AD DA转换电路

当ul为低电平时，MOS管截止。由于CH上的电压在一段 时间内基本保持不变，所以uo也保持不变，取样结果被保存 下来。CH的漏电流越小，运算放大器的输入阻抗越高，uo保 持的时间越长。
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取样保持集成电路LF198电路如图示。
A1、A2是两个运算放大器，S为模拟开关，L是控制S状 态的逻辑单元。ul和VREF是逻辑单元的两个输入电压信号，当 ul大于VREF+VTH时S接通，而当ul小于VREF+VTH时S断开。VTH 称阈值电压。
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D/A转换器的转换精度 D/A转换器的转换精度通常采用分辨率和转换误差来描述。 分辨率用输入的二进制数码的位数给出。分辨率为n位 的D/A转换器，输出模拟电压给出2n不同等级的输出电压， 对应代码从全0到全1分。分辨率越高，表明输出模拟电压 可以分辨更小的电压。 分辨率有时也用D/A转换器能够分辨出来的最小电压 （此时输入数字代码只有最低有效位为1，其余各位都为0） 与最大输出输出电压（此时输入数字代码所有各位都为1） 之比给出。如10位的D/A转换器分辨率可以表示为：
uO
输入数字量分别控制D3、D2、D1、D0分别控制模拟开 关S3、S2、S1、S0 的工作状态。
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当Di为“1”时，Si接通集成运放的反相输入端，当Di为 “0”时，Si接集成运放的同相输入端。集成运放的同相输入 端接地，由于虚地，则反相输入端也相当接地。这样，不 管开关SI接那边，流过各电阻支路的电流不变。根据电路的 连接关系，标出各支路电流方向及大小如图示：
在过程控制和信息处理中经常遇到大量的连续变化的物 理量，如话音、温度、压力、流量等，它们的值随时间连续 变化。处理这些信号时，首先需要传感器将这些物理量转换 为连续变化的电压或电流信号，再经模拟 — 数字转换电路 （ A/D）转换为数字量，送入计算机或数字控制电路进行处 理。处理的结果又需要经过数字 —模拟（ D/A）转换变成电 压、电流等模拟量实现自动控制。图示为一个典型的数字控 制系统框图。
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输入4位数字量D3、D2、D1、D0分别控制模拟电子 开关S3、S2、S1、S0的工作状态。当Di为“1”时，开关 Si接通参考电压UREF，反之Di为“0”时，开关Si接地。 求和运算放大器的输出电压为：
LSB D0 I0 S0 2 3R S1 2 2R D1 S2 2 1R D2 I2 S3 20R MSB D3 I3 R/2
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当ul=1时电路处于取样工作状态，这时S闭合，A1和A2 均工作在单位增益的电压跟随器状态，所以有：
vo v'Oc vI
取样结束时ul回到低电平，电路进入保持状态。这时S断 开，CH上的电压基本保持不变，因而输出电压也得以维持原 来的数值。
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1V 13/15V 11/15V 9/15V 模拟 7/15V 电压 5/15V 3/15V 2/15V 1/15V 0V -1/15V
} }110 }101 }100 }011 }010 }001 }000
111
数字 信号
为了减小量化误差，量 化时可用量化电平2/15V对 应数字信号001量化如图示。 将处于-1/15—1/15V的编为 000， 1/15—3/15V编为001， 依次类推，处于13/15—1V 的模拟电压编为111。
传感器 A/D 数字控制系统 D/A 模拟控制器
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可以看出， A/D 转换和 D/A 转换是现代数字化设备中不 可缺少的部分，是数字电路和模拟电路中间的接口电路。 为了保证数据处理结果的准确性，要求 A/D 、 D/A 转换 有一定的转换精度。同时，为了适应快速过程控制和检测的 需要， A/D 转换和 D/A 转换必须有足够快的转换速度。为此， 转换精度和转换速度乃是衡量 A/D 转换和 D/A 转换性能优劣 的主要标志。
+
uO
UREF
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LSB D0 I0 S0 2 3R S1 2 2R
D1 I1 S2 2 1R
D2 I2
MSB D3 I3 S3 20R
R/2
+
uO
UREF
uo
R ( I 3 I 2 I1 I 0 ) 2 R U REF U REF U REF U REF ( 0 D3 1 D2 2 D1 3 D0 ) 2 2 R 2R 2 R 2 R R U REF 3 2 1 0 ( 2 D 2 D 2 D 2 D0 ) 3 2 1 3 2 2 R U 数字逻辑电路电子教案 REF D4 西北大学信息学院 4 2
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D/A转换器的转换速度 通常用建立时间tset来定量描述转换速度。建立时间是指， 从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相 差 ±1/2LSB 范围内的这段时间。一般产品说明给出的都是 输入从全0跳变为全1（或从全1变为全0）时的建立时间。
目前在不包含运算放大器的单片集成D/A转换器中，建 立时间最短的可达到0.1us以内，在包含运算放大器集成DAC 中，建立时间最短的可以达到1.5us。 外加运算放大器的DAC，建立时间包含运算放大器的建 立时间，且为主要部分。为了获得较快的转换速度，应选用 输出电压变化速度较快的运放。
LSB D0 D1 D2
MSB D3
R
+
S0 2R 2R S1 2R I/16 R I/8 R S2 2R I/4 R S3 2R I/2 I UREF
uO
u o R( I 3 D3 I 2 D2 I1 D1 I 0 D0 )
n位的权电阻D/A转 RU REF 1 1 1 1 ( D3 D2 D1 D0 ) 换器，其输出电压为： R 2 4 8 16 与权电阻网络结论相同。
LSB D0 D1 D2 MSB D3 R
+
S0 2R 2R S1 2R I/16 R I/8 R S2 2R I/4 R S3 2R I/2 I UREF
uO
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流入集成运放反相 输入端的电流由数字量 Di控制，为0时，电流 流入同相输入端，为1 时流入反相输入端。输 出电压为：
n位的权电阻D/A转换器，其输出电压为：
uo U REF Dn n 2
上式表明，输出的模拟电压与输入的数字量大小成正 比。当输入数字量全为0时，输出电压为0V；当输入数字 量全为1时，输出电压为 U REF (2n 1) / 2n
上述电路结构简单，缺点是构成权电阻的阻值范围较宽， 品种较多。为保证D/A转换的精度，要求电阻的阻值很精确， 但要保证范围很宽的电阻均具有很高的精度，这给集成电路 的生产带来了困难。因此，集成电路中较少采用这种DAC 电路。
D/A A/D转换电路
在自动控制及自动检测系统中，经常需要将 模拟信号变换为数字信号，或将数字信号转换为 模拟信号，故需要相应的A/D和D/A转换电路。本 章介绍常用D/A、A/D转换电路及工作原理，并简 要介绍两种转换电路的常用指标参数：转换精度、 转换误差及转换速度。
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U REF 3 4 (2 D3 2 2 D2 21 D1 20 D0 ) 2 U REF 4 D4 2
U REF uo n D n 2
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倒T型DAC电路只采用两种电阻，故在集成电路制造中 广泛应用，是目前D/A转换器速度较快的一种。采用倒T形 电阻网络的单片集成D/A转换器CB7520的电路原理图。输 入为10位二进制数，采用CMOS电路构成的模拟开关。
1 1 0.001 10 2 1 1023
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然而，由于D/A转换器中的权电阻、模拟开关导通及 截止时电阻、参考电压值、集成运算放大器等各个环节在 参数和性能上均和理论值之间存在差异，所以实际能达到 的精度要由转换误差来决定。它表示由各种因素引起的一 个综合上与理想转换之间的最大偏差。 常见的集成D/A转换器一类器件的内部只包含电阻网 络和模拟开关，如CB7520。而另一类器件内部还包含运 算放大器以及参考电压源的发生电路。 为了获得高精度的D/A转换器，除了选择用高分辨率 的D/A转换器，还要选用高稳定性的参考电压源和低漂移 的运算放大器等。
uo
数字信号
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量化编码原理 用量化电平将取样到的模拟信号化分，从0到最大值， 化分为一个个的量化区间，量化区间的个数与转换后数字 量的位数对应，如果转换后的数字量为三位，则量化区间 有8个。如果转换后的数字量为四位时，阶梯电压有16个。 量化电平用Δ表示，值等于数字信号最小值对应的模 拟信号值，若用三位数字量表示0~1的模拟信号，则001表 示1/8V，量化电平为1/8V。 最后，处于每一区间的模拟信号编码为对应的数字信 号。 用图表示如下：
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1V 7/8V 6/8V 5/8V 模拟 电压 4/8V 3/8V 2/8V 1/8V 0V
}111 }110 }101 }100 }011 }010 }001 }000
数字 信号
要将0~1V的模拟电压转换为 三位的二进制数，量化电平1/8V 对应数字信号001，并化分区间如 图示：然后将 处于0~1/8V的模拟 电压编码为000，处于1/8~2/8V的 编为001，依次类推，处于 7/8~1V的模拟电压编为111。 可以看出，将模拟电压转换 为数字信号时，量化时存在着误 差，称为量化误差。最大等于量 化电平Δ。
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D/A转换器
权电阻网络D/A转换电路
LSB D0 I0 S0 2 3R S1 22 R D1 I1 S2 21R D2 I2 S3 20R MSB D3 I3 R/2
+
uO
UREF
电路由权电阻网络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。
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A/D转换器
A/D转换器的转换原理 ADC电路是将输入在时间上连续的模拟信号转换为输出 的离散数字信号，所以先要选定一系列时间点上的模拟信号 即采（取）样，然后再把这些取样值转换成数字量。A/D转 换电路一般要经过四部分电路的处理，取样保持、量化编码 后，即可将模拟信号变换为数字信号。 取样电路在输入的模拟信号上按取样时间（也称取样频 率）选取一系列的瞬态模拟信号值。为了不丢失原模拟信号 中的信息，取样时要遵守取样定理。即取样频率大于等于原 模拟信号最高频率的2倍。 之后，取样后的样本值应保持一 段时间，以便后级量化编码电路转换为数字信号。
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量化电路是用量化电平将取样到的模拟信号化分为量 化阶梯，并按输出要表示的数字信号的位数将每一阶梯的 模拟信号值表示为对应的数字信号，即完成编码。 上述ADC电路可用方框图描述，并标出各输入输出的 电压波形，便于同学理解。
ui
ui 0
取样 电路
保持 电路
量化
编码 电路
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倒T型电阻网络D/A转换器
电路由倒T型电阻网络、模拟开关和运算放大器组成。倒 T型电阻网络由R、2R两种阻值的电阻构成。
LSB D0 D1 D2 MSB D3 R
+
S0 2R 2R S1 2R I/16 R I/8 R S2 2R I/4 R S3 2R I/2 I UREF
可以看出，最大等于量 化电平Δ/2。
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取样保持原理电路
图中T为N沟道增强型MOS管，作模拟开关用。当取样信 号ul为高电平时T导通，输入信号uI经电阻RI和T向电容CH充电。 若取RI=RF，并忽略运算放大器的输入电流，则充电结束后
uo uc uI
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