数模转换和模数转换原理

8.2 数模转换器
R F (R) (M SB) d n-1 d n-2 S n-1 I 21 U REF 2R R I 21 S n-2 I 22 2R R …… I I 22 I 2
n-2
d2 S2 … I 2 n-2 2R R
d1
(LSB) d0 S1 I 2n-1 2R R I 2
n -1
I∑
d0 (LSB) 输入 Dn d1
DnUREF
uo 或 io
…
(MSB)
D/A
输出
dn－1
8.2 数模转换器
将输入的每一位二进制代码按 权值大小转换成相应 将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应 大小转换 的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加 模拟量相加， 的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模 拟量就与数字量成正比， 拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量 的转换。 的转换。
型电阻网络D/A转换器原理图 倒T型电阻网络 型电阻网络 转换器原理图
电阻解码网络中，电阻只有R 2R两种，并构成倒T 电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网 两种 =1时 相应的开关S 接到求和点； =0时 络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开 虚短， 接地。但由于虚短 求和点和地相连， 关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转 电阻2R总是与地相连。这样， 2R总是与地相连 型网络的各节点向上看 向上看和 向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和 向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R 的等效电阻都是2R 向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。
第8章 数模和模数转换
8.1 概述 8.2 数模转换器 8.3 模数转换器
8.1 概述
ADC和DAC的应用： ADC和DAC的应用： 的应用
传感器
(温度、压力、流 温度、压力、 温度 量等模拟量 模拟量） 量等模拟量）
A/D
能够将模拟量转换为 数字量的器件称为模 数转换器，简称A/D A/D转 数转换器，简称A/D转 换器或ADC ADC。 换器或ADC。
虚断，运算放大器的输出电压为： 虚断，运算放大器的输出电压为：
UREF n−1 uO = −RF I∑ = −RF n ∑di 2i 2 R i =0
8.2 数模转换器
令 RF=R ，则
UREF uO = − n 2
UREF ∑di 2 = − 2n Dn i =0
i
n−1
正比于输入的数字量 即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从 数字量到模拟量的转换。 数字量到模拟量的转换。 型电阻网络D/A转换器的特点： 转换器的特点： 倒T型电阻网络 型电阻网络 转换器的特点 ①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而 优点：电阻种类少，只有 和 ，提高了制造精度； 且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 ②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用 应用：它是目前集成 转换器中转换速度较高且使用 较多的一种， 转换器DAC0832，就是采用倒 型电 较多的一种，如8位D/A转换器 位 转换器 ，就是采用倒T型电 阻网络。 阻网络。
8.2 数模转换器
二、D/A转换器的主要电路形式 D/A转换器的主要电路形式 1. 权电阻网络 权电阻网络D/A转换器 转换器
(MSB) dn-1 dn-2
数字量输入
d2 d1
UREF
(LSB) d0
双向模拟开关
Sn-1 In-1 2R
0
Sn-2 In-2 2R
1
S2 … I2 2 R
n-3
S1 I1 2 R
8.2 数模转换器
2. 转换精度
D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想 转换器的转换精度是指输出模拟电压的 值之差，即最大静态转换误差。 值之差，即最大静态转换误差。
3.ห้องสมุดไป่ตู้转换速度
从输入的数字量发生突变开始， 从输入的数字量发生突变开始， 到输出电压进入与稳定值相差 0.5LSB范围内所需要的时间 范围内所需要的时间， ±0.5LSB范围内所需要的时间，称为 目前单片集成D/A D/A转换 建立时间tset。目前单片集成D/A转换 不包括运算放大器） 器（不包括运算放大器）的建立时间 最短达到0.1微秒以内。 0.1微秒以内 最短达到0.1微秒以内。
8.2 数模转换器
三、D/A转换器的主要技术指标 D/A转换器的主要技术指标 1. 分辨率
分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。 分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。 D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度 转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－ ①D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－ 可用输 转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－可用输 入数字量的位数 表示D/A转换器的分辨率； 位数n表示 转换器的分辨率； 入数字量的位数 表示 转换器的分辨率 可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比 来表 转换器的最小输出电压与最大输出电压之比 ②可用 转换器的最小输出电压与最大输出电压 之比来表 示分辨率。 示分辨率。
8.2 数模转换器
流入求和点的电流为： 流入求和点的电流为：
I∑ = In-1 + In-2 +L+ I1 + I0 = dn−1 = I I I I + dn−2 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + d1 n−1 + d0 n 1 2 2 2 2
I (dn−1 2n−1 + dn−2 2n−2 + ⋅ ⋅ ⋅ + d1 21 + d0 20 ) 2n I n−1 UREF n−1 i = n ∑di 2 = n ∑di 2i 2 i =0 2 R i =0
n-2
S0 I0 2 R I∑ － A +
n-1
RF (R/2)
权电阻
权电阻网络DAC原理图 原理图 权电阻网络 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。
模 拟 u0 量 输 出
运算放大器
8.2 数模转换器
权电阻网络DAC的原理分析 权电阻网络DAC的原理分析 DAC
虚短
UREF U = nREF 2i 2n−1−i R 2 −1 R di = 0时， i = 0 I di = 1时， i = I
Ii = di
UREF U = di nREF 2i 2n−1−i R 2 −1 R
8.2 数模转换器
运算放大器总的输入电流为
I∑ = In−1 + In−2 +L+ I2 + I1 + I0 UREF UREF n-1 = ∑Ii =∑di n-1-i = n-1 ∑di 2i 2 R 2 R i =0 i =0 i =0
参考电压 n位数字 位数字 量输入 模拟量 输出 解码网络 求和电路
数码缓冲 寄存器
n位数控 位数控 模拟开关
D/A转换器方框图 n 位D/A转换器方框图
数字量以串行或并行方式输入， 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄 存器中； 存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开 将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路； 关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路； 求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。 求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。
S0 I 2n 2R 2R
－A +
u0
I 2n
参考电压U 供出的总电流为： 参考电压 REF供出的总电流为： I = UREF
R
分流：流入求和点的各支路电流为： 分流：流入求和点的各支路电流为：
I UREF i di = 1时， i = n−i = n 2 I I UREF i 2 2 R Ii = di n−i = di n 2 2 2 R di = 0时， i = 0 I
U REF (MSB) dn-1 dn-2 d2 d1 (LSB) d0
S n-1 In-1 20 R
S n-2 In-2 21R …
S2 I2 2n-3R
S1 I1 2n-2R
S0 I0 2n-1R I∑ － A + u0 RF (R/2)
控制： 开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当d，并将电流 集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲， 求和权电阻网络的缓冲 =1时 集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲 i=1时，Si将对 =0时 将对应的权电阻接地。 应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。 转换为电压输出。 转换为电压输出。
显示器 执行部件
（模拟量控制） 模拟量控制）
计算机
（数字量） 数字量）
打印机
D/A
ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电 ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电 路的桥梁，也可称之为两者之间的接口. 路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.
能够将数字量转换为 模拟量的器件称为数 模转换器，简称D/A D/A转 模转换器，简称D/A转 换器或DAC。 换器或DAC。 DAC
8.2 数模转换器
时 ； 当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0；
2 −1 UREF 。 当Dn=Dn-1…D0=11…1时， uO = − 时 n 2
n
因而uO的变化范围是
2n − 1 0~− U REF n 2
权电阻网络D/A转换器的特点 权电阻网络D/A转换器的特点 D/A ①优点：结构简单，电阻元件数较少； 优点：结构简单，电阻元件数较少； ②缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。 缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。
8.2 数模转换器
2. 倒T型电阻网络 型电阻网络D/A转换器 型电阻网络 转换器
(M SB) d n-1 d n-2
求和点
R F (R) (LSB) d0 －A + u0
数字量输入
d2 d1
S n-1
S n-2
S2
S1
S0
模 拟 量 输 出
U REF
2R R
2R R ……
2R R
2R R
2R
2R
Dn = dn−1 ⋅ 2n−1 + dn−2 ⋅ 2n−2 +L+ d1 ⋅ 21 + d0 ⋅ 20 = ∑di 2i
i =0
n-1
uo = DnUREF = dn−1 ⋅ 2n−1 ⋅ UREF + dn−2 ⋅ 2n−2 ⋅ UREF +L+ d1 ⋅ 21 ⋅ UREF + d0 ⋅ 20 ⋅ UREF = ∑di 2i UREF
虚断 运算放大器输出电压为
n-1 n-1
UREF n−1 uO = −RF I∑ = −RF n−1 ∑di 2i 2 R i =0 UREF uO = − n 2 UREF ∑di 2 = − 2n Dn i =0
i n−1
令 RF=R/2 ，则
正比于输入的数字量 即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现 了从数字量到模拟量的转换。 了从数字量到模拟量的转换。
1 分辨率 = = n Um 2 − 1
∆U
v o/V
5
分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 分辨率越高 ， 转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 5/7 0 而分辨率与输入数字量的位数有关， 越大 分辨率越高。 越大， 而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。 D
000 001 010 011 100 101 110 111
i =0 n-1
等于代码为1 即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应 D/A转换器的输出电压 的各分模拟电压之和。 的各分模拟电压之和。
8.2 数模转换器
D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、 D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、 转换器一般由数码缓冲寄存器 参考电压、解码网络和求和电路等组成。 参考电压、解码网络和求和电路等组成。 等组成
8.2 数模转换器
一、D/A转换器的基本工作原理 D/A转换器的基本工作原理 D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， 转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量 以电压或电流的形式输出。 以电压或电流的形式输出。 D/A转换器实质上是一个译码器 解码器） D/A 转换器实质上是一个译码器（解码器）。 一般常 转换器实质上是一个译码器（ 用的线性D/A转换器， 其输出模拟电压u D/A转换器 用的线性 D/A 转换器 ， 其输出模拟电压 O 和输入数字量 Dn 之间成正比关系 正比关系。 为参考电压。 之间成正比关系。UREF为参考电压。 uO