第7章數/模轉換和模/數轉換

模擬

傳感器

A/D

轉換器

數字控制

計算機

D/A

轉換器

模擬

控制器

D/A

轉換器

A/D

轉換器

D/A

轉換器

傳感器A/D

轉換器

D/A

轉換器

傳感器A/D

轉換器

D/A

轉換器

傳感器A/D

轉換器

D/A

轉換器

ADC和DAC已成為計算機系統中不可缺少的接口電路。工業生產過程控制對象A/D

轉換器

D/A

轉換器

傳感器(溫度、壓力、流量、應力等）計算機進行數字處理（如計算、濾波）、數據保存等用模擬量作為控制信號1、DAC的功能:將數字量成正比地轉換成與之對應的模擬量。（設D/A轉換器的輸入數字量為n位）n位數字量模擬量0~5V或0~10V等DAC4位8位10位12位16位等n=n位數字量模擬量0~5V或0~10V等DAC7.1D/A轉換器如何實現D/A？

數字量是用代碼按數位組合而成的,對于有權碼,每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量,然后，將這些模擬量相加,即可得到與數字量成正比的模擬量,這樣，就可以實現數字量--模擬量的轉換。2.

實現D/A轉換的基本思想3.

D/A轉換器的組成:

電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器4.

D/A轉換器的分類:按解碼網絡結構分類T型電阻網絡DAC倒T形電阻網絡DAC權電流DAC

權電阻網絡DACCMOS開關型DAC雙極型開關型DAC電流開關型DACECL電流開關型DACD/A轉

換

器按模擬電子開關分類7.1.1權電阻網絡D/A轉換器Di=0,Si接地Di=1,Si接基準電壓，電流Ii流入求和電路

權電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數根據運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的電阻將接“地”或虛地。1、原理電路2.工作原理

根據運算放大器線性應用時“虛斷”和“虛短”的概念可知輸出電壓為

取RF=R/2，則

此電路結構簡單，所用的電阻元件少。但是各個電阻的阻值相差較大，在輸入數字量位數越多時問題越嚴重，而且難以集成，所以這種電路使用受到很大限制。

取RF=R/2，則7.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數根據運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、原理電路II2I1I0I3i＝

I0+I1+I2+I32.工作原理：流入運放的總電流：

2.工作原理：II2I1I0I3輸出模擬電壓：

2.工作原理：4位倒T形電阻網絡DAC的輸出模擬電壓：推廣到n位倒T形電阻網絡DAC,有：令：則O=–KNB

上式表明，在電路中輸入的每一個二進制數NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。解：(1)當輸入數字量D3D2D1D0=0010時例7.1在倒T形電阻網絡D/A轉換器中，設UREF=-5V，RF=R,試求：（1）當輸入數字量D3D2D1D0=0010時，輸出的電壓值。（2）當輸入數字量D3D2D1D0=0101時，輸出的電壓值。（3）當輸入最大數字量時，輸出的電壓值。7.1.5D/A轉換器的主要技術指標1.分辨率分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數。說明D/A在理論上能到達的精度。實際應用中往往用輸入數字量的位數表示D/A轉換器的分辨率。輸入數字量位數越多，分辨率越高。計算分辨率時用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉換器的分辨率可表示為輸入數字量的位數n越多，分辨率的值越小，分辨能力越高。轉換輸出量就越平滑、連續、模擬信號的還原度就越好。2轉換精度：輸出模擬量電壓的實際值與理想值之差。由轉換過程的各種誤差引起，其中主要是轉換誤差：產生原因：由于D/A轉換器中各元件參數值存在誤差，如基準電壓不夠穩定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉換誤差：有如比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差等3轉換速度：D/A轉換器輸入的數字量發生變化的時候，輸出模擬量不可能立即達到所對應的值，它需要延遲一段時間，通常用建立時間來表示：數字量的變化越大，建立時間越長，一般產品說明中給出的是輸入數字量各位由全0變換位全1，或者由全1變換位全0的建立時間。4溫度系數：在其他條件不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產生的變化量。一般用滿度量輸出條件下，溫度每升高一度，輸出電壓變化的變分數作為溫度系數。

A/D轉換器要將時間上連續，幅值也連續的模擬量轉換為時間上離散，幅值也離散的數字信號，它一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。7.2.0A/D轉換器概述ADCDn-1~D0輸出數字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數字量。1.A/D功能:7.2A/D轉換器7.2.1A/D轉換的一般工作過程

1.取樣與保持

取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。

取樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的取樣頻率由采樣定理確定。

取樣定理：設取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax 取樣之后的信號要轉換位數字信號，需要一定的時間，為了給后續量化編碼電路提供一個穩定的電壓值，必須通過一個保持電路保持一段時間。2.量化與編碼為將模擬信號轉換為數字量，在A/D轉換過程中，必須將取樣–保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一轉化過程我們稱為數值量化，簡稱量化。任何一個數字量的大小只能是某個規定的最小數量單位的整數倍。量化量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。編碼2.A/D轉換器分類①并行比較型

特點:轉換速度快,轉換時間10ns～1s,但電路復雜。②逐次比較型

特點:轉換速度適中,轉換時間為幾s～100s,轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。目前采用最多。③雙積分型

特點:轉換速度慢,轉換時間幾百s～