不是数字量。那么量化和编码就是从模拟信号产生数字信号的过程。 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。 把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，称为编码。这些编码就是A/D转换的输出结果。 量化和编码通常由A/D转换器实现，简记为ADC。,4数字滤波,在微机组成的测控系统中， 常采用数字滤波的方法，它与模拟滤波器相比较具有如下优点： （1）用程序实现数字滤波，无需增加任何硬件设备，不存在阻抗匹配问题，可实现多通道共享，降低系统成本。 （2）可以对频率很低的信号实现滤波，而RC滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。 （3）可根据需要编制不同的滤波程序，以选择不同的滤波程序，使用灵活方便,目前常用的数字滤波方法有： （1）算术平均值法滤波。 （2）中值法滤波。 （3）滑动平均值法滤波。 （4）程序判断法滤波。 （5）复合法数字滤波。,9.2.2 常见ADC的类型,通常ADC的结构要比DAC复杂，A/D转换的
