最新数字电子技术基础电子教案第7章数模和模数转换器.docx

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最新数字电子技术基础电子教案第7章数模和模数转换器

第7章数模和模数转换器

能将数字量转换为模拟量（电流或电压），使输出的模拟量与输入的数字量成正比的电路称为数模转换器，简称D/A或DAC（DigitaltoAnalogConverter）。

能将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比的电路称为模数转换器，简称A/D或ADC（AnalogtoDigitalConverter）。

D/A、A/D转换技术的发展非常迅速，目前已有各种中、大规模的集成电路可供选用。

7.1D/A转换器

数模转换的基本原理就是将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，这样所得的总模拟量与数字量成正比，于是便实现了从数字量到模拟量的转换。

7.1.1二进制权电阻网络D/A转换器

1.电路结构

权电阻网络D/A转换电路如图7.1所示。

它主要由权电阻网络D/A转换电路、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中权电阻网络D/A转换电路是核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，将流过各权电阻的电流相加，并转换成与输入数字量成正比的模拟电压输出。

图7.1二进制权电阻网络D/A转换电路

2.工作原理

二进制权电阻网络的电阻值是按4位二进制数的位权大小取值的，最低位电阻值最大，为23R，然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。

不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。

模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同相输入端（地）；若d=1，相应的S合向反相输入端。

i正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的转换。

3.运算放大器的输出电压

采用运算放大器进行电压转换有两个优点：

一是起隔离作用，把负载电阻与电阻网络相隔离，以减小负载电阻对电阻网络的影响；二是可以调节RF控制满刻度值（即输入数字信号为全1）时输出电压的大小，使D/A转换器的输出达到设计要求。

7.1.2R-2RT型网络D/A转换器

1.电路结构

4位R-2RT型网络D/A转换器的电路如图7.2（a）所示，它主要由R-2RT型电阻网络、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中R-2R电阻网络是D/A转换电路的核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，它将与输入数字量成正比的输入电流转换成模拟电压输出。

2.工作原理

当只有一个电子模拟开关S合向1，而其余电子模拟开关S均合向0时，从该支路的2R电阻向左、右看去的等效电阻均为2R，该电流流向A点时，每经过一节R-2R电路，电流就减少一半。

如只有开关S0合向1，即对应输入的二进制数为d3d2d1d0=0001时，T形电阻网络的等效电路如图7.2（b）所示。

iΣ正比于输入的二进制数，实现了数字量到模拟量的转换。

3.求和运算放大器的输出电压

输出电压也与输入数字量成正比。

4.电子模拟开关

（1）电路结构

图7.3所示是一个CMOS电子模拟开关电路，它由两级CMOS反相器产生两路反相信号，各自控制一个CMOS开关管，实现模拟单刀双掷的开关功能。

（2）工作原理

当输入数字信号DI=1时，V1截止，V3导通，V3输出为低电平0，经V4、V5组成的第一级反相器后输出高电平，使V9导通；同时第一级反相器输出的高电平再经V6、V7组成的第二级反相器后输出低电平，使V8截止。

此时，2R支路经导通管V9接向位置1。

反之当输入数字信号DI=0时，V8导通，V9截止，2R支路被连到位置0。

7.1.3D/A转换器的主要技术参数

1.分辨率

分辨率是指对输出电压的分辨能力。

分辨率定义为最小分辨电压与最大输出电压之比。

最小输出电压就是对应于输入数字量最低位（LSB）为1，其余位均为0时的输出电压，记为ULSB。

最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1时的输出电压，记为UFSR。

2.转换精度

D/A转换器的转换精度分绝对精度和相对精度。

绝对精度是指实际输出模拟电压值与理论计算值之差，通常用最小分辨电压的倍数表示。

相对精度是绝对精度与满刻度输出电压（或电流）之比，通常用百分数表示。

3.转换时间

D/A转换器从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值时所需要的时间，称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。

7.1.4集成D/A转换器

集成D/A转换器品种繁多。

从内部结构上看，有只含有电阻网络和电子模拟开关的基本D/A转换器。

也有在内部增加了数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端的D/A转换器。

还有将基准电压源、求和运放等均集成在芯片上的完整的D/A转换器。

根据DAC的转换位数和转换速度不同，集成D/A转换芯片有多种型号，如DAC0832、DAC0830、DAC0831、AD7524等。

1.DAC0832介绍

D/A集成芯片DAC0832（DAC0830、DAC0831）的内部结构如图7.4所示。

从图7.4中可以看出，DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器三大部分组成。

图7.4DAC0832（DAC0830、DAC0831）的内部结构

DAC0832的外部引脚图如图7.5所示。

图7.5DAC0832的外部引脚图

2.DAC0832的应用

DAC0832在应用中有三种方式：

双缓冲型、单缓冲型和直通型，如图7.6所示。

图7.6DAC0832的三种应用方式

7.2A/D转换器

7.2.1概述

1.A/D转换的基本原理

A/D转换器的工作原理如图7.7所示。

图7.7A/D转换器的工作原理

2.采样-保持原理

采样-保持原理可用图7.8来说明。

图7.8采样保持原理

3.A/D转换器的主要技术指标

（1）分辨率

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。

（2）相对精度

在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。

相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。

（3）转换速度

转换速度是指完成一次转换所需的时间。

7.2.2常用的A/D转换器类型

1.并联比较型A/D转换器

并联比较型A/D转换的电路如图7.9所示。

图7.9并联比较型A/D转换的电路图

2.逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近型A/D转换器的原理框图如图7.10所示。

图7.10逐次逼近型A/D转换器的原理框图

3位A/D转换器的原理图如图7.11所示。

图7.113位逐次逼近型A/D转换器电路

图7.12逐次逼近式A/D转换的逼近过程

一个n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行n次比较，需要n+2个时钟脉冲。

其转换速度较慢，属于中速A/D转换器。

但由于电路简单，成本低，因此，也被广泛使用。

3.双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器是一种间接型A/D转换器，它由基准电压VREF、积分器、比较器、计数器和定时触发器组成，如图7.13所示。

图7.13双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器的基本原理是对输入模拟电压uI和参考电压VREF分别进行积分，将两次电压平均值分别变换成与之成正比的时间间隔，然后，利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，通过运算得到相应的数字量输出。

双积分型A/D转换器由于转换一次要进行两次积分，所以，转换时间长，工作速度慢，但它的电路结构简单，转换精度高，抗干扰能力强，因此，常用于低速场合。

7.2.3集成A/D转换器及其应用

集成A/D转换器种类很多，如从使用角度上可分为两大类：

一类在电子电路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能端，可与计算机相连。

1.ADC0804A/D转换器

ADC0804是逐次逼近型单通道CMOS8位A/D转换器，其转换时间小于100μs，电源电压+5V，输入输出都和TTL兼容，输入电压范围0～+5V模拟信号，内部含有时钟电路，图7.14为ADC0804的管脚排列图。

图7.14ADC0804管脚排列图

图7.15是ADC0804的典型应用电路。