数字电路习题-第七章

第七章 D/A转换器和A/D转换器

A/D转换器和D/A转换器是反馈控制系统中，不可缺少的集成电路器件，它在系统中起着“数字至模拟”或“模拟至数字”的桥梁性作用。本章要求学生理解D/A转换器和A/D转换器的工作原理，掌握他们的主要性能指标和使用方法。

第一节 基本知识、重点与难点

一、基本知识

（一）D/A转换器和A/D转换器的基本原理

D/A转换器和A/D转换器的主要技术参数有转换速度、转换精度、抗干扰能力等。在选用D/A转换器和A/D转换器时，一般根据这几个性能指标综合考虑。分辨率和转换误差影响D/A转换器的精度，转换时间影响转换器的转换速度。

A/D转换器是将模拟量转换成数字量，转换过程包括采样、保持、量化和编码4个步骤。

D/A转换器是将数字量转换成模拟量，它通过电阻网络、模拟开关和运算放大器将数字量转换成电流，再用加法器将各有效支路电流相加并转换成电压。

（二）D/A转换器

1．权电阻网络

权电阻网络由一组电阻组成，其中每个权电阻的阻值与该电阻所对应的权位成反比。使流过每个接到基准电源U REF上电阻的电流和对应的权值成正比。

权电阻网络D/A转换器的优点是电路结构简单，所用元器件数量较少。但当二进制数位较多时，权电阻值种类多，且阻值分散，使得转换精度较低。

2．R-2R网络

R-2R网络D/A转换器中各支路的电流直接流入运算放大器的反相端，它们之间不存在传输误差，因而提高了转换速度，减小了动态过程中在输出端可能出现的尖峰脉冲。由于只采用了R和2R两种阻值，因此能比较容易保证电阻网络的精度，也容易集成化。

3．集成D/A转换器

目前市场集成D/A转换器的芯片种类较多，可根据电路系统要求的技术参数，参考数据手册，综合考虑选用集成D/A转换器。

（三）A/D转换器

1．并行比较型A/D转换器

并行比较型A/D转换器是高速A/D转换器，其转换不需要反复，在所有种类A/D转换器中转换速度最快。然而这种A/D转换器的缺点是分辨率低，比较器的数量也随着数字量的增加而增加。因此，并行比较型A/D转换器一般用在转换速度快而精度要求不高的场合。

2．串行比较型A/D转换器

串行比较型A/D转换将模拟信号依时间顺序通过一连串的比较器，后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余。由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种转换器的转换速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D转换器，串行比较法较并行比较法少

用了大量的比较器。

3．逐次比较型A/D转换器

逐次比较型A/D转换器首先从高位进行比较，直到最低位。进行转换的至少需要几个周期，数字量的位数越多，转换的时间越长。其转换速度较并行比较型A/D转换器低，属于中型A/D转换器。

逐次比较型A/D转换器只采用了一个比较器，当位数较多时，具有很明显的价值，因而是目前应用较多的一种A/D转换器。它的主要特点是电路简单，速度、精度都较高。

4．双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量—时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。由于采用了以输入信号为被积函数进行积分的方式，积分电路响应是输入信号的平均值，所以它具有较强的抗脉冲干扰能力。另外，在两次积分内，只要RC元件参数不发生瞬时改变，转换结果就与RC值无关，因此它对元件的稳定性要求不高。但也正是由于积分，转换时间相对就要长些，而且第二次积分时间还不能固定，故此方法只能用于低速场合。

5．集成A/D转换器及其应用

根据A/D转换器在系统中的作用以及与系统中其他电路的关系，可依据转换速率、精度和功能来选用合适的A/D转换器，这样可以减少电路连接中的辅助环节，还可以避免出现一些不易发现的逻辑与时序错误。

二、重点与难点

重点：

1．理解A/D转换器和D/A转换器的主要技术指标；

2．熟练掌握各种A/D转换器和D/A转换器工作原理；

3．集成A/D转换器和集成D/A转换器的应用。

难点：

1．A/D转换器和D/A转换器的主要技术指标；

2．集成A/D转换器、集成D/A转换器和中规模组合、时序电路的综合应用。

三、考核题型与考核重点

1．概念与简答

题型为填空、判断和选择；

分配的分数为2～4分。

2．综合与设计

题型1为A/D转换器和D/A转换器工作原理分析题型；

题型2为集成A/D转换器、集成D/A转换器和中规模组合、时序电路的综合分析、设计应用题型。

分配的分数为8～16分。

第二节典型题解

例题7.1 某一D/A转换器电路如例题7.1图（a）所示，图中74290输出端Q i=1时，相应的模拟开关S i在位置1；Q i=0时，相应的模拟开关S i在位置0。请解答如下问题。

（1） 该电路是哪一种D/A 转换器？ （2） 求u O 与数字量Q 3Q 2Q 1Q 0之间的关系式。

（3） 若U REF =1V ，求Q 3Q 2Q 1Q 0=0001和0101时的u O 值。

（4） 画出计数器输入连续计数脉冲CP 时的u O 波形，设计数器的初态为0。 解：（1）观察例题7.1图（a ），74290计数器是按8421BCD 码计数的方式连接，所以计数状态是10个，从0000～1001。而图的右半部分是一个权电组D/A 转换器。

（2）u O =-U REF （23Q 3+22Q 2+21Q 1+20Q 0）

（3）当U REF =1V ，Q 3Q 2Q 1Q 0=0001时，u O =-1V ；Q 3Q 2Q 1Q 0=0101时，u O =-5V 。 （4）输入连续计数脉冲CP 时，u O 为一阶梯波形，其波形如例题7.1图（b ）所示。

（a ）

O

（b ）

CP

O t

u O O

t

-8V -6V -4V -2V

例题7.1图

例题7.2 例题7.2图（a ）所示电路是10位D/A 转换器CB7520和4位右移移位寄存器74195组成的波形发生器电路。已知CB7520的U REF =-10V ，试画出输出电压u O 的波形，并标出波形图上各点电压的幅度。

解：4位右移移位寄存器74195工作在扭循环状态，共有8个状态，在时钟信号CP 连续作用下，Q 3Q 2Q 1Q 0依此以此状态为0000、0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000、0000…不断循环。因此D 9D 8D 7D 6也按此8个状态不断循环。D 9、D 8、D 7、D 6为1时在输出

图（b ）所示。

u O