数电9模数与数模转换电路

1 概述 2 D/A(Analog to Digital)转换器 3 A/D (Digital to Analog)转换器

1 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。传感器 (温度、压力、 流量、应力等) 模 拟 传感器 A/D 转换器 计算机进行数字处理 (如计算、滤波)、 数据保存等 D/A 转换器 用模拟量作为控 制信号

数字控制 计算机

模拟 控制器

工业生产过程控制对象

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

2 D/A转换2.1 D/A转换器概述2.2 倒T形电阻网络D/A转换器 2.3 权电流型D/A转换器 2.4 D/A转换器的输出方式 2.5 D/A转换器的主要技术指标

2.6 集成D/A转换器及其应用

2.1 D/A转换器概述1、DAC的功能: 将数字量成正比地转换与之对应成模拟量 。

2. 实现D/A转换的基本思想

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， 这样，就可以实现数字量--模拟量的转换。

3.转换特性

uo (V) 7 6 5 4 3 2 1 0

D/A转换器的转换特性 是指其输出模拟量和输 入数字量之间的转换关系。

D

理想的D/A转换器的转换特性: 输出模拟电压 uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。

000 001 010 011 100 101 110 111

如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0,则输出模拟电压为：

uo Ku (dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 )

4. D/A转换器的组成: 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器

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

2. 2 倒T形电阻网络D/A转换器输入4位二进制数 模拟电子开关 电阻网络2R 2RI 16

求和运算放大器(MSB) D3 i – + Rf

(LSB) D0

D1

D2

vO

S0 I/16 2R R I 8

S1 I/8 2R R I 4

S2 I/4 2R R I 2

S3 I/2 +VREF I

输 出 模 拟 电 压

根据运放线性运用时虚地的 概念可知，无论模拟开关Si处 于何种位置，与Si相连的2R 电阻将接“地” 或虚地。

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形电阻网络原理分析基准电源VREF提供的总电流为：I =?

流过各开关支路的电流：I3 =?I2 =? I1 =? I0 =?RA B

RC

RD

R

I/162R 2R

I/82R

I/42R

I/22R

I0R

I1R

I2R

I3I

I

VREF R

I/16

A

I/8

B

I/4

C

I/2

D

VREF

流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。

Rf (LSB) D0 D1 D2 (MSB D3 )

i

–

A+ S0 S1 S2 S3

O

2R

2R

I0R

2R

I1R

2R

I2R

2R

I3

I

+VREF

流入运放的总电流：i = I0 + I1 + I2 + I3 I I I I D0 3 D1 2 D2 1 D3 24 2 2 2 VREF D0 D1 D2 D3 VREF 3 4 ( 4 3 2 1) ( Di 2i ) 2 R i 0 R 2 2 2 2

4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： Rf VREF 3 O i Rf 4 ( Di 2i ) R 2 i 0 推广到 n 位倒T形电阻网络DAC,有：

VREF Rf n 1 i O n ( Di 2 ) 2 R i 0 令：n 1 VREF Rf i K n , N B ( Di 2 ) 2 R i 0

则

O = – K NB

上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB, 均能得到与之成正比的模拟电压输出。

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

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。

2.3 权电流型D/A转换器(LSB) D0 D1 D2 (MSB) D3 i Rf

– +S0 S1 S2 S3

O

I 16–VREF

I 8

I 4

I 2

Di =1时，开关Si接运放 的反相端; Di= 0时，开关Si接地。

O i Rf Rf ( D3 D2 D1

I I I I D0 ) 2 4 8 16 I 4 Rf ( D3 23 D2 22 D1 21 D0 20 ) 2 3 采用恒流源电路后对提高转 I i 4 Rf Di 2 换精度有什么好处？ 2 i 0

在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受其他因素的 影响，提高了转换精度。

2.4 D/A转换器的输出方式1. 单极性输出方式 倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路D0 D1 i 倒T形 电阻网 络 D/A 转换器 Rf – A + vODn-1 VREF D0 D1 i 倒T形 电阻网 络 D/A 转换器 + R – A vO

…Dn-1 VREF

…

R1

R2

反相输出

同相输出

O i Rf

O i R(1 R2 / R1 )

表1 8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量 Vref ( 255 ) 256129 ) 256

…

1 11 0 0 0

1 00 1 0 0

1 00 1 0 0

1 00 1 0 0

1 0

1 00 1 0 0

1 00 1 0 0

1 10 1 1 0

Vref ( Vref (

0 … 1 0 0

128 ) 256

Vref (

127 ) 256

Vref ( Vref (

1 ) 256

0 ) 256

2. 双极性输出方式NB D7 D6 D 5 D 4 D 3 D 2 D1 D 0 1

2的补码2R1

偏移二进制码

VREF

8 位倒 T 形电阻 网络 D/A 转换器

N’ B

i

Rf = R

1 R 1–

R1

O

–

A1+ +

A2

1

VREF VREF ' 8 N B 8 ( N B 27 ) 2 2N BVREF VREF VREF N ( ) VREF B 28 2 2 256

1 O 1 VREF 2

表2 8位D/A转换器在双极性输出时的输入/输出关系十进 制数 2的补码 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1D 0 偏移二进制码 D7 D 6 D5 D4 D3 D2 D 1 D0 模拟量

O/V

LSB

127 126…

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

127 126 -1

-1…

-127 1-128 1

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

-127-128

2.5 D/A转换器的主要技术指标1. 转换精度 ：通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等 级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器 的分辨率。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比 1 给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为 2n 1

2.转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度与理论上可 达到的精度之间存在误差。 产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基 准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。

几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差等

比例系数误差：

VO /VREF7/8 3/4

比例系数误差

是指实际转换特性 曲线的斜率与理想 特性曲线斜率的偏 差。

5/8

理想1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111

O

实际

失调误差：由运算 放大器的零点漂移引起， 其大小与输入数字量无 关，该误差使输出电压 的转移特性曲线发生平 移 。

VO /VREF7/8 3/4 5/8 1/2 O

实际

三位D/A转换器的失 调误差如图所示。

3/8 1/4 1/8 000

理 想

001 010 011 100 101 110 111

2. 6 集成D/A转换器及其应用 1. AD7520D/A转换器 10位CMOS电流开关型D/A转换器D0 AD7520 D1 D2 D7 D8 D9 10K RF

IOUT1 1 R I 2 IOUT2OUT1 GNDOUT2 I 3 D9 D8 D74 5 6

– +

16 RF 15 VREF 14 V O + 13 D0 12 D1 11 D2 10 D3 9

2R

2R

2R

2R

2R

2R 10K

2R 20K

D6 7 D5 VREF 8

D4

R

R

R

R

R

2、集成D/A转换器应用之一： 数字式可编程增益控制电路D0 D1 D2 D7 D8 D9 RF IOUT1 IOUT2

I–

O+

2R

2R

2R

2R R

2R

2R

2R VREF

R

R

R

R

R

AV

vo 210 vi D0 2 0 D1 21 ... D9 2 9