第9章 数模和模数转换器(第五版)

第9章 数模和模数转换学习要点： 掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换 器的工作原理及相关计算 掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)

的工作原理及其特点 正确理解D/A、A/D转换器的主要参数

第9章 数模和模数转换9.1 D/A转换器 9.2 A/D转换器 退出

概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简 称A/D转换器或ADC;能将数字量转换为模拟量的电路称 为数模转换器，简称 D/A 转换器或 DAC 。 ADC 和 DAC 是 沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的 接口。多 路 开 关 多 路 开 关功率放大 执行机构 加热炉

数 字 控 制 计 算 机

DAC

…功率放大 信号放大

…执行机构 温度传感器

…加热炉

ADC

…信号放大

…温度传感器

9.1 D/A转换器9.1.1 D/A转换器的基本原理 9.1.2 倒T型电阻网络D/A转换器 9.1.3 权电流型D/A转换器 9.1.4 D/A转换器的输出方式 9.1.5 D/A转换器的主要技术指标 9.1.6 D/A转换器的应用

概述将数字量转换为与之成正比模拟量。A= K D

O = – K NB

数字量 n位 DAC

模拟量

9.1.1 D/A转换器的基本原理1、实现D/A转换的基本思想 将二进制数ND=(11001)B转换为十进制数。 ND=b4×24+b3×23+b2×22+b1×21+b0×20 =1×24+1×23+0×22+0×21+1×20

数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码， 每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的

大小转换成相应的模拟量， 然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量， 从而实现数字量-模拟 量的转换。

2、D/A转换器的组成

基准电压n位 数字量 输入

数码 寄存器

n位 模拟开关

解码 网络

求和 电路

模拟量 输出

用来存放 数字量的各 位数码

将权电流 由输入数 产生权电流 相加产生与 字量控制 输入成正比 的模拟电压 DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入

3、实现D/A转换的原理电路电子开关 S1 S2 S3 基准电压 VREF – S0 电阻网络 R R /2 R /4 I2 R /8 i – A + (MSB D3 D2 D1 D0 (LSB) ) 锁存器 + vO 模拟量输出 求和电路

i0 i1 i2 i3

VREF D0 i0 R

Rf=R

i1

2VREF D1 R

4VREF D2 i2 R8V REF D3 i3 R

数字量输入

vO R f (i3 i2 i1 i0 )vO VREF (D3 23 D2 22 D1 21 D0 20 ) VREF Di 2ii 0 3

4、D/A转换器的分类

T型电阻网络DAC

D/A 转 换 器

按解码网络 结构分类

倒T形电阻网络DAC

权电流DAC权电阻网络DAC

按模拟电子开 关电路分类 双极型开关型DAC

CMOS开关型DAC

电流开关型DAC

ECL电流开关型DAC

9.1.2 倒T型电阻网络D/A转换器输入4位 二进制数

1、4位倒T型电阻网络D/A转换器(LSB) D0

求和运算 放大器Rf

D1

D2

(MSB) D3

iΣ +

模拟 电子开关S0 2

R I/16 I/16 2R I/8 R 2R I/4 R I/4 2R I/2 R 2R S1 S2 S3

A

vO

输出 模拟电压+VREF

I/8

I/2

I

基准电压

电阻网络

Di=0,Si则将电阻2R接地 Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路

D/A转换器的倒T型电阻网络(LSB) D0 (MSB) D3 Rf + S0 2R S1 A vO

D1

D2

iΣ

R

R

S2

R

S3 2R

R+VREF

I/16I/16

2R I/8 R I/8

2R I/4 R I/4

2R I/2 R I/2

I

①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,各支路的电流不变。 ②分别从每个节点处向左看的二端网络等效电阻都是R。

(LSB) D0

D1

D2

(MSB) D3

iΣ +

Rf A

vO

S0

S1

S2 2R I/2 R I/2

S32R +VREF I

2RI/16 I/16 2R I/8 R I/8

2R I/4 RI/4

VREF I R

VREF D0 D1 D2 D3 VREF 3 i iΣ ( 4 3 2 1) 4 ( D 2 ) i R 2 2 2 2 2 R i 0R f VREF vO iΣ R f 4 R 2i ( D 2 i ) i 0 3

关于D/A转换器精度的讨论

R f VREF vO n R 2

i ( D 2 i ) i 0

n 1

为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求： (1)基准电压稳定性好； (2) 倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高； (3) 每个模拟开关的开关电压降要相等； (4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。 为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。

2、集成 D/A转换器D0 AD7533 D1 D2 ··· D7 D8 D9 10kΩ RF

··· ···2R 2R R 2R 2R 2R R 2R 2R

R IOUT1 IOUT2 A +

vO

R

···

R

VREF

使用:1)要外接运放， 2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。

R f VREF vO 10 R 2

(D 2 )i i 0 i

9

CMOS模拟开关电路 VDD T2 T3 Di T1 R R

T5T4

T7

2R T8 T9

T6IOUT2 IOUT1

9.1.3 权电流型D/A转换器1、4位权电流D/A转换器 权电流型D/A转换器的原理电路

3 Di =1时，开关S ; Ii接运放的反相端 i

Di=

vO iΣ R f

f 0时，开关S4i接地 。 i 0

2

R

(D 2 )i