模数转换器和数模转换器

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解 当D2 D1 D0
100时，i
VREF R
，
若要求此时vO 0，则必有i iB，即：
VREF R
VB RB
VREF RB
，所以RB
R
此时，vO
8 23
n1
i0
Di
2i
8 2
V
根据上式，即可求出所有输入3位二进制数码所对应的输出电压（见413页表82-1）。
8.2.3 R-2R倒T形电阻网络DAC
本章目录
8.1概述 8.2 模数转换器 8.3 数模转换器 8.4 集成ADC及其应用举例
8.1 概述
8.1.1 数字控制系统 8.1.2 数据传输系统 8.1.3 自动测试与测量设备 8.1.4 多媒体计算机系统
8.1.1 数字控制系统
数字控制系统是数模与模数转换器的典型应用。
非A 电 模A 拟 量
自动测试系统
测试设备 数字示波器
8.1.4 多媒体计算机系统
计算机系统只能处理数字信息，为了使它能够处理声音、图像、视频等多媒体 信息，音频、视频的采集和输出都离不开ADC和DAC电路。
声卡
声卡的外部连接
8.2 数模转换器（DAC）
8.2.1 数模转换原理和一般组成 8.2.2 权电阻网络DAC 8.2.3 R-2R倒T形电阻网络DAC 8.2.4 单值电流型网络DAC 8.2.5 集成DAC及其应用 8.2.6 DAC的转换精度和转换速度
vO/k
15
Least Significant Bit
13
11
1 LSB
9
7
FSR
5
Full Scale Range
3
1 0 0000
0011
0110
1001
1100 1101
1111
DI
图8-2-1 DAC输出特性
* k为转换比例系数
２．DAC的一般组成
DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电 压源（或恒流源）组成。
8.2.1 数模转换原理和一般组成
１．数模转换原理
DAC输出模拟量的大小与输入数字 量大小成正比。假设DAC转换比例系数 为k，则：
vO
n1
k
Di
2i
i0
两个相邻数码转换出的电压值之间 的差值，是信息所能分辨的最小量 (1 LSB)；最大输入数字量对应的输出电压 值(绝对值)用FSR表示。
A
电 压 A' 模 拟 量 A'
…
…
…
…
传感器
S ADC S ADC
S ADC ADC
ADC
…
…
数字控制 或
执行单元
DAC U
DAC U
…
…
计算电路
DAC U
（微机或单片机） DAC U
…
…
DAC U
图8-1-1 数字控制系统方框图
数据测量系统或数据处理系统
程序控制系统
8.1.2 数据传输系统
在通信、遥测、遥控等领域，采用数字信号传输信息，在抗干扰能力和保密性 等方面都远远强于模拟信号。
i0
Di
2i
输入数字量
３．特点归纳
转换比例系数k
权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF以及模拟电子开关、运算放大 器和各权电阻值的精度。
缺点：由于各权电阻的阻值都不相同，位数越多，相差越大，阻值的精度难以 保证。
例10-1 4位DAC如图10-2-3所示，设基准电压VREF=-8V，2RF=R，试求输入二进制
图8-2-3 权电阻网络DAC
vO
10.2.2 权
２．工作原理
运算放大器的Σ点是虚地，该点电位总是近似为零。对于输入二进制数中的任意 一位Di有：
若Di 0，流过该位权电阻的电流为Ii 0;
若Di
1，流过该位权电阻的电流为Ii
VREF 。 2n1i R
所以，流过Di 位权电阻的电流为I i
VREF 2n1 R
I
或恒流源
求
和
运 算
vO
放 模拟量
大 输出
器
图8-2-2 DAC原理方框图
１．电路结构 构成权电阻网络的电阻的阻值，与该位的位权值成反比。
D3
D2
D1
D0
VREF
数字寄存器
Di= 0，Si接地 Di= 1，Si接VREF
S3 I3 R
S2 I2 2R
S1
S0
I1 22R I0 23R
iF RF
Σ
iΣ
解 输出电压为：
vO
VREF RF 2n1 R
n1
i0
Di
2i
-8 24
13
6.5
V
将(0001)2 (1)10 代入以上公式得：
１LSB
VREF RF 2n1 R
1
0.5
V
将(1111)2 (15)10 代入以上公式得：
FSR
VREF RF 2n1 R
15
7 .5
V
４．双极性输出结构 在单极性输出DAC的基础上，增加由VB和RB组成的偏移电路，通常VB=-VREF。
2i
Di
根据叠加原理：
i
n1
I
i0
i＝ni01
VREF 2n1 R
2i
Di
VREF 2n1 R
n1
i0
Di
2i
由于运算放大器的输入偏置电流近似为０，所以：
i iF
又由于iF 0 vO / RF vO / RF，所以输出电压为：
vO
iF RF
i RF
VREF RF 2n1 R
n1
１．电路结构
由若干个相同的R、2R网络节组成，每节对应于一个输入位，节与节之间串接 成倒T形网络。
RF
D3
D2
D1
D0
iΣ Σ iF
vO
S3
S2
S1
S0
I/2 2R I/4 2R I/8 2R I/16 2R
VREF
I
●
D
I/2
●
CR
I/4
●
BR
I/8
●
用存放在数字寄存器中的数字量的 各位数码，分别控制对应位的模拟电子 开关，使数码为１的位在位权网络上产 生与其位权成正比的电流值，再由运算 放大器对各电流值求和，并转换成电压 值。
不同类型的DAC，主要是位权网络 不同。
Dn-1 Dn-2 … D1 D0
数字寄存器
…
VREF
模拟电子开关
…
位权网络
基准电压源
vO
i
RF
(i
iB )
RF
VREF 2n1 R
n1
i0
Di
2i
VB RB
RF
D2
D1
D0
VREF
S2
S1
S0
RF
R 2
IR
2R
4R
i iΣ
iB
Σ
vO
RB VB(=-VREF)
图8-2-4 具有双极性输出的权电阻网络DAC
例10-2 假设图10-2-4所示电路中，VREF=-8V，VB=-VREF，RF=R/2。如果要使当D2
… …
vI1
多
vI2
路 模
拟
开
vIn
关
ADC 发射机
DAC 接收机
定时产生器 图8-1-2 数据传输系统方框图
多
vO1
路 模
vO2
拟
开
关
vOn
保证收、发两地严格同步
8.1.3 自动测试与测量设备
为了使数字测量设备能够测量模拟量，并且对被测数据及时进行分析和处理， 然后存储、显示、打印其测试结果，都离不开转换器件ADC和DAC。