1、第10章 數/模和模/數轉換器 10.1概述10.2 數/模（D/A）轉換器 10.3模/數轉換器（A/D）10.4A/D和D/A的使用參數10.1 概述 由于計算機技術的飛速發展，目前廣泛采用數字電路來處理模擬信號的問題。 用數字電路來處理模擬信號的關鍵器件是：將模擬轉換成數字信號的模/數轉換器（A/D）和將數字信號轉換成模擬的數/模轉換器（D/A）。 10.2 數/模（D/A）轉換器 權電阻網絡D/A轉換器 倒T型電阻網絡D/A轉換器 權電阻網絡D/A轉換器 數/模轉換器（D/A）輸入信號為數字信號，輸出信號為模擬信號。 最簡單的數/模轉換器為權電阻網絡數/模轉換器，其電路如圖10-1所示

2、。 圖10-1權電阻網絡D/A轉換器 采用雙級權電阻網絡可以解決這個問題，雙級權電阻網絡D/A轉換器的電路如圖10-2所示。 根據疊加定理可證明該電路的輸出電壓與輸入信號之間的函數關系式滿足式（10-2）。 圖10-2雙級權電阻網絡D/A轉換器倒T型電阻網絡D/A轉換器 倒T型電阻網絡D/A轉換器是為了克服權電阻網絡D/A轉換器電阻阻值相差很大的缺點而研制的，其電路組成如圖10-3所示。 圖10-3倒T型電阻網絡D/A轉換器 由圖10-3可見，倒T型電阻網絡D/A轉換器內部只有R和2R兩種阻值的電阻，有效地解決了權電阻網絡D/A轉換器電阻阻值相差很大的缺點。 在圖10-3中，因運算放大器的v+

3、輸入端為“虛地”端，所以，不管電子開關是否接地，與電子開關相連的電阻一端總是接地，由此可得計算受電子開關控制的各支路電流大小的等效電路如圖10-4所示。圖10-4計算各支路電流的等效電路 權電流型D/A轉換器中的電流源可由模擬電路中所介紹的電流源電路組成。 權電流型D/A轉換器的原理電路如圖10-5所示。 利用D/A轉換器和計數器可以組成階梯波信號發生器，典型的階梯波信號發生器電路如圖10-6（a）所示。 在圖10-6（a）中的CB7520芯片是D/A轉換器，該集成電路可將輸入的十位二進制數代碼轉換成模擬信號輸出。 圖10-5權電流型D/A轉換器圖10-6典型的階梯波信號發生器電路 在圖10-

4、6（a）所示電路中，若參考電壓VREF，在CP信號驅動下，電路的輸出波形如圖10-6（b）所示，利用式（10-2）可標出輸出階梯波的信號幅度。 D/A轉換器還有權電容型和開關樹型等形式，它們的工作原理與上述介紹的D/A轉換器大致相同，這里不再贅述。 模/數轉換器（A/D）轉換器的基本組成 直接A/D轉換器間接A/D轉換器A/D轉換器轉換器的基本組成 A/D轉換器可以將輸入的模擬信號轉換成數字信號輸出。 模擬信號的變化在時間和空間上均是連續的，而數字信號的變化在時間和空間上均是離散的，要將連續的模擬信號轉化成離散的數字信號必須經過采樣、量化和編碼三個步驟。 實現A/D轉換的第一步是采樣，對輸入信

5、號進行采樣的方法很多，通常的采樣方法是利用采樣脈沖信號驅動采樣保持電路實現對輸入信號的采樣。 最簡單的采樣保持電路如圖10-7（a）所示，圖10-7（b）所示為集成采樣保持電路LF198的符號和典型連接圖。 1. 采樣定理圖10-7采樣保持電路的原理圖和符號 在圖10-7（a）所示電路中，輸入信號vi為模擬信號，采樣控制信號vL為方波信號，輸出信號vo為采樣信號。 模擬信號經采樣后的采樣信號如圖10-8所示 。圖10-8采樣信號的波形 圖10-8所示的采樣信號雖然在時間上是離散的，但在空間上還是連續的，為了得到在時間和空間上都是離散的數字信號，必須對圖10-7所示的信號進行量化，將各時間段的采

6、樣信號量化成某一最小單位的整數倍，然后再將量化后的信號表示成二進制數。 將量化后的信號表示成二進制數的過程稱為編碼。 采用四舍五入的方法進行量化的量化電平圖如圖10-9（b）所示。 2. 量化和編碼圖10-9兩種量化方法的量化電平圖直接A/D轉換器 直接A/D轉換器的功能是將輸入的模擬電壓信號直接轉換成二進制代碼輸出。 常用的直接A/D轉換器有并聯比較型和反饋比較型兩種。 并聯比較型A/D轉換器的電路組成如圖10-10所示。 由圖10-10可見，并聯比較型A/D轉換器電路由電壓比較器、D觸發器和編碼器三部分組成。 同理可得，輸入電壓為其他值時，D觸發器所記憶數值的不同組態被編碼器編碼成不同的數

7、字信號輸出，編碼器的真值表如表10-1所示。 1. 并聯比較型A/D轉換器圖10-10并聯比較型A/D轉換器表10-1 并聯比較型A/D轉換器編碼器的真值表 并聯比較型A/D轉換器的優點是轉換速度快，存在的問題是電路較復雜，需要用很多的電壓比較器和觸發器。 在轉換速度許可的條件下，可以采用反饋比較型A/D轉換器。 反饋比較型A/D轉換器的電路組成如圖10-11所示。 2. 反饋比較型A/D轉換器圖10-11反饋比較型A/D轉換器 反饋比較型A/D轉換器的電路結構較簡單，但轉換的速度很慢，當輸出為n位二進制代碼時，最長的轉換時間為2n-1，采用逐次漸近型的A/D轉換器可提高轉換的速度。 逐次漸近

8、型A/D轉換器的電路組成如圖10-12所示。 3. 逐次漸近型A/D轉換器圖10-12逐次漸近型A/D轉換器 圖10-12所示電路采用逐次漸近的方法來選擇DAC的輸入數字量，可以在較短的時間內找出正確的結果，所以，轉換的速度較快。 間接A/D轉換器A/D轉換器 除了上面介紹的直接A/D轉換器外，還有間接A/D轉換器。目前，使用較多的間接A/D轉換器是電壓頻率變換型A/D轉換器和雙積分型A/D轉換器。電壓頻率變換型A/D轉換器的組成如圖10-13所示。 由圖10-13可見，電壓頻率變換型A/D轉換器由壓控振蕩器（VCO）、計數器、寄存器、時鐘信號控制門等電路組成。 圖10-13電壓頻率變換型A/

9、D轉換器 雙積分型A/D轉換器電路的組成如圖10-14所示。 由圖10-14可見，雙積分型A/D轉換器電路由積分器、電壓比較器、控制邏輯、脈沖源、計數器等電路組成。圖10-14雙積分型A/D轉換器和D/A的使用參數和D/A的轉換精度 和D/A的轉換速度 在使用A/D和D/A時，需要注意的參數主要是轉換精度和轉換速度。 和D/A的轉換精度 A/D和D/A的轉換精度通常用分辨率和轉換誤差來描述。 A/D或 D/A的分辨率與輸出或輸入的二進制數位數相關。 在輸出或輸入為n位的A/D或D/A轉換器中，能夠區分的輸出電壓或輸入電壓有2n個不同的狀態。1. 分辨率 在這2n個不同等級的模擬電壓中，當輸出或輸入的數字量只有最低位是1時，所對應的輸出或輸入的電壓值為最小；當輸出或輸入的數字量各位的數字都是1時，所對應的輸出或輸入的電壓值為最大。 在數字電路中用最小電壓與最大電壓的比值來描述A/D或D/A器件的分辨率。 1. 分辨率 在轉換器中，轉換誤差通常以相對誤差的形式給出，它表示轉換器實際輸出或輸入的數字量和理想輸出或輸入的數字量之間的差別，并用最低有效位的倍數來表示。 A/D或D/A的轉換誤差與電路的工作環境等許多因素有關，其中關系最密切的兩個因素是外界參考電壓的穩定性和器件溫度的