数字电子技术基础(杨颂华)西安电子科大出版社 (10)

2 1 Vm n U R 2
n
因而U的变化范围是
2 1 0 ~ n UR 2
n
第10章 数-模转换和模-数转换
2. 倒 T型电阻网络D/A转换器
图 10-3 R-2R倒T型DAC
第10章 数-模转换和模-数转换
从图10-3中可以看出，由UR向里看的等效电阻为R ，数 码无论是 0 还是 1，开关Si都相当于接地。因此，由UR流出
第10章 数-模转换和模-数转换
在目前常见的 D/A转换器中，有权电阻网络 D/A转换
器，倒梯形电阻网络 D/A转换器等。A/D 转换器的类型也
有多种，可以分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器两大 类。在直接 A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成
相应的数字信号；而在间接 A/D 转换器中，输入的模拟信
定时，比例系数误差如图 10 - 4 中的虚线所示。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-4 比率系数误差
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第10章 数-模转换和模-数转换
③ 漂移误差。它是由运算放大器零点漂移产生的误 差。当输入数字量为 0 时，由于运算放大器的零点漂移，
输出模拟电压并不为 0。这使输出电压特性与理想电压
特性产生一个相对位移，如图 10-5 中的虚线所示。
权电阻为 R0=2n-1-(0)R=2n-1R 。因此，对于任意位 Di ，其权值
为2i，驱动开关Si ，连接的权电阻值为Ri=2n-1-iR，即位权（i） 越大,对应的权电阻值就越小。
第10章 数-模转换和模-数转换
集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，主要 是减少输出模拟信号负载变化的影响，并将电流转换为 电压输出。 当 Di=1 时， Si 将相应的权电阻 Ri=2n-1-iR 与基准电压 UR 接通，此时，由于运算放大器负输入端为虚地，该支路 产生的电流为
n 1 UR U i R I I i n 1 Di 2i n 1 D 2 i 2 R 2 R i 0 i 0 i 0 n 1 n 1
运算放大器的输出电压为
U R f I
若Rf=1/2R，代入上式后则得
RfUR 2n 1 R
i D 2 i i 0
需要接成不同的工作方式。 DAC0832 中无运算放大器，
且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设
置了Rfb，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可。若 运算放大器增益不够， 还须外加反馈电阻。
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器件上各引脚的名称和功能如下：
ILE： 输入锁存允许信号， 输入高电平有效。 CS： 片选信号， 输入低电平有效。
我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模 —数转换，
A/D（ Analog to Digital）转换，把后一种从数字信 号到模拟信号的转换称为D/A（Digital to Analog）转换。同 时，把实现 A/D转换的电路称为 A/D转换器（ Analog Digital
Converter ） ； 把 实 现 D/A 转 换 的 电 路 称 为 D/A 转 换 器 （Digital Analog Converter）。
n 1
UR i U n 1 Di 2 n 2 R i 0 2
RfUR
n 1
i D 2 i i 0
n 1
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从上式可见，输出模拟电压 U的大小与输入二进制数 的大小成正比，实现了数字量到模拟量的转换。 当D=Dn-1…D0=0时，U=0。 当D=Dn-1…D0=11…1时， 最大输出电压
便得到输入信号的一个取样值。为了不失真地恢复原来 的输入信号，根据取样定理，一个频率有限的模拟信号， 其取样频率 fS 必须大于等于输入模拟信号包含的最高频 率fmax的两倍，即取样频率必须满足：
f s 2 f max
第10章 数-模转换和模-数转换
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽 度 τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保 持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电 路之后须加保持电路。图 10-9 （ a）是一种常见的取样保持电
' Uo (t ) 为取样后的输出信号。 脉冲，
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-8 取样过程
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在取样脉冲作用期τ内，取样开关接通，
' 使 Uo (t ) Ui (t )， 在其它时间（TS-τ）内，输出=0。因此， 每经过一个取样周期， 对输入信号取样一次，在输出端
第10章 数-模转换和模-数转换
第 10 章 数-模转换和模-数转换
10.1 概述
10.2 D/A转换器(DAC) 10.3 A/D转换器(ADC)
第10章 数-模转换和模-数转换
10.1 概
为了能用数字技术来处理模拟信号，必须把模拟信号转 换成数字信号，才能送入数字系统进行处理。同时，往往还 需把处理后的数字信号转换成模拟信号，作为最后的输出。
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图 10-5 漂移误差
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3.
从数字信号输入 DAC 起，到输出电流（或电压） 达到稳态值所需的时间为建立时间。 建立时间的大小
决定了转换速度。目前 10~12 D/A 转换
器（不包括运算放大器）的建立时间可以在 1 微秒以
内。
第10章 数-模转换和模-数转换
D/A转换器的一般结构如图10-1所示， 图中数据锁存器 用来暂时存放输入的数字信号。 n 位寄存器的并行输出分别 控制 n 个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压 按权关系加到电阻解码网络。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-1 DAC方框图
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10.2.2 D/A转换器的主要电路形式
i D 2 i i 0 n 1
I n 2
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运算放大器的输出电压为
U I

Rf
IR f 2n
i D 2 i i 0
n 1
若Rf=R，并将I=UR/R代入上式， 则有
UR U n 2
D 2
i 0 i
n 1
i
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
UR i I i n 1i n 1 2 2 R 2 R UR i I i n 1i n 1 2 Di 2 R 2 R UR
UR
当 Di=0 时，由于 Si 接地， Ii=0 。因此，对于 Di 位所产生的 电流应表示为
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运算放大器总的输入电流为
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图 10-7 DAC0832的三种工作方式
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10.3 A/D转换器(ADC)
10.3.1 A/D
A/D 转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通 过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 1. 取样和保持 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号转换为 时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为 一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。其 过程如图 10-8 所示。图中Ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样
路， 场效应管V为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为 跟随器，起缓冲隔离作用。在取样脉冲S(t)到来的时间τ内，场 效应管V导通，输入模拟量Ui(t)向电容充电；假定充电时间常 数远小于τ，那么C上的充电电压能及时跟上Ui(t)的采样值。采
样结束，V迅速截止，电容 C上的充电电压就保持了前一取样 时间 τ的输入 Ui(t) 的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止。 当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压
第10章 数-模转换和模-数转换
IOUT1 ： DAC输出电流 1 。此输出信号一般作为运算放 大器的一个差分输入信号。当DAC寄存器中的各位为 1 时， 电流最大；为全 0 时，电流为 0。 IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差 分输入信号（一般接地）。IOUT1和IOUT2满足如下关系： IOUT1+IOUT2= UCC： 电源输入端（一般取+5V ）。 DGND： 数字地。 AGND： 模拟地。
' 再按输入 Ui(t)变 Uo (t )
化。 在输入一连串取样脉冲序列后，取样保持电路的缓冲放 大器输出电压Uo（ t）便得到如图10-9（b）所示的波形。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-9 (a) 取样保持电原理图； (b) 输出波形图
1. 权电阻网络D/A转换器
图 10-2 权电阻DAC
第10章 数-模转换和模-数转换
开关 Si 的位置受数据锁存器输出的数码 Di 控制，当 Di=1 时， Si 将电阻网络中相应的电阻 Ri 和基准电压 UR 接通；当
Di=0时，Si将电阻Ri接地。
权电阻网络由n个电阻（20R~2n-1R）组成，电阻值的选 择应使流过各电阻支路的电流Ii和对应Di位的权值成正比。 例如，数码最高位Dn-1， 其权值为2n-1，驱动开关Sn-1，连接 的电阻Rn-1=2n-1-(n-1)=20R； 最低位D0 ，驱动开关S0 ，连接的
WR1： 输入数据选通信号， 输入低电平有效。 WR2： 数据传送选通信号， 输入低电平有效。
XFER： 数据传送选通信号， 输入低电平有效。
D7~D0： 八位输入数据信号。 UREF： 参考电压输入。 一般此端外接一个精确、 稳定 的电压基准源。UREF可在-10V至+10 V范围内选择。
Rfb： 反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。
的总电流为I=UR/R，而流入2R支路的电流是依2的倍速递减，