模拟电路与数字电路第10章 数模和模数转换器

图10-5权电流型D/A转换器
图10-6典型的阶梯波信号发生器电路
在图10-6（a）所示电路中，若参考电压 VREF=-10.24V，在CP信号驱动下，电路的输出 波形如图10-6（b）所示，利用式（10-2）可 标出输出阶梯波的信号幅度。 D/A转换器还有权电容型和开关树型等形 式，它们的工作原理与上述介绍的D/A转换器 大致相同，这里不再赘述。
第10章 数/模和模/数转换器
10.1概述 10.2 数/模（D/A）转换器
10.3模/数转换器（A/D） 10.4A/D和D/A的使用参数
10.1 概述
由于计算机技术的飞速发展，目前广泛 采用数字电路来处理模拟信号的问题。 用数字电路来处理模拟信号的关键器件 是：将模拟转换成数字信号的模/数转换器 （A/D）和将数字信号转换成模拟的数/模转 换器（D/A）。
图10-9两种量化方法的量化电平图
10.3.2直接A/D转换器
直接A/D转换器的功能是将输入的模拟电 压信号直接转换成二进制代码输出。 常用的直接A/D转换器有并联比较型和反 馈比较型两种。
1. 并联比较型A/D转换器
并联比较型A/D转换器的电路组成如图 10-10所示。 由图10-10可见，并联比较型A/D转换器 电路由电压比较器、D触发器和编码器三部分 组成。 同理可得，输入电压为其他值时，D触发 器所记忆数值的不同组态被编码器编码成不 同的数字信号输出，编码器的真值表如表101所示。
图10-4计算各支路电流的等效电路
权电流型D/A转换器中的电流源可由模拟 电路中所介绍的电流源电路组成。 权电流型D/A转换器的原理电路如图10-5 所示。 利用D/A转换器和计数器可以组成阶梯波 信号发生器，典型的阶梯波信号发生器电路 如图10-6（a）所示。 在图10-6（a）中的CB7520芯片是D/A转 换器，该集成电路可将输入的十位二进制数 代码转换成模拟信号输出。
10.3模/数转换器（A/D）
10.3.1A/D转换器的基本组成 10.3.2直接A/D转换器 10.3.3间接A/D转换器A/D转换器
10.3.1A/D转换器的基本组成
A/D转换器可以将输入的模拟信号转换成 数字信号输出。 模拟信号的变化在时间和空间上均是连 续的，而数字信号的变化在时间和空间上均 是离散的，要将连续的模拟信号转化成离散 的数字信号必须经过采样、量化和编码三个 步骤。
1. 采样定理
实现A/D转换的第一步是采样，对输入信 号进行采样的方法很多，通常的采样方法是 利用采样脉冲信号驱动采样保持电路实现对 输入信号的采样。 最简单的采样保持电路如图10-7（a）所 示，图10-7（b）所示为集成采样保持电路 LF198的符号和典型连接图。
图10-7采样保持电路的原理图和符号
10.2 数/模（D/A）转换器
10.2.1权电阻网络D/A转换器 10.2.2倒T型电阻网络D/A转换器
10.2.1权电阻网络D/A转换器
数/模转换器（D/A）输入信号为数字信 号，输出信号为模拟信号。 最简单的数/模转换器为权电阻网络数/ 模转换器，其电路如图10-1所示。
图10-1权电阻网络D/A转换器
图10-12所示电路采用逐次渐近的方法来 选择DAC的输入数字量，可以在较短的时间内 找出正确的结果，所以，转换的速度较快。
10.3.3间接A/D转换器A/D转换器
除了上面介绍的直接A/D转换器外，还有 间接A/D转换器。目前，使用较多的间接A/D 转换器是电压—频率变换型A/D转换器和双积 分型A/D转换器。电压—频率变换型A/D转换器 的组成如图10-13所示。 由图10-13可见，电压—频率变换型A/D转 换器由压控振荡器（VCO）、计数器、寄存器、 时钟信号控制门等电路组成。
采用双级权电阻网络可以解决这个问题， 双级权电阻网络D/A转换器的电路如图10-2所 示。 根据叠加定理可证明该电路的输出电压 与输入信号之间的函数关系式满足式（102）。
图10-2双级权电阻网络D/A转换器
10.2.2倒T型电阻网络D/A转换器
倒T型电阻网络D/A转换器是为了克服权 电阻网络D/A转换器电阻阻值相差很大的缺点 而研制的，其电路组成如图10-3所示。
在图10-7（a）所示电路中，输入信号vi 为模拟信号，采样控制信号vL为方波信号， 输出信号vo为采样信号。 模拟信号经采样后的采样信号如图10-8 所示 。
图10-8采样信号的波形
Βιβλιοθήκη Baidu
2. 量化和编码
图10-8所示的采样信号虽然在时间上是 离散的，但在空间上还是连续的，为了得到 在时间和空间上都是离散的数字信号，必须 对图10-7所示的信号进行量化，将各时间段 的采样信号量化成某一最小单位Δ 的整数倍， 然后再将量化后的信号表示成二进制数。 将量化后的信号表示成二进制数的过程 称为编码。 采用四舍五入的方法进行量化的量化电 平图如图10-9（b）所示。
图10-3倒T型电阻网络D/A转换器
由图10-3可见，倒T型电阻网络D/A转换 器内部只有R和2R两种阻值的电阻，有效地解 决了权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差很大 的缺点。 在图10-3中，因运算放大器的v+输入端 为“虚地”端，所以，不管电子开关是否接 地，与电子开关相连的电阻一端总是接地， 由此可得计算受电子开关控制的各支路电流 大小的等效电路如图10-4所示。
图10-11反馈比较型A/D转换器
反馈比较型A/D转换器的电路结构较简单， 但转换的速度很慢，当输出为n位二进制代码 时，最长的转换时间为2n-1，采用逐次渐近型 的A/D转换器可提高转换的速度。
3. 逐次渐近型A/D转换器
逐次渐近型A/D转换器的电路组成如图 10-12所示。
图10-12逐次渐近型A/D转换器
图10-10并联比较型A/D转换器
表10-1 并联比较型A/D转换器编码器的真值表
并联比较型A/D转换器的优点是转换速度 快，存在的问题是电路较复杂，需要用很多 的电压比较器和触发器。 在转换速度许可的条件下，可以采用反 馈比较型A/D转换器。
2. 反馈比较型A/D转换器
反馈比较型A/D转换器的电路组成如图 10-11所示。