第9章数模和模数转换器

第9章数/模和模/数转换器9.1概述9.2数/模（D/A）转换器9.3模/数转换器（A/D）9.4A/D和D/A的使用参数9.1概述由于计算机技术的飞速发展，目前广泛采用数字电路来处理模拟信号的问题。用数字电路来处理模拟信号的关键器件是：将模拟转换成数字信号的模/数转换器（A/D）和将数字信号转换成模拟的数/模转换器（D/A）。9.2数/模（D/A）转换器9.2.1权电阻网络D/A转换器9.2.2倒T型电阻网络D/A转换器9.2.1权电阻网络D/A转换器数/模转换器（D/A）输入信号为数字信号，输出信号为模拟信号。最简单的数/模转换器为权电阻网络数/模转换器，其电路如图9-1所示。图9-1权电阻网络D/A转换器采用双级权电阻网络可以解决这个问题，双级权电阻网络D/A转换器的电路如图9-2所示。根据叠加定理可证明该电路的输出电压与输入信号之间的函数关系式满足式（9-2）。图9-2双级权电阻网络D/A转换器9.2.2倒T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器是为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差很大的缺点而研制的，其电路组成如图9-3所示。图9-3倒T型电阻网络D/A转换器由图9-3可见，倒T型电阻网络D/A转换器内部只有R和2R两种阻值的电阻，有效地解决了权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差很大的缺点。在图9-3中，因运算放大器的v+输入端为“虚地”端，所以，不管电子开关是否接地，与电子开关相连的电阻一端总是接地，由此可得计算受电子开关控制的各支路电流大小的等效电路如图9-4所示。图9-4计算各支路电流的等效电路权电流型D/A转换器中的电流源可由模拟电路中所介绍的电流源电路组成。权电流型D/A转换器的原理电路如图9-5所示。利用D/A转换器和计数器可以组成阶梯波信号发生器，典型的阶梯波信号发生器电路如图9-6（a）所示。在图9-6（a）中的CB7520芯片是D/A转换器，该集成电路可将输入的十位二进制数代码转换成模拟信号输出。图9-5权电流型D/A转换器图9-6典型的阶梯波信号发生器电路在图9-6（a）所示电路中，若参考电压VREF=-10.24V，在CP信号驱动下，电路的输出波形如图9-6（b）所示，利用式（9-2）可标出输出阶梯波的信号幅度。D/A转换器还有权电容型和开关树型等形式，它们的工作原理与上述介绍的D/A转换器大致相同，这里不再赘述。9.3模/数转换器（A/D）9.3.1A/D转换器的基本组成9.3.2直接A/D转换器9.3.3间接A/D转换器A/D转换器9.3.1A/D转换器的基本组成A/D转换器可以将输入的模拟信号转换成数字信号输出。模拟信号的变化在时间和空间上均是连续的，而数字信号的变化在时间和空间上均是离散的，要将连续的模拟信号转化成离散的数字信号必须经过采样、量化和编码三个步骤。实现A/D转换的第一步是采样，对输入信号进行采样的方法很多，通常的采样方法是利用采样脉冲信号驱动采样保持电路实现对输入信号的采样。最简单的采样保持电路如图9-7（a）所示，图9-7（b）所示为集成采样保持电路LF198的符号和典型连接图。1.采样定理图9-7采样保持电路的原理图和符号在图9-7（a）所示电路中，输入信号vi为模拟信号，采样控制信号vL为方波信号，输出信号vo为采样信号。模拟信号经采样后的采样信号如图9-8所示。图9-8采样信号的波形图9-8所示的采样信号虽然在时间上是离散的，但在空间上还是连续的，为了得到在时间和空间上都是离散的数字信号，必须对图9-7所示的信号进行量化，将各时间段的采样信号量化成某一最小单位Δ的整数倍，然后再将量化后的信号表示成二进制数。将量化后的信号表示成二进制数的过程称为编码。采用四舍五入的方法进行量化的量化电平图如图9-9（b）所示。2.量化和编码图9-9两种量化方法的量化电平图9.3.2直接A/D转换器直接A/D转换器的功能是将输入的模拟电压信号直接转换成二进制代码输出。常用的直接A/D转换器有并联比较型和反馈比较型两种。并联比较型A/D转换器的电路组成如图9-10所示。由图9-10可见，并联比较型A/D转换器电路由电压比较器、D触发器和编码器三部分组成。同理可得，输入电压为其他值时，D触发器所记忆数值的不同组态被编码器编码成不同的数字信号输出，编码器的真值表如表9-1所示。1.并联比较型A/D转换器图9-10并联比较型A/D转换器表9-1并联比较型A/D转换器编码器的真值表并联比较型A/D转换器的优点是转换速度快，存在的问题是电路较复杂，需要用很多的电压比较器和触发器。在转换速度许可的条件下，可以采用反馈比较型A/D转换器。反馈比较型A/D转换器的电路组成如图9-11所示。2.反馈比较型A/D转换器图9-11反馈比较型A/D转换器反馈比较型A/D转换器的电路结构较简单，但转换的速度很慢，当输出为n位二进制代码时，最长的转换时间为2n-1，采用逐次渐近型的A/D转换器可提高转换的速度。逐次渐近型A/D转换器的电路组成如图9-12所示。3.逐次渐近型A/D转换器图9-12逐次渐近型A/D转换器图9-12所示电路采用逐次渐近的方法来选择DAC的输入数字量，可以在较短的时间内找出正确的结果，所以，转换的速度较快。9.3.3间接A/D转换器A/D转换器除了上面介绍的直接A/D转换器外，还有间接A/D转换器。目前，使用较多的间接A/D转换器是电压—频率变换型A/D转换器和双积分型A/D转换器。电压—频率变换型A/D转换器的组成如图9-13所示。由图9-13可见，电压—频率变换型A/D转换器由压控振荡器（VCO）、计数器、寄存器、时钟信号控制门等电路组成。图9-13电压—频率变换型A/D转换器双积分型A/D转换器电路的组成如图9-14所示。由图9-14可见，双积分型A/D转换器电路由积分器、电压比较器、控制逻辑、脉冲源、计数器等电路组成。图9-14双积分型A/D转换器9.4A/D和D/A的使用参数9.4.1A/D和D/A的转换精度9.4.2A/D和D/A的转换速度在使用A/D和D/A时，需要注意的参数主要是转换精度和转换速度。9.4.1A/D和D/A的转换精度A/D和D/A的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。A/D或D/A的分辨率与输出或输入的二进制数位数相关。在输出或输入为n位的A/D或D/A转换器中，能够区分的输出电压或输入电压有2n个不同的状态。1.分辨率在这2n个不同等级的模拟电压中，当输出或输入的数字量只有最低位是1时，所对应的输出或输入的电压值为最小；当输出或输入的数字量各位的数字都是1时，所对应的输出或输入的电压值为最大。在数字电路中用最小电压与最大电压的比值来描述A/D或D/A器件的分辨率。1.分辨率在转换器中，转换误差通常以相对误差的形式给出，它表示转换器实际输出或输入的数字量和理想输出或输入的数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数来表示。A/D