(数字电子技术)数模与模数转换

当输入最大数字量11111111时，由式(7.2.5)可知：
U om U 2 a 8 R ( x 1 2 0 1 2 1 1 2 6 1 2 7 ) 0 .9U 9 R 6
7.3 模/数转换
7.3.1 ADC的基本概念
ADC的任务是将模拟信号转换为数字信号。在此过程 中，输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号 是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的时间瞬间对 输入的模拟信号取样，然后再把这些样值转换为输出的数字 量。因此，转换过程通常通过采样、保持、量化、编码四个 步骤来完成。其转换原理图如图7.3.1所示。
图 7.3.1 ADC的转换原理图
7.3.2 ADC的电路组成及其工作原理
1. ADC的电路组成 在进行A/D转换的过程中，需要经过采样、保持、量化、 编码四个步骤来完成，这些步骤往往是在电路中合并进行的。 例如采样和保持就是利用同一个电路连续进行的，量化和编 码也是在转换过程中同时实现的，而且所占有的时间又是保 持时间的一部分。其电路组成结构框图如图7.3.2所示。
均为R，即 RA＝2R∥2R＝R RB＝(RA+R)∥2R＝R RC＝2R∥2R＝R RD＝2R∥2R＝R
则流过各节点的电流从高位到低位依次为
IR＝URR Ι
In1-＝12I＝12URR In-2＝14I＝14URR
Ii＝21n1-I＝21n1-URR
I0＝21n
I＝21n
UR R
流入运算放大器的总电流为
7.2.3 常见的DAC电路
1. 倒T型电阻网络 DAC电路可分为电压型和电流型两大类。 电路结构如图7.2.4所示。
图 7.2.4 n位二进制倒T型网络DAC电路
电子开关受输入二进制数Di控制。当Di＝1时，Si接运算 放大器反相输入端，电流Ii流入求和电路；当Di＝0时，Si将 电阻2R接地。根据运算放大器线性运用时的虚地概念可知， 无论电子开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均将接地， 这样流过电阻2R上的电流不随开关位置变化而变化，为确 定值，从每个节点向里看的二端口网络等效电阻
第7/模与模/数转换
7.1 概述 7.2 数/模转换 7.3 模/数转换 7.4 本章小结 7.5 例题精选 7.6 自我检测题
7.1 概 述
随着以数字计算机为代表的各种数字系统的广泛普及和 应用，模拟信号和数字信号的转换已成为电子技术中不可或 缺的重要组成部分。数/模转换指的是把数字信号转换成相 应的模拟信号，简称D/A转换，同时将实现该转换的电路称 为D/A转换器，简称DAC；模/数转换指的是把模拟信号转 换为数字信号，简称A/D转换，并将实现该转换的电路称为 A/D转换器，简称ADC。
图 7.3.2 ADC的电路结构框图
2. ADC的工作原理 1) 采样和保持 为了把输入的模拟信号转换为与之成正比的输出数字量， 首先要对输入的模拟信号采样，就是按一定的时间间隔，周 期性地提取输入的模拟信号的幅值的过程。这样就把在时间 上连续变化的信号转换为在时间上离散的信号。其过程如图 7.3.3所示。
图 7.2.1 DAC输入、输出关系图
图 7.2.2 DAC转换特性
2. DAC的结构框图 图7.2.3是一个n位二进制DAC结构框图。转换的电阻解 码网络。
图 7.2.3 n位二进制DAC结构框图
7.2.2 DAC的主要技术指标
1. 转换精度 1) 分辨率 分辨率是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可 分辨的最小输出电压ULSB与最大输出电压Um之比，即
AD7524处于写入状态，可将D0～D7 端的输入数据写入寄存
器并转换成模拟电压输出。输出电压与输入数字量的关系如
U o U 2 n R ( d 0 2 0 d 1 2 1 d n 2 2 n 2 d n 1 2 n 1 )
(7.2.5)
该电路中n=8。当参考电压UR取负值时，输出电压为正； 当参考电压UR取正值时，输出为负。
2. 集成DAC电路AD7524 AD7524(CB7520)是采用倒T型电阻网络的8位并行D／A 转换器，功耗为20 mW，供电电压UDD为5～15 V。 AD7524典型实用电路如图7.2.5所示。
图 7.2.5 AD7524典型实用电路
表7.2.1 AD7524功能表
CS
WR 为低电平时，
分辨率 ULS＝ B ＝1
Um 2n1
(7.2.2)
它反映了DAC对输出最小电压的分辨能力，当n越大时， DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。
如果输出模拟电压满量程Um＝10 V，那么10位DAC能 够分辨的最小电压为
10×0.098％＝9.8 mV 而12位DAC能够分辨的最小电压为
10×0.024％＝2.4 mV
7.2 数/模转换
7.2.1 DAC的基本概念
1. DAC的转换原理 如果DAC电路的输入为n位二进制数D，输出是与数字 量成正比的电压Uo或电流Io，则有
n1-
Uo(或 Io)K•DK• Di2i i0
式中，K为转换比例常数。
(7.2.1)
图7.2.1给出了DAC输入、输出关系框图。当n=3时， DAC转换电路的输出与输入转换特性如图7.2.2所示，输出 为阶梯波。
I＝dn1· 12Idn2· 212Id1· 21n1- Id0· 21n I
1
2n
I
n1-
di2i
i＝0
(7.2.3)
Байду номын сангаас
Uo＝IRf＝U 2nRRi＝ n10-di2i
(7.2.4)
当Rf=R时
uo＝u2Rn
n-1
di zi
i＝0
由上式可以看出，此电路完成了从数字量到模拟量的转 换，并且输出模拟电压正比于数字量的输入。
2) 转换误差 转换误差一般用绝对误差表示。绝对误差是指DAC的 实际输出值与理论值之差。该值一般应低于最小输出电压 ULSB的一半。DAC的转换误差越小，转换精度就越高。转 换精度通常用输出电压满刻度时绝对误差的百分数表示。即
转换精度＝ 绝 输对 出误 电差 压 100%
2. 转换速度 转换速度是指从数码输入到模拟电压稳定输出之间所经 历的响应时间，也称转换时间，一般取输入由全0变为全1或 由全1变为全0时，其输出达到稳定值所需的时间。