数模和模数转换器.doc

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1、数模和模数转换器在计算机控制系统与智能化仪表中，用数字方法处理模拟信号时，必须先将模拟量转换成数字量。这是因为在计算机控制系统和智能化仪表中，被测物理量如温度、压力、流量、位移、速度等都是模拟量，而这些数字系统只能接收数字量，所以，必须首先把传感器（有时需要通过变换器）输出的物理量转化成数字量，然后再送到数字系统进行数据处理，以便实现控制或进行显示。同样，在数字通信和遥测技术中，发送端也要把模拟量变成数字量的形式，以便发送出去。能够把模拟量转变为数字量的器件叫模拟-数字转换器（简称A/D转换器）。反过来，计

2、算机控制系统处理后的数字量输出一般不能直接用以控制执行机构，还必须把数字量转变成模拟量；数字通信系统也需在接收端把数字量还原成模拟量。这些都必须由数字-模拟转换器（简称D/A转换器）来完成。可见，A/D转换器和D/A转换器是计算机应用于自动化生产过程的必须器件，也是智能仪表和数字通信系统中不可少的器件。D/A转换器和A/D转换器中的模拟量在电路中多以电流或电压的形式出现，因此转换器的类型很多，这里只介绍典型的数字-电压转换器和电压-数字转换器。由于A/D转换是在D/A转换的基础上实现的，所以先讨论D/A转换

3、器。10.1数模转换器(DAC)D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成电压或电流形式的模拟量输出。因此，D/A转换器可以看作是一个译码器。一般线性D/A转换器，其输出模拟电压u和输入数字量D之间成正比关系，即uO=K×D式中K为常数，D为二进制数字量，D=Dn-1Dn-2…D0。D/A转换器的一般结构如图10-1所示。图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个电子开关的工作状态。通过电子开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。并非所有的D/A转换器都具有这几个部分，但虚框

4、内的部分是必不少的。现在我们来讨论如何把一个二进制的数值D转换成一个模拟电压uO，这是D/A转换的典型问题。一种简单的解决方法是，用二进制数的每一位数码按权大小产生一个电压，此电压的值正比于对应位码的权值。例如，位Dn-1=1时产生电压2n-1K伏、Dn-1=0时产生电压0伏，即位Dn-1产生的电压为Dn-1×2n-1K伏；位Dn-2产生的电压为Dn-1×2n-2K伏；……；位D0产生的电压为D0×20K伏；以上K为定常系数。然后，把这些电压简单地加起来，结果就是，uO=Dn-1×2n-1K+Dn-2×2n

5、-2K+…+D0×20K=K×(Dn-1×2n-1+Dn-2×2n-2+…+D0×20)=K×D图10-2就是按这种方法实现的D/A转换器，实际上，这是一个加权加法运算电路。图中电阻网络与二进制数的各位权相对应，权越大对应的电阻值越小，故称为权电阻网络。图中VR为稳恒直流电压，是D/A转换电路的参考电压。n路电子开关Si由n位二进制数D的每一位数码Di来控制，Di=0时开关Si将该路电阻接通“地端”，Di=1时Si将该路电阻接通参考电压VR。集成运算放大器作为求和权电阻网络的缓冲，主要是为了减少输出模拟信号

6、负载变化的影响，并将电流输出转换为电压输出。图10-2中，因A点“虚地”，VA=0，各支路电流分别为……又因放大器输入端“虚断”，所以，图10-2权电阻网络转换器In-1+In-2+…+I0=If以上各式联立得，从上式可见，输出模拟电压uO的大小与输入二进制数的大小成正比，实现了数字量到模拟量的转换。权电阻网络D/A转换器电路简单，但该电路在实现上有明显缺点，各电阻的阻值相差较大，尤其当输入的数字信号的位数较多时，阻值相差更大。这样大范围的阻值，要保证每个都有很高的精度是极其困难的，不利于集成电路的制造。为

7、了克服这一缺点，D/A转换器广泛采用T型和倒T型电阻网络D/A转换器。10.1.1倒T形电阻网络D/A转换器图10-3为T型电阻网络4位D/A转换器的原理图。图中电阻译码网络是由R和2R两种阻值的电阻组成T型电阻网络，运算放大器构成电压跟随器，图中略去了数据锁存器，电子开关S3、S2、S1、S0在二进制数D相应位的控制下或者接参考电压VR（相应位为1）或者接地（相应位为0）。当电子开关S3、S2、S1、S0全部接地时，从任一节点a、b、c、d向其左下看的等效电阻都等于R。下面利用叠加原理和戴维兰定理来求转换

8、器的输出uO。当D0单独作用时，T型电阻网络如图10-4a）所示。把a点左下等效成戴维兰电源，如图10-4b）所示；然后依次把b点、c点、d点它们的左下电路等效成戴维兰电源时分别如图10-4c）、d）、e）所示。由于电压跟随器的输入电阻很大，远远大于R，所以，D0单独作用时d点电位几乎就是戴维兰电源的开路电压D0VR/16，此时转换器的输出uO（0）=D0VR/16当D1单独作用时，T型电阻网络如图10-5(a)