第7章
数模与模数转换器
内容提要
D/A 转换器和 A/D 转换器是联系数字世界和模拟世界的桥梁,在现代信息技术中具有 举足轻重的作用. 本章内容主要介绍各种典型 D/A 和 A/D 转换器的电路结构,工作原理和典型集成电路 产品. D/A 转换器内容中, 在 主要介绍了权电阻型, R-2R 网络型, 权电流型等几种类型 D/A 转换器.在 A/D 转换内容中,首先介绍了 A/D 转换的一般原理和步骤,然后介绍了计数型, 逐次逼近型,并行比较型,双积分型,∑-△型等几种类型 A/D 转换器. 在讲述各种转换电路原理的基础上,还详细讨论了 D/A 转换器和 A/D 转换器的主要技 术参数.
7.1 概 述
数字系统具有很多优点,因此大部分的电子系统都采用数字系统实现,例如数字通信 系统,数字电视及广播,数控系统,数字仪表等.数字系统只能处理数字信号,而自然界 中大多数实际信号为模拟信号,例如电压,电流,声音,图像,温度,压力等.因此,应 先把模拟量转化为数字量后,才能由数字系统进行处理.这种将模拟量转换成数字量的过 程称为"模数转换" .完成模数转换的电路称为模数转换器,常称作 A/D 转换器(Anolog Digital Converter,ADC) .数字系统处理后的数字量,有时也要转换成模拟量,以满足实 际需要,这种转换称为"数模转换" ,完成数模转换的电路称为数模转换器,常称作 D/A 转换器(Digital Anolog Converter,DAC) .显然,D/A 转换器和 A/D 转换器是联系数字世 界和模拟世界的桥梁,在现代信息技术中具有举足轻重的作用. 图 7.1-1 所示为典型的计算机直接数字控制(DDC)系统的原理框图.
图 7.1-1 计算机直接数字控制(DDC)系统原理框图
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第7章
数模和模数转换器
图中的模拟给定信号与来自传感器的反馈信号比较后生成误差信号,误差信号经过 A/D 转换器转换成数字信号送到计算机(也可以是 DSP,MCU) ,经其处理后输出的数字 量,再由 D/A 转换器转换成模拟量,最后送到控制对象完成相应的功能. 图 7.1-2 所示为数字化语音存储与回放系统.语音信号经麦克风转化为电信号,经放 大, 滤波送 A/D 转换器. 单片微控制器控制 A/D 转换器将模拟的语音信号转化为数字化的 语音信号并存放在 SRAM 中.数字化的语音信号随时可以通过 D/A 转换,带通滤波,功 率放大,然后在扬声器中回放出来.
图 7.1-2 多路数据采集系统原理框图
7.2
7.2.1 D/A 转换器的基本原理
D/A 转换器
D/A 转换器的作用就是将数字量转换成与其成正比的模拟量,其示意图如图 7.2-1(a) 所示.
{
图 7.2-1 D/A 转换器示意图及转换特性 (a)示意图 (b)转换特性
假设 D/A 转换器的输入为自然二进制数 D,输出电压信号为 vO,比例系数为 K,则
v O = KD = K ∑ Di 2 i
0 n 1
(7.2-1)
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7.2 D/A 转换器
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其中 D=Dn-1Dn -2…D1 D0,为 n 位二进制数字量. 以 3 位 D/A 转换器为例,设 K=1,则输入的数字量和输出的模拟电压的对应关系如 表 7.2-1 所示.
表 7.2-1 3 位 D/A 转换器输入的数字量和输出的模拟电压对应关系 D2 0 0 0 0 D1 0 0 1 1 D0 0 1 0 1 vO / V 0 1 2 3 D2 1 1 1 1 D1 0 0 1 1 D0 0 1 0 1 vO / V 4 5 6 7
图 7.2-1(b)表示了 3 位 D/A 转换器的转换特性.从图中可以看到,D/A 转换器的输 出电压波形并不是连续的,而是阶梯形的.两个相邻数码转换输出的电压差值就是 D/A 转 换器能分辨的最小电压值,称为最小分辨电压,用 VLSB 表示.由于 VLSB 也等于输入数字 量只有最低位(D0)为 1 时对应的输出模拟电压值,因此,最小分辨电压也可用最低有效 位 1LSB(Least Significant Bit)表示.对应于最大输入数字量(输入全为 1)的最大电压 输出值,称为满量程输出电压,用 VFSV 表示.n 位 D/A 转换器的满量程输出电压 VFSV 为 VFSV=VLSB×(2n-1) (7.2-2) n 为了表示区别,将 VLSB×2 定义为标称满量程 VFSR.由于 D/A 转换器的实际输入数字 量最大为 2n-1,因此满量程输出电压 VFSV 要比标称满量程 VFSR 小一个 LSB 的增量.但随 着 n 的增加,VFSV 和 VFSR 的值非常接近,许多参考资料中并未作严格区分. 在满量程输出电压 VFSV 一定的情况下,D/A 转换器的位数 n 越大, 最小分辨电压 VLSB 越小.如果用一个均匀定时的 n 位二进制计数器作为 D/A 转换器的输入,通过一台示波器 观察 D/A 转换器的输出,图 7.2-1(b)中阶梯波就越接近于一条连续斜坡. D/A 转换器有多种类型, 本节内容将主要介绍权电阻型 D/A 转换器, R-2R 网络型 D/A 转换器,权电流 D/A 转换器等几种常见 D/A 转换器.

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