电路分析课件 (12)

第13章 数/模和模/数转换技术一、基本要求

1．了解数/模和模/数转换的基本原理

2．理解常见的数/模和模/数转换器电路特点及其主要参数及应用。

二、阅读指导

1、在自动检测和自动控制系统中，计算机检测和控制的对象一般都是模拟信号，而数字计算机只能识别数字信号，为了把检测到的模拟信号送入计算机，首先必须把该模拟信号转换成相应的数字信号，然后再把数字信号送入计算机，以便计算机进行处理和运算。通常模拟量转换成相应的数字量的过程叫模/数转换，其相应的转换电路叫做模/数转换器（analog-digital converter）。而控制系统控制的信号通常也是模拟信号，需将处理过的数字信号再转换为模拟信号，然后送到被控制系统中，这种把数字量转换成相应的模拟量的过程叫做数/模转换；其相应的转换电路叫做数/模转换器。（digital-analog converter）。

数/模转换器通常简称D/A转换器或DAC，而模/数转换器通常简称

A/D转换器或ADC。

目前，数/模转换器常采用权电阻网络、T型电阻网络以及权电流3种类型的电路。

D/A转换器的主要性能指标有：转换速度、转换精度、抗干扰能力等。在选用D/A转换器时，一般应根据上述几个性能指标综合进行考虑。

2、二进制权电组DAC的工作原理

二进制权电阻DAC电路实质上就是一个求和运算放大器。每位数字量通过一个电阻并联到运放输入端。由于各位数字量所连电阻与该位数字量的权值成反比，所以送到运放的电流与输入的数字量成正比，经运放的反馈电阻转换成与数字量成正比的模拟电压输出，完成了D／A转换的工作。

权电阻DAC结构简单，所用电阻元件较少，但电阻值相差很大，位数较多时很难保证精度。

3、R-2R倒T型电阻网络DAC的工作原理

R-2R倒T型电阻网络DAC电路有两个特点：一是无论模拟开关接地还是接运放的虚地端，流入每条2R支路的电流都是不变的；二是从同一

结点流出到两条支路的电流是相等的，都等于流入该结点电流的一半。

倒T型电阻网络DAC由于只用R和2R两种阻值的电阻，克服了二进制权电阻DAC阻值范围宽的缺点。

4、DAC的主要技术指标

DAC主要技术指标，一是决定DAC精度的两个指标：分辨率和转换误差；二是衡量DAC转换速度的指标：建立时间。

分辨率是指DAC能分辨最小输出电压与满刻度输出电压之比，对于n位DAC，其分辨率为。分辨率的大小是决定DAC精度的一个重要因素，另外由于参考电压U REF的波动、运放零漂，电阻网络阻值偏差等也会影响DAC的精度。

建立时间是指数字信号由全0变为全1，或由全1变为全0时，模拟信号达到稳态值所需要的时间。建立时间短说明DAC的转换速度快。

5、模／数转换中常用的几个基本概念

(1) 采样与保持：在模／数转换中，输入是模拟信号，而输出的则是数字信号，为把模拟信号变成离散的数字信号，首先应对输入的模拟信号在一系列特定的时间上进行采样。由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲，而要把每一个采样所得到的窄脉冲信号数字化是需要—定时间的，因此在两次采佯之间，应将这些“样值”保存下来，将每次采样所得到的“样值”保存到下一个采样脉冲到来之前称为保持。

(2) 采样定理：只有当采样频率大于模拟信号最高频率分量二倍时，所采集的信号样值才能正确地反映原来模拟信号的变化规律。若将采来的样值恢复成原来的模拟信号，可利用适当的滤波器来实现。若采样频率小于模拟信号最高频率二倍时，所采样值是无法恢复原来模拟信号的，从样值恢复模拟信号的角度讲，采样频率越高越好，但采样频率提高就意味着转换电路必须具备更高的转换速度，所以不能无限制提高采样频率，通常取f S=(3～5) f imax，其中f S为采样频率，f imax是模拟信号的最高频率分量。

(3) 量化与编码：量化就是把采样所得样值电压表示成某个规定的最小单位的整数倍；编码则是将量化所得结果用代码表示出来；这些代码就是A／D转换的输出结果。

6、并行比较ADC的工作原理

并行比较ADC是由电阻分压器、电压比较器和编码器三部分组成，经分压器分压所得到的不同电压值分别接到各比较器的某一输入端(同相端或反相端)，被转换信号接到各比较器的另一个输入端，比较器输出的信号经编码器编码后，就得到了用代码表示的数字信号。

并行比较ADC的优点是转换速度快；缺点是当ADC位数较多时所用比较器也多，使线路变得复杂。

7、反馈比较式ADC

反馈比较式ADC分为计数型ADC和逐次逼近ADC两种。与逐次逼近型ADC相比，计数型ADC速度慢，而且被转换电压值越大，所需转换时间越长。

逐次逼近ADC工作原理与天平称量重物类似。逐次逼近式ADC工作速度较快，n位逐次逼近ADC完成一次转换时间为t=(n+2)T C，其中T C 为时钟周期。

8、双积分ADC的工作原理

双积分ADC是一种间接的转换方法，模拟信号首先转换成时间间隔，然后通过计数器转换成数字量。

双积分ADC主要由积分器、比较器、计数器和控制逻辑组成。整个转换过程需要两次积分完成。第一次积分为采样阶段，积分器接被转换模拟电压并进行积分，积分时间t1是固定的，t1=2n T c。第二次积分时，积分器接固定值的参考电压。由于参考电压与被转换电压的极性相反，所以第二次积分与第一次积分方向相反。当t=t2时刻积分器输出为0，计数器停止计数，转换过程结束。由于第二次积分曲线的斜率是固定的，所以t2—t1(第二次积分时间)与t1时刻积分器的输出电压成正比，即t2—t1与被转换电压成正比。第二次积分时间t2—t1转换成脉冲个数即为被转换成的数字量。

双积分ADC有较强的抗干扰能力，工作性能稳定，电阻、电容这些元器件参数即使发生变化，只要在转换过程中不发生变化，对转换精度都没有影响。双积分ADC的缺点是工作速度慢，完成一次转换需要

(2n+D)个T c时间。其中n为计数器的位数，D为第二次积分计数器所计脉冲个数，T c为时钟脉冲的周期。

9、ADC的主要技术指标

（1）、转换时间：完成一次A／D转换所需时间。

（2）、分解度：分解度又称分辨率，是指输出数字量最低有效位为1所需的模拟电压输入值。

（3）、精度：指产生一个给定数字量所需模拟电压的理想值与实际值之间的误差。

（4）、输入模拟电压范围：指ADC允许输入的电压范围。

三、例题解析

例13-1 一个八位DAC，当最低位为1，其他各位为0时输出电压

V omin=0.02V，当数字量为01010101时输出电压U。为多少伏?

解：U o=U omin×a i·2i=0.02×85=17V