数模和模数转换器

二、 工作原理
2R 2R I0
I0 2R I12R I2 2R I3 A R B R C R D
I1 I2 I3 I
VREF
从 A、B、C 、D 节点向左看去，各节 点对地的等效电阻 均为 R。
VREF I= ，并且每经过一个节点，电流被分流一半，从数字量高 R I I 位到低位的电流分别为： I3 = I 、 I2 = 、 I1 = I 、 I0 = 。 1 4 8 2 故流入求和运算放大器输入端的总电流 iΣ为： 6 I I I I iΣ = 2 D3+ 4 D2+ 8 D1+ 16 D0 I = 24 ( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) VREF = ( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) 4R 2
三、权电阻网络 D / A 转换器的优缺点
权电阻 D/A 转换器的优点是电路简单，转换速 度也比较快；它的缺点是各个电阻的阻值相差很大， 而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也 随之增加，难以保证电阻精度的要求，这给电路的转 换精度带来很大影响，也不利于集成化。
13.2.2 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A转换器
(13/15)V
(11/15)V
101 5=(5/8)V (9/15)V 100 4=(4/8)V (7/15)V 011 3=(3/8)V (5/15)V 010 2=(2/8)V (3/15)V 001 1=(1/8)V (1/15)V 000 0 = 0V 0V
二、数模和模数转换的概念
数模转换是把数字量转换为模拟量的过程。 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称 D / A 转换器。 常见 权电阻网络 D / A转换器 权电流网络 D / A转换器 D/A 转换器 倒 T 形电阻网络 D / A转换器 权电容 D / A转换器 模数转换是把模拟量转换为数字量的过程。 实现模数转换的电路称模数转换器 Analog - Digital Converter，简称 A / D 转换器。 A / D 直接 A / D转换器 并联比较型 逐次逼近型 转换器 间接 A / D转换器 积分型 压—频变换型
§13.3 A/D转换器
13.3.1 A / D 转换的一般过程
输入模拟量
uI(t)
S uI(t)
输出数字量 量化 编码 电路
Dn-1 … D1 D0
C
取样保持电路
取样：将模拟信号转换为在时间断续变化、在幅度上等于取样期 间模拟信号大小的一串脉冲。 保持：保持取样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把取样保持电路输出的样值电压变为量化单位整数倍的 过程。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。
模拟开关 Si 受各位输入数字量控制，当 Di =1 时，开关 Si 接到“1”端，电阻 Ri 与基准电压VREF 相连；当 Di =0 时，开 关 Si 则接到 “0”端，电阻 Ri 接地。
二、 工作原理
当电子开关 S0 ~ S3 都接 1 端时，流入求和运算放大器输入 端的总电流 iΣ为： iΣ= I3+ I2+ I1+ I0 VREF VREF VREF VREF = D3+ 1 D2+ 2 D1+ 3 D0 20R 2R 2R 2R VREF = ( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) 23R 由于 iΣ= －i F ，故运算放大器的输出电压 uo 为： uo = iF RF= －iΣRF VREF = －RF 3 ( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) 2R 对于 n 位权电阻 D / A 转换器，则有 uo = －iΣRF VREF = －RF n-1 ( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+……+ 21D1+ 20D0 ) 2 R
二、转换时间
指 D / A 转换器在输入数字信号开始转换到输出模 拟电压达到稳定值时所需的时间。 转换时间越小，转换速度就越高。
13.2.5 集成 D / A 转换器 AD7520 介绍
常用集成 D / A 转换器有两类：一类内部仅含有电 阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电 路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外， 还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制 端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统
一、取样 - 保持电路
当取样脉冲 uS 为高电平时，NMOS 管导通，输入电压uI为经其对 C 迅速充 电，使电容 C 上的电压 uC 跟随输入电压 uI 变化，在 tW 期间 uC = uI。 当取样脉冲 uS 为低电平时，NMOS 管截止，电容 C 上的电压 uC 在 TS - tW 期间保持不变，直到下一个取样脉冲到 来。输出电压 uO 始终跟随电容 C 上的电 压 uC 变化。 为了能较好地恢复原来的模拟信号， 根据取样定理，要求取样脉冲 uS 的频率 fs 必须大于等于输入模拟信号 uI 频谱中 最高 频率 fI(max) 的 2 倍。即 fs ≥ fI(max)
由于倒 T 形电阻网络 D / A 转换器中各支路的电 流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它 们之间不存在传输时间差，因而提高了转换速度，所 以，倒 T 形电阻网络 D / A 转换器的应用非常广泛。
13.2.3 权电流型 D/A转换器
在讨论倒 T 形电阻网络 D / A 转换时，电子模拟 开关看成是理想的。然而在实际上，这些开关都存在 一定的、大小不等的电阻，其上会产生大小不一的电 压，这就不可避免地会引起转换误差。为了提高转换 精度，可采用权电流型 D / A 转换器。
§13.2 D/A转换器
n 位二 进制数 输入 Dn-1 Dn-2 D1 D0 …
数模转换的基本原理
D/A 转换器
uO 模拟电压输出
输入数字量
D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20
输出模拟电压 uO = D△ = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 )△ △ 是 D / A 转换器能输出的最小电压值，称为 D / A 转换 器的单位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位 均为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。 可见，uO ∝ D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。
二、 工作原理
当电子开关 Si 都接 1 端时，最高位代码对应支路的恒流源 电流为 I / 2，相邻位支路的恒流源电流依次减半。故运算放大器 的输出电压 uo 为： uo = iΣRF
I I I I = RF ( 2 D3+ 4 D2+ 8 D1+ 16 D0 ) RFI = ( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) 4 2
中。
一、电路组成
CMOS 电子模拟开关
内部反馈 电阻RF
输出模拟电压uo为 uo = －
倒 T 型电 阻网络
基准电压输入端 VREF 可正可负
R
VREF ( 29 D9 + 28D8 + …… + 21D1 + 20D0 ) 210R
二、电子模拟开关
两级反相器
电平 偏移 电路
开关管
当 i 位数据 Di =1 时，V1 截止，V3 导通，输出低电平 0，经V4、 V5 组成的反相器后输出高电平1，使 V9 导通；同时，V6、V7组成的 反相器输出低电平 0，使 V8 截止。这时，2R 支路电阻经 V9 接位置 1 。当 Di = 0 时，则 V8 导通，V9 截止，2R 支路电阻接位置 0 。从 而实现了单刀双掷开关的功能。
13.2.1 权电阻网络 D / A 转换器
一、 电路组成
权电阻网络 iΣ I0 23R S0 1 D0 (LSB) I1 I2 22R 21R S1 S2 01 0 1 D1 D2 I3 20R S3 0 1 D3 (MSB) A RF iF +
+
∞ + uO -
△
0
VREF
模拟开关
求和运算 放大器
对于 n 位权电流型 D / A 转换器，则有 RF I uo = 2n ( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+……+ 21D1+ 20D0 )
13.2.4 D / A 转换器主要参数
一、转换精度
1. 分辨率 D / A 转换器的最低位有效数字量 （00…01）对应输出的模拟电压 ULSB 与最大数字量（11…11）输出满刻度电 压 UFSR 的比值。
划分量化电平的两种方法
模拟 电平 二进制 代表的 代码 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平
(8/8)V (7/8)V (6/8)V (5/8)V (4/8)V (3/8)V (2/8)V (1/8)V 0V
111 7=(7/8)V
110 6=(6/8)V
(15/15)V
111 7 =14/15V 110 6 = 12/15V 101 5 = 10/15V 100 4 = 8/15V 011 3 = 6/15V 010 2 = 4/15V
第十三章 数模和模数转换器
§13.1 概述
一、数模和模数转换器的作用
模拟 传感器
模拟 电量
转换器
A/D
数字 数字 量 数字控制计算 量 机
转换器
D/A
模拟 电量
模拟 控制器
非电量
生产过程控制对象
控制操作
由此可见，模拟—数字转换器和数字—模拟转换器是 数字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可 缺少的组成部分。