第9章 数模与模数转换电路

9.1.2 具有双极性输出的 具有双极性输出的D/A转换器 转换器
因为在二进制算术运算中通常都把带符号的数值表示为补 码的形式，所以要求 转换器能够把以补码形式输出的正、 码的形式，所以要求D/A转换器能够把以补码形式输出的正、 转换器能够把以补码形式输出的正 负数分别转换成正、负极性的模拟电压。 负数分别转换成正、负极性的模拟电压。
1．D/A转换器的转换精度 在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转 转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转 换精度。 换精度。 （1）分辨率（Resolution）。 ）分辨率（ ） 分辨率是指数字信号中最低位发生变化时对应输出电压变化 之比。分辨率是D/A转换器对输入量 量 u 与满刻度输出电压 umax 之比。分辨率是 转换器对输入量 变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。在分辨率为n 变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。在分辨率为 的D/A转换器中，从输出模拟电压的大小应能区分出输入代码从 转换器中， 转换器中 00…00到11…11全部 2n 个不同的状态，给出 2 n 个不同等级的输 到 全部 个不同的状态， 出电压。 出电压。分辨率可表示为 分辨率
T型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个 型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个 输入端，如图9-3所示 这种结构也称作倒 型电阻网络 所示。 型电阻网络D/A转 转 输入端，如图 所示。这种结构也称作倒T型电阻网络 换器。 换器。
图:9-3
T型（或倒T型）电阻网络的特点 电阻网络中只有 、2R 型 或倒 型 电阻网络的特点 电阻网络中只有R、 特点:电阻网络中只有 两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来了很大的方便， 两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来了很大的方便， 无论模拟开关状态如何变化， 无论模拟开关状态如何变化，各支路电流都直接流入地或者运 放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间； 放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间；同 时，各支路电流直接接至运放的输入，它们之间不存在传输时 各支路电流直接接至运放的输入， 间差。所有这些特点都有助于 型电阻网络提高转换速度 型电阻网络提高转换速度， 间差。所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度，T 型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。 型电阻网络是目前 转换中使用较多的一种。 转换中使用较多的一种
模与模/数转换电路 第9章 数/模与模 数转换电路 章 模与模
学习要点： 学习要点： 掌握常用D/A转换器、A/D转换器的工作 原理 熟悉D/A转换器、A/D转换器的主要性能 指标 了解ADC、DAC在测控系统中的应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第9章 数/模与模/数转换电路
9.1 D/A转换器 D/A转换器 9.2 A/D转换器 A/D转换器 9.3 A/D转换器和D/A转换器在测控系统中的应用 A/D转换器和 转换器和D/A转换器在测控系统中的应用 退出
现以输入为3位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。 位二进制 现以输入为 位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。3位二进制 位二进制补码的情况为例 补码可以表示从+3到之间的任何整数， 补码可以表示从 到之间的任何整数，它们与十进制数的对应关系以及要 到之间的任何整数 求得到的输出电压如表9-1所示。 求得到的输出电压如表 所示。 所示
+7 +6 +5 +4 +3 +2 +1 0 +3 +2 +1 0 1 2 3 4
在图9-4的D/A转换电路中，如果没有接入反相器G和 在图 的 转换电路中，如果没有接入反相器 和 转换电路中 它就是一个普通的3位倒 型电阻网络D/A 位倒T型电阻网络 偏移电阻 RB ，它就是一个普通的 位倒 型电阻网络 转换器。在这种情况下，如果把输入的 位代码看作无符 转换器。在这种情况下，如果把输入的3位代码看作无符 号的3位二进制数（即全都是正数），并且取 号的 位二进制数（即全都是正数），并且取 VREF = 8V ， 位二进制数 ）， 则输入代码为111时输出电压 而输入为000时输 则输入代码为 时输出电压 u o＝ 7 V ，而输入为 时输 如表9-2所示 将表9-1与表 所示。 与表9-2对照一下 出电压 u o＝ 0 V ，如表 所示。将表 与表 对照一下 便可以发现，如果把表 中间一列的输出电压偏移 中间一列的输出电压偏移-4V， 便可以发现，如果把表9-2中间一列的输出电压偏移 ， 则偏移后的输出电压恰好同表9-1所要求的输出电压相符。 则偏移后的输出电压恰好同表 所要求的输出电压相符。 所要求的输出电压相符
VB RB
V REF I = = 2 2R
中所标示的、 图9-4中所标示的、和的方向都是电流的实际方向。 中所标示的 和的方向都是电流的实际方向。 假若再将表9-1和表 最左边一列代码对照一下还可以发现， 和表9-2最左边一列代码对照一下还可以发现 假若再将表 和表 最左边一列代码对照一下还可以发现， 如果把表9-1中补码的符号位求反 再加到偏移后的D/A转换 中补码的符号位求反， 如果把表 中补码的符号位求反，再加到偏移后的 转换 器上，就可以得到表9-1所需要的输入与输出的关系 为此， 所需要的输入与输出的关系。 器上，就可以得到表 所需要的输入与输出的关系。为此， 在图9-1中是将符号位经反相器 反相后才加到D/A转换电路 中是将符号位经反相器G反相后才加到 在图 中是将符号位经反相器 反相后才加到 转换电路 上去的。 上去的。 通过上面的例子可总结出构成双极性输出D/A转换器的 通过上面的例子可总结出构成双极性输出 转换器的 一般方法： 一般方法： 只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流， 只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入 最高位为1而其他各位输入为 时的输出 u o ＝ 0 ,同时将输入 最高位为 而其他各位输入为0时的输出 同时将输入 而其他各位输入为 的符号位反相后接到一般的D/A转换器的输入，就得到了双 转换器的输入， 的符号位反相后接到一般的 转换器的输入 极性输出的D/A转换器。 转换器。 极性输出的 转换器
可以求出运算放大器的输入电流 iK为
iK = i3 D3 + i2 D2 + i1 D1 + i0 D0 VR 1 VR 1 VR 1 VR = D3 + D2 + 2 D1 + 3 D0 2R 2 2R 2 2R 2 2R V = 4R ( D3 × 2 3 + D2 × 2 2 + D1 × 21 + D0 × 2 0 ) 2 R
9.1.3 D/A转换器的主要性能指标 转换器的主要性能指标
目前DAC的种类是比较多的，制作工艺也不相同。按输 的种类是比较多的，制作工艺也不相同。 目前 的种类是比较多的 入数据字长也分为8位 位及16位等 入数据字长也分为 位、10位、12位及 位等；按输出形式 位 位及 位等； 可分为电压型和电流型等；按结构可分为有数据锁存器和无 可分为电压型和电流型等； 数据锁存器2类 不同类型的 在性能上的差异较大， 数据锁存器 类。不同类型的DAC在性能上的差异较大，适 在性能上的差异较大 用的场合也不尽相同。 用的场合也不尽相同。 因此，须清楚了解 转换器的一些技术参数。 因此，须清楚了解D/A转换器的一些技术参数。 转换器的一些技术参数
型电阻D/A转换器为例，说明其转换 转换器为例， 以R—2R T型电阻 型电阻 转换器为例 原理。 原理。
T型电阻网络的基本结构如图 型电阻网络的基本结构如图9-1: 型电阻网络的基本结构如图
为一个四级的T型网络 图9-1为一个四级的 型网络。电阻值为 和2R的电阻构 为一个四级的 型网络。电阻值为R和 的电阻构 成T型。 型 由图9-1中节点 向右看的等效电阻值为R，而由BB， 中节点AA向右看的等效电阻值为 由图 中节点 向右看的等效电阻值为 ，而由 ， CC，DD各点向右看的等效电阻值也都是 ，因此 各点向右看的等效电阻值也都是R，因此: ， 各点向右看的等效电阻值也都是
9.1 D/A转换器
9.1.1 R—2R T型电阻D/A转换器 R— T型电阻 型电阻D/A转换器 9.1.2 具有双极性输出的D/A转换器 具有双极性输出的D/A转换器 9.1.3 D/A转换器的主要性能指标 D/A转换器的主要性能指标 9.1.4 集成D/A转换器 集成D/A转换器 退出
9.1.1 R—2R T型电阻D/A转换器 R— T型电阻 型电阻D/A转换器 目前常用的D/A转换器中有 转换器中有R—2R T型电阻 目前常用的 转换器中有 型电阻 D/A转换器、权电阻 转换器、 转换器、 转换器 权电阻D/A转换器、全电流 转换器 全电流D/A 权电容D/A 转换器以及开关树型 转换器 、 权电容 D/A转换器等几种类型。 转换器等几种类型。 转换器等几种类型
= u 1 = n u max 2 1
例如： 位 例如：10位D/A转换器的分辨率 转换器的分辨率 理论上讲，二进制位数越多，分辨率越高， 理论上讲，二进制位数越多，分辨率越高，相应的转换精 度也越高。 度也越高。
中运放接成反相放大器的形式， 图9-2中运放接成反相放大器的形式，又根据理想运 中运放接成反相放大器的形式 放的“虚断”的特性，其输出电压Uo为 放的“虚断”的特性，其输出电压 为：
u0 = iK R F VR R F = 4 (D3 × 23 + D2 × 22 + D1 × 21 + D0 × 20 ) 2 R
输入为3位二进制补码时要求 位二进制补码时要求D/A转换器的输出 表9-1 输入为 位二进制补码时要求 转换器的输出
补码输入
d2 0 0 0 0 1 1 1 1 d1 1 1 0 0 1 1 0 0 d0 1 0 1 0 1 0 1 0
对应的十进制数
+3 +2 +1 0 1 2 3 4
要求的输出电压（ ） 要求的输出电压（V）