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1、第8章数/模和模/数转换8.1概述8.2D/A转换器8.3A/D转换器(ADC)8.1概述随着数字计算机的迅速发展,其应用越来越广,特别是计算机在自动控制、自动检测、通信、生物工程、医疗等其他领域中的广泛应用。由于数字计算机只能处理数字信号,因此需要将模拟信号转换成数字信号后才能送给数字系统进行处理。同时,往往还需要把处理后得到的数字信号再转换成相应的模拟信号,作为最后的输出。我们把将数字信号转换成模拟信号的电路或器件称为数字－模拟转换器,又称D/A转换器或称DAC；将模拟信号转换为数字信号的电路或器件称为
2、模拟－数字转换器,又称A/D转换器或称ADC。为了保证数据处理的准确性,D/A转换器和A/D转换器必须有足够的精度,同时,为了适应快速过程的控制和检测的需要,D/A转换器和A/D转换器还必须有足够快的转换速度。因此,转换精度和转换速度乃是衡量D/A转换器和A/D转换器性能优劣的主要标志。本章主要介绍D/A转换器和A/D转换器的基本原理和常见的典型电路。目前常见的D/A转换器中有权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器等几种类型。A/D转换器的类型也有多种,可分为直接A/D转换
3、器和间接A/D转换器两大类。在常见的直接A/D转换器中,又有并联比较型A/D转换器和反馈比较型A/D转换器两类。目前使用的间接A/D转换器大多都属于电压－时间变换型,如双积分型A/D转换器和电压－频率变换型两类。8.2D/A转换器(DAC)8.2.1权电阻网络D/A转换器1.电路组成图8―1所示为四位权电阻网络D/A转换器的原理图。它由权电阻网络20R、21R、22R、23R,电子模拟开关S0、S1、S2、S3,基准电压UREF及求和运算放大器组成。图8―１权电阻网络D/A转换器电子模拟开关S0～S3受输入
4、数字信号d0～d3控制,如果第i位数字信号di=1,则Si接位置1,相应的电阻Ri和基准电压UREF接通；若di=0,则Si接位置0,Ri接地。求和运算放大器用于将权电阻网络流入A的电流iΣ转换为相应的模拟电压u0输出。调节反馈电阻RF的大小,可使输出的模拟电压u0符合要求。同时,求和运算放大器又是权电阻网络和输出负载的缓冲器。2.工作原理下面分析图8―1所示权电阻D/A转换器输出的模拟电压和输入数字信号之间的关系。在假设运算放大器输入电流为零的条件下可以得到:(8.2.1)取RF=R/2,则得到:(8.2
5、.2)对于n位的权电阻网络D/A转换器,当反馈电阻取为R/2时,输出电压的计算公式可写成:(8.2.3)【例8.1】在图8―1所示权电阻网络D/A转换器中,设UREF=-8V,RF=R/2,试求:(1)当输入数字量d3d2d1d0=0001时,输出电压值。(2)当输入数字量d3d2d1d0=0101时,输出电压值。(3)当输入最大数字量时,输出电压值。解:(1)根据式(8.2.2),可求得输入数字量d3d2d1d0=0001时的输出电压为(2)根据式(8.2.2),可求得输入数字量d3d2d1d0=0101
6、时的输出电压为(3)根据式(8.2.2),可求得输入最大数字量d3d2d1d0=1111时的输出电压为权电阻网络D/A转换器的优点是电路结构比较简单,所用的电阻元件数较少。它的缺点是各个电阻的阻值相差比较大,尤其是在输入信号的位数较多时,这个问题更突出。例如当输入信号增加到八位时,如果取权电阻网络中最小的电阻为R=10kΩ，那么最大的电阻阻值将达到27R(=1.28MΩ),两者相差128倍之多。要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分困难的,尤其对制作集成电路更加不利。为了克服权电阻网络D
7、/A转换器中电阻阻值相差太大的缺点,常采用倒T型电阻网络D/A转换器。8.2.2倒T型电阻网络D/A转换器1.电路组成图8―2所示为四位R－2R倒T型电阻网络D/A转换器的原理图。和权电阻网络D/A转换器相比,除电阻网络结构呈倒T型外,电阻网络中只有R,2R两种阻值的电阻,这就给集成电路的设计和制作带来了很大的方便。图8―２倒T型电阻网络D/A转换器2.工作原理电子模拟开关Ｓ0～S3受输入数字信号d0～d3控制。如果第i位数字信号di=1,Si接求和运算放大器的虚地端；当di=0时,Si接地。可见,无论输入
8、数字信号为0还是为1,即无论各电子模拟开关接“0”端还是接“1”端,各支路的电流都直接流入地或流入求和运算放大器的虚地端,所以对于倒T型电阻网络来说,各2R电阻的上端相当于接地。由图8―2看出,基准电压UREF对地电阻为R,其流出的电流i=UREF/R是固定不变的,而每个支路的电流依次为I/2、I/4、I/8、I/16,因此，(8.2.4)在求和放大器的反馈电阻阻值等于R的条件下输出电压为(8.2.5)对于n位输
