第七章 数模和模数转换电路

第七章数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路

教学目的：1．掌握权电阻D/A转换器和逐次逼近型A/D转换器的工作原理、特点，输入与输出之间的关系

2．了解影响精度及速度的因素

3．了解D/A转换器典型芯DAC0832的特点及应用。

4. 了解A/D转换器典型芯ADC0809的特点及应用

教学重点：倒T型电阻网络D/A转换器的工作原理； A/D转换的一般步骤；

逐次逼近型A/D转换器的工作原理。

教学难点：D/A转换器的工作原理；A/D转换器内部电路结构、工作原理

教学方法：教学过程采用理论讲解方式。

学时分配：4学时

教学内容：

D/A转换器及A/D转换器的种类很多，本章介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T 型电阻网络D/A转换器等几种类型；逐次逼近型A/D转换器，双积分型A/D转换器。并介绍了D/A转换器和A/D转换器的技术指标及应用。

第一节数/模转换器DAC

一、数/模转换器的基本概念

把数字信号转换为模拟信号称为数－模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换，实现D/A转换的电路称为D/A转换器，或写为DAC（Digital –Analog Converter）。

随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。但是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。数－模转换是数字电子技术中非常重要的组成部分。

把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或写为ADC（Analog–Digital Converter）；。D/A 及A/D转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。

D/A转换器及A/D转换器的种类很多，这里主要介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T型电阻网络D/A转换器。

权电流型D/A 转换器及权电容网络D/A 转换器等几种类型；A/D 转换器一般有直接A/D 转换器和间接A/D 转换器两大类。

二、 权电阻网络D/A 转换器

1.工作原理

权电阻网络D/A 转换器的基本原理图如图7.1所示。

这是一个四位权电阻网络D/A 转换器。它由权电阻网络电子模拟开关和放大器组成。该电阻网络的电阻值是按四位二进制数的位权大小来取值的，低位最高（23R ），高位最低（20R ），从低位到高位依次减半。S 0、S 1、S 2和S 3为四个电子模拟开关，其状态分别受输入代码D 0、D 1、D 2和D 3四个数字信号控制。输入代码D i 为1时开关S i 连到1端，连接到参考电压V REF 上，此时有一支路电流I i 流向放大器的A 节点。D i 为0时开关S i 连到0端直接接地，节点A 处无电流流入。运算放大器为一反馈求和放大器，此处我们将它近似看作是理想运放。因此我们可得到流入节点A 的总电流为：

()()

()

1.822222212121210

01122333302112033210D D D D R

V V D R D R D R D R I I I I I i REF REF

i

+++=⎪⎭

⎫ ⎝⎛+++==+++=∑∑ （7.1）

可得结论：i ∑与输入的二进制数成正比，故而此网络可以实现从数字量到模拟量的转换。

另一方面，对通过运放的输出电压，我们有同样的结论： 运放输出为

u o =－i ∑R F （7.2）

将（7.1）式代入，得

()

()

()

3.822222

22222120

0112233400

1122333

0D D D D V D D D D R R V u R E F R E F +++-=+++⋅-

= （7.3）

将上述结论推广到n 位权电阻网络D/A 转换器，输出电压的公式可写成：

()

()

4.822222

00

1122110D D D D V u n n n n n

REF ++++-

=---- （7.4）

权电阻网络D/A 转换器的优点是电路简单，电阻使用量少，转换原理容易掌握；缺点是所用电阻依次相差一半，当需要转换的位数越多，电阻差别就越大，在集成制造工艺上就越难以实现。为了克服这个缺点，通常采用T 型或倒T 型电阻网络D/A 转换器。

四、 D/A 转换器的主要技术指标 1、分辨率

分辨率是说明D/A 转换器输出最小电压的能力。它是指D/A 转换器模拟输出所产生的最小输出电压U LSB （对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压U FSR （对应的输入数字

式中, n 表示输入数字量的位数。可见，分辨率与D/A 转换器的位数有关，位数n 越大，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，即分辨最小输出电压的能力也就越强。 例如：n=8时, D/A 转换器的分辨率为

而当n=10时, D/A 转换器的分辨率为

很显然，10位D/A 转换器的分辨率比8位D/A 转换器的分辨率高得多。但在实践中我

们应该记住，分辨率是一个设计参数，不是测试参数。

2、转换精度

转换精度是指D/A 转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模拟电压值之间的最大误差。显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。但转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，不仅与D/A 转换器中的元件参数的精度有关，而且还与环境温度、求和运

算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。故而要获得较高精度的D/A 转换结果，一定要正确选用合适的D/A 转换器的位数，同时还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。一般情况下要求D/A 转换器的误差小于2/LSB U 。 3、转换时间

转换时间是指D/A 转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。即转换器的输入变化为满度值（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为转换时间也称建立时间。转换时间越小，工作速度就越高。