数字电子技术 第7章
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第7章 D/A转换器与A/D传换器
7.1 概述 7.2 D/A转换器 7.3 模拟量到数字量的转换(A/D)
Βιβλιοθήκη Baidu 7.1 概 述
A/D(模/数)转换器是将模拟信号转换为数字信号的器 件， 又称为ADC(Analog to Digital Converter)； D/A(数/模) 转换器则是将数字信号转换为模拟信号的器件， 又称为 DAC(Digital to Analog Converter)。 A/D转换器和D/A转换器 都是随着数字计算机技术的发展而发展起来的。
为了减少这些电子开关对电路转换精度的影响， 可以 采用一种权电流转换的方法， 将每个数据位的权重与一个 相应大小的恒流源对应， 以恒定电流的形式对输出产生贡 献， 这样就大大减少了电子开关导通电阻对精度的影响。 这就是权电流型D/A转换器， 其电路图如图7.4所示。
图7.4 权电流型D/A转换器
代码
为1时开关将电阻接到UREF上， 该支路电流对总电流有贡献,
代码为0时开关将电阻接地， 该支路电流对总电流无贡献。
这样流过每个电阻的电流就和对应位的权成正比。
图7.2 四位权电阻网络D/A转换器
若取求和放大器的反馈电阻RF为R/2, 则求和放大器总的 输出电压为
(7.1)
对于n位的权电阻网络D/A转换器, 输出电压的计算公式 可写成
图7.1 计算机实时控制系统的原理框图
7. 2 D/A转换器
7.2.1 权电阻网络D/A转换器
图7.2是四位权电阻网络D/A转换器的原理图， 它由权 电阻网络、 模拟开关与求和放大器三部分组成。 权电阻网
络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比。 开关S3、S2、
S1和S0分别受输入代码d3、d2、d1和d0
7.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的
缺点， 人们研制出了倒T型电阻网络D/A转换器， 如图7.3
所示。 从图7.3中可看出 ， 倒T
R和2R
这就给集成电路的设计和制作带来了
很大方便。
图7.3 倒T型电阻网络D/A转换器
用戴维南定理化简可以得到虚框内总电阻为R, 而di=1时， Ii流入i∑， 对总电流有贡献，di=0时， Ii流入地端， 对总电 流没有贡献。 总电流可用公式表示：
7.2.4 具有双极性输出的D/A转换器
前面介绍的D/A转换电路中， 都是单极性输出， 即 数据最小值对应0电压，数据最大值对应最高输出电压 (－UREF)， 都是正电压(UREF为负电压)。 在实际应用中， 当使用D/A转换输出一个交流信号时， 常常要求能够输出具 有正负极性的信号， 比如数据最大值对应正的电压最大值， 数据最小值对应负的电压最小值， 数据的中间值对应中间 电压。
可以得出D/A转换器的输出电压：
（ 7.3）
同样， 对于n位的倒T型电阻网络D/A转换器， 则输出 电压的计算公式和式（7.3）相同。
由于倒T型电阻网络D/A转换器中各支路的电流直接流 入运算放大器的输入端, 它们之间不存在传输时间差， 因而 提高了转换速度并减小了动态过程中输出端可能出现的尖峰 脉冲。
众所周知， 自然界的物理信号均是模拟连续信号， 如 声音、 图像、 温度、 湿度、 压力、 流量、 位移等， 要利 用数字计算机对这些信号进行处理， 首先需要通过传感器 将其转换为模拟电压或电流信号， 之后通过A/D转换器将其 变换为由数字代码表示的在幅值和时间上都离散的数字信号。
另一方面， 如果要利用数字计算机合成需要的模拟信 号或将经过数字处理后的信号再转换为模拟信号， 则需要 D/A转换器将时间离散的数字信号转换为模拟信号。 例如， 将降噪后的信号输出， 或利用数字计算机产生视频图像或 语音信号等。 因此， A/D转换器和D/A转换器是数字系统和 模拟系统进行信息转换的关键部件。 图7.1所示为计算机实 时控制系统的原理框图， 从图中可以看出A/D和D/A的作用 很大。
同时， 只要所有的模拟开关在状态转换时满足“先通 后断”的条件(一般的模拟开关在工作时都是符合这个条件 的)， 那么即使在状态转换过程流中过各支路的电流也不改 变， 因而不需要电流的建立时间， 这也有助于提高电路的 工作速度。
鉴于以上原因， 倒T型电阻网络D/A转换器是目前使用 的D/A转换器中速度较快的一种， 也是用得最多的一种。
(7.2) 式（7.2）表明， 输出的模拟电压uO正比于输入的数字信号 Dn， 从而实现了从数字量到模拟量的转换。Dn的范围为
这个电路的优点是结构比较简单， 所用的电阻元件数 很少； 其缺点是各个电阻的阻值相差较大， 尤其在输入信 号的位数较多时， 问题就更突出了。 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R=10 kΩ， 那么最大的电阻将达到27R =1.28 MΩ, 两者相差128倍。
由图7.4所示的电路图可知， 权电流型D/A转换器仍然 使用电子开关作为切换， 当某位数值为0时， 开关转向左侧， 对应的支路直接接地， 对输出端没有影响， 当该位数值为1 时， 开关转向右侧， 对应的恒流源通过反馈电阻RF作用于 输出，输出幅度的大小只与反馈电阻和恒流值有关， 不受 开关导通电阻的影响。 因此， 这个电路的关键变成了如何 实现一组保持严格比例关系的恒流源的问题。
要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电限值都有很高 的精度， 这是十分困难的。 这对于制作集成电路尤为不利。
为克服这一缺点， 在输入数字量的位数较多时可采用 双级权电阻网络。 在双级权电阻网络中， 每一级仍然只有 四个电阻， 阻值之比还是1∶2∶4∶8。 由于电阻的最大值 与最小值相差仍为8倍， 因此精度很难提高。
7.2.3 权电流型D/A转换器
在前面介绍的电阻网络型D/A转换器中， 都使用电子 开关进行切换， 每位数据的取值决定开关的连接方向。 由 于电子开关通常是利用晶体管的导通、 截止实现的， 而晶 体管导通时都有一定的导通电阻， 存在一定的压降， 且每 个管子的导通电阻、 导通压降也不尽相同， 因此这些缺少 一致性的导通电阻与电阻网络的电阻共同作用于电路， 难 免会产生一定的误差。
7.1 概述 7.2 D/A转换器 7.3 模拟量到数字量的转换(A/D)
Βιβλιοθήκη Baidu 7.1 概 述
A/D(模/数)转换器是将模拟信号转换为数字信号的器 件， 又称为ADC(Analog to Digital Converter)； D/A(数/模) 转换器则是将数字信号转换为模拟信号的器件， 又称为 DAC(Digital to Analog Converter)。 A/D转换器和D/A转换器 都是随着数字计算机技术的发展而发展起来的。
为了减少这些电子开关对电路转换精度的影响， 可以 采用一种权电流转换的方法， 将每个数据位的权重与一个 相应大小的恒流源对应， 以恒定电流的形式对输出产生贡 献， 这样就大大减少了电子开关导通电阻对精度的影响。 这就是权电流型D/A转换器， 其电路图如图7.4所示。
图7.4 权电流型D/A转换器
代码
为1时开关将电阻接到UREF上， 该支路电流对总电流有贡献,
代码为0时开关将电阻接地， 该支路电流对总电流无贡献。
这样流过每个电阻的电流就和对应位的权成正比。
图7.2 四位权电阻网络D/A转换器
若取求和放大器的反馈电阻RF为R/2, 则求和放大器总的 输出电压为
(7.1)
对于n位的权电阻网络D/A转换器, 输出电压的计算公式 可写成
图7.1 计算机实时控制系统的原理框图
7. 2 D/A转换器
7.2.1 权电阻网络D/A转换器
图7.2是四位权电阻网络D/A转换器的原理图， 它由权 电阻网络、 模拟开关与求和放大器三部分组成。 权电阻网
络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比。 开关S3、S2、
S1和S0分别受输入代码d3、d2、d1和d0
7.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的
缺点， 人们研制出了倒T型电阻网络D/A转换器， 如图7.3
所示。 从图7.3中可看出 ， 倒T
R和2R
这就给集成电路的设计和制作带来了
很大方便。
图7.3 倒T型电阻网络D/A转换器
用戴维南定理化简可以得到虚框内总电阻为R, 而di=1时， Ii流入i∑， 对总电流有贡献，di=0时， Ii流入地端， 对总电 流没有贡献。 总电流可用公式表示：
7.2.4 具有双极性输出的D/A转换器
前面介绍的D/A转换电路中， 都是单极性输出， 即 数据最小值对应0电压，数据最大值对应最高输出电压 (－UREF)， 都是正电压(UREF为负电压)。 在实际应用中， 当使用D/A转换输出一个交流信号时， 常常要求能够输出具 有正负极性的信号， 比如数据最大值对应正的电压最大值， 数据最小值对应负的电压最小值， 数据的中间值对应中间 电压。
可以得出D/A转换器的输出电压：
（ 7.3）
同样， 对于n位的倒T型电阻网络D/A转换器， 则输出 电压的计算公式和式（7.3）相同。
由于倒T型电阻网络D/A转换器中各支路的电流直接流 入运算放大器的输入端, 它们之间不存在传输时间差， 因而 提高了转换速度并减小了动态过程中输出端可能出现的尖峰 脉冲。
众所周知， 自然界的物理信号均是模拟连续信号， 如 声音、 图像、 温度、 湿度、 压力、 流量、 位移等， 要利 用数字计算机对这些信号进行处理， 首先需要通过传感器 将其转换为模拟电压或电流信号， 之后通过A/D转换器将其 变换为由数字代码表示的在幅值和时间上都离散的数字信号。
另一方面， 如果要利用数字计算机合成需要的模拟信 号或将经过数字处理后的信号再转换为模拟信号， 则需要 D/A转换器将时间离散的数字信号转换为模拟信号。 例如， 将降噪后的信号输出， 或利用数字计算机产生视频图像或 语音信号等。 因此， A/D转换器和D/A转换器是数字系统和 模拟系统进行信息转换的关键部件。 图7.1所示为计算机实 时控制系统的原理框图， 从图中可以看出A/D和D/A的作用 很大。
同时， 只要所有的模拟开关在状态转换时满足“先通 后断”的条件(一般的模拟开关在工作时都是符合这个条件 的)， 那么即使在状态转换过程流中过各支路的电流也不改 变， 因而不需要电流的建立时间， 这也有助于提高电路的 工作速度。
鉴于以上原因， 倒T型电阻网络D/A转换器是目前使用 的D/A转换器中速度较快的一种， 也是用得最多的一种。
(7.2) 式（7.2）表明， 输出的模拟电压uO正比于输入的数字信号 Dn， 从而实现了从数字量到模拟量的转换。Dn的范围为
这个电路的优点是结构比较简单， 所用的电阻元件数 很少； 其缺点是各个电阻的阻值相差较大， 尤其在输入信 号的位数较多时， 问题就更突出了。 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R=10 kΩ， 那么最大的电阻将达到27R =1.28 MΩ, 两者相差128倍。
由图7.4所示的电路图可知， 权电流型D/A转换器仍然 使用电子开关作为切换， 当某位数值为0时， 开关转向左侧， 对应的支路直接接地， 对输出端没有影响， 当该位数值为1 时， 开关转向右侧， 对应的恒流源通过反馈电阻RF作用于 输出，输出幅度的大小只与反馈电阻和恒流值有关， 不受 开关导通电阻的影响。 因此， 这个电路的关键变成了如何 实现一组保持严格比例关系的恒流源的问题。
要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电限值都有很高 的精度， 这是十分困难的。 这对于制作集成电路尤为不利。
为克服这一缺点， 在输入数字量的位数较多时可采用 双级权电阻网络。 在双级权电阻网络中， 每一级仍然只有 四个电阻， 阻值之比还是1∶2∶4∶8。 由于电阻的最大值 与最小值相差仍为8倍， 因此精度很难提高。
7.2.3 权电流型D/A转换器
在前面介绍的电阻网络型D/A转换器中， 都使用电子 开关进行切换， 每位数据的取值决定开关的连接方向。 由 于电子开关通常是利用晶体管的导通、 截止实现的， 而晶 体管导通时都有一定的导通电阻， 存在一定的压降， 且每 个管子的导通电阻、 导通压降也不尽相同， 因此这些缺少 一致性的导通电阻与电阻网络的电阻共同作用于电路， 难 免会产生一定的误差。