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第八章 数/模和模/数转换,8.1 数/模转换器（DAC） 8.2 模/数转换器（ADC）,8.1 数/模转换器（DAC）,8.1.1 DAC的基本概念 在第一章我们已经介绍过，一个n位二进制数Dn-1 Dn-2 D1 D0可以用其按权展开式表示为： （Dn-1 Dn-2 D1 D0）2 = Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020,从最高位Dn-1（Most Significant Bit，简写为MSB）到最低位D0（Least Significant Bit，简写为LSB）的权依次为2n-1、2n-2、21、20。 数模转换器（DAC）的输入是数字量，输出为模拟量，输出u0应与输入数字量的大小成正比。故有： u0=K（Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020）,8.1.2 权电阻网络DAC 4位二进制权电阻网络DAC电路原理图如图8-1-2所示，由权电阻网络、4个电子开关、1个求和放大器和基准电压源提供的参考电压UREF组成。,图8-1-2 权电阻网络DAC电路原理图,8.1.3 T型电阻网络DAC 为了克服权电阻网络中电阻值相差过大的缺点，引入了T型电阻网络结构的DAC，其电路图如图8-1-3所示。电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来很大的方便。,图8-1-3 T型电阻网络DAC,8.1.4 倒T型电阻网络DAC 图8-1-5所示是4位倒T型电阻网络的数/模转换器，输入信号中为0的位，模拟开关被控制接通地，输入信号中为1的位，对应模拟开关被控制接通“虚地”点，即运算放大器的反相输入端。,图8-1-5 四位倒T形DAC,8.1.5 DAC的主要技术参数 1.DAC的转换精度 一般用分辨率和转换误差来描述DAC的转换精度。 （1） 分辨率 分辨率可以用DAC输入端二进制数码的位数给出。位数越多，输出电压uo的取值个数越多，越能反映出输出电压的细微变化，分辨能力越强。,分辨率还可以用DAC电路能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比来表示。根据式（8-1-4）有 分辨率=1/2n1 （n为DAC输入端二进制数码的位数） 该值越小，分辨能力越高。 （2） 转换误差 转换误差常用输出满刻度（Full Scale Range，FSR）的百分数来表示，AD7520的非线性误差为0.05%FSR，转换误差等于满刻度的万分之五。,2.DAC的转换速度 （1） 建立时间ts 从输入由全0变成全1时开始，到输出电压稳定在FSR1/2LSB为止所需要的时间，称为建立时间。 （2） 转换速率SR 转换速率是指大信号工作状态模拟输出电压的最大变化率，通常以V/s为单位。反映了电压型输出的DAC中输出运算放大器的特性。,8.2 模/数转换器（ADC）,8.2.1 模/数转换器的基本概念 1.采样、保持 采样保持原理电路如图8-2-1（a）所示，ui是输入的模拟信号，S(t)是采样脉冲，Ts是采样脉冲周期，tW是采样脉冲持续时间。图（a）的模拟开关S在tW时间，S(t)使开关接通，经开关采样后的输出uS=ui；在Ts- tW时间，S(t)使开关断开，uS=0。,图8-2-1 采样保持,采样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，但其幅值仍取决于采样时间内输入模拟信号的大小。 采样频率fS(1/Ts)越高，采样越密，采样值就越多，其采样信号uS的包络线就越接近于输入信号的波形。,2.量化、编码 采样保持得到的信号在时间上是离散的，幅值可以有无穷多个，仍属模拟量范畴。任何一个数字量的大小只能是某个最小数量单位的整数倍，因此是不连续的。 量化过程只是把模拟信号按量化单位作了取整处理，需要用代码表示量化值，如二进制码、二十进制码等，这样的过程称为编码。常用的编码是二进制编码。,8.2.2 并联比较型ADC 1.电路结构 图8-2-3所示是三位并联比较型ADC的电路图，它是由比较器、寄存器和优先编码器组成。输入为模拟电压，输出为三位二进制数码D2D1D0，假定输入的模拟电压Ui是取样保持电路的输出电压，则采用有舍有入的量化方法，即四舍五入法。,图8-2-3 并联比较型ADC,2.工作原理 当S（t）=0时，采样保持电路提供一个稳定的采样电压值，作为Ui送入比较器，使它在保持时间内进行量化。量化后的值，在S（t）上升沿来到时送入D触发器寄存，并由优先编码器产生相应的二进制数码输出。,8.2.3 逐次逼近型ADC 逐次逼近型ADC原理与天平称量重物类似。 逐次逼近型ADC由比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑五个部分组成。,图8-2-4 逐次逼近型ADC原理框图,逐次逼近型ADC，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DAC的输出进行比较，得到输出数字值，其转换速度比并联比较型的慢。但输出位数较多时，逐次逼近型ADC的电路规模要比并联比较型小得多。所以逐次逼近型ADC是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种电路。,8.2.4 双积分型ADC 1.电路结构 双积分型ADC的原理电路如图8-2-6所示。,图8-2-6 双积分型ADC的简化电路,2.工作原理 A/D转换的过程是：积分器先以固定时间T1对ui（正压）积分，在积分器的输出端获得一个与ui成正比的U01，如图8-2-7所示。,图8-2-7 双积分型ADC的工作波形,A/D转换分三阶段进行： （1）初始准备（休止阶段）：转换控制信号uS=0，将计数器和FC清零。 （2）第一次积分（采样阶段）：在t=0时，uS上升为高电平，断开S2，积分器开始对ui积分。 （3） 第二次积分（比较阶段）：将Uo1转换成与之成正比的时间间隔T2。SA1指向UREF后，积分器又从T1时刻开始反向积分。,8.2.5 ADC的主要技术指标 1.ADC的转换精度 单片集成ADC的转换精度由分辨率和转换误差来描述。 （1） 分辨率 分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，说明ADC对输入信号的分辨能力。,（2） 转换误差 转换误差常以输出误差最大值的形式给出，它表示ADC实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，并以最低有效位的倍数表示。 2.ADC的转换速度 ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型。,8.2.6 ADC的应用 A/D转换在数字式仪表、数字控制系统和计算机控制系统中是必不可少的一个部件。目前ADC电路都做成集成电路供使用者选择，种类十分繁杂，功能各异，现仅介绍ADC0801型ADC及其应用。,
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