第十五章数模和模数转换器

第十五章数模和模数转换器第一页，共二十二页，2022年，8月28日

T型电阻DAC15.1数模转换器（DAC）

1．电路组成

S0~S3：4个电子模拟开关，分别受输入的数字信号

D0~D3

控制。

当Di=0时，开关Si切换到接地端；当Di=1时，开关接向基准电压VREF。第二页，共二十二页，2022年，8月28日

2．工作原理

（1）特点

②

从任一模拟开关Si到接地端或虚地

端的等效电阻为3R。如图（b）所示。

①从任一节点向左或向右到接地或虚地端的等效电阻相等，其大小为2R。15.1数模转换器（DAC）第三页，共二十二页，2022年，8月28日

（2）基本原理

①

n位二进制数每1位的权。一个n位二进制数可表示为，D=dn-1dn-2…d1d0,其最高有效位MSB到最低位有效位LSB的权位依次为2n-1，2n-2，…，21，20。

②每1位按权的大小转换成相应的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，必须将二进制的每1位按权的大小转换成相应的模拟量。

③将代表各位的模拟量再相加，这样就可以得到与该数字量成正比的模拟量。15.1数模转换器（DAC）第四页，共二十二页，2022年，8月28日

（3）计算

模拟开关Si是接向基准电压VREF，还是接向地端，受到输D3D2D1D0入的二进制数码控制。

i

的一般表达式为：

15.1数模转换器（DAC）第五页，共二十二页，2022年，8月28日

输出电压vo为

输出模拟电压vo与输入数字量成正比，比例系数为-

VREF/2n。

对于n位T型网络DAC，可推广为15.1数模转换器（DAC）第六页，共二十二页，2022年，8月28日

[例15-1]

有一个5位T型电阻DAC，VREF=10

V，Rf=3R，D4D3D2D1D0=11010，试求出输出电压vO=？

解 由上述公式可得15.1数模转换器（DAC）第七页，共二十二页，2022年，8月28日15.1.2 倒T型电阻DAC

1．电路组成15.1数模转换器（DAC）第八页，共二十二页，2022年，8月28日2．工作原理基准电压VREF流出的电流I为

输出电压为vO：

输入数码为任意值时，i

的一般表达式为：

15.1数模转换器（DAC）第九页，共二十二页，2022年，8月28日 模数转换的基本原理

采样：就是对连续变化的模拟信号定时进行测量，抽取样值。通过采样，一个在时间上连续变化的模拟信号就转换为随时间断续变化的脉冲信号。1．采样和保持15.2 模数转换器（ADC）

第十页，共二十二页，2022年，8月28日（2）采样过程

图（a）为一个受控的模拟开关，构成采样器。vS到来时，V导通，vO=vI

采样器在采样脉冲的控制下,把输入的模拟信号变换为脉冲信号，如图（b）所示。

15.2模数转换器（ADC）第十一页，共二十二页，2022年，8月28日15.2模数转换器（ADC）（3）采样—保持电路

为了便于量化和编码，需要将每次采样取得的样值暂存，保持不变，直到下一个采样脉冲的到来。这就要接一个保持电路。第十二页，共二十二页，2022年，8月28日2．量化和编码15.2模数转换器（ADC）第十三页，共二十二页，2022年，8月28日

量化误差：采样后得到的样值不可能刚好是某个量化基准值，总会有一定的误差，这个误差称为量化误差。

量化：就是把采样电压转换为以某个最小单位电压的整数倍的过程。分成的等级称为量化级，称为量化单位。编码：就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。15.2模数转换器（ADC）第十四页，共二十二页，2022年，8月28日15.2.2 并行比较型ADC1．电路组成

由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成。

电阻分压器：确定量化电压。

编码器：对比较器的输出进行编码，然后输出二进制代码

电压比较器：用来确定采样电压的量化。15.2模数转换器（ADC）第十五页，共二十二页，2022年，8月28日2．工作原理15.2模数转换器（ADC）第十六页，共二十二页，2022年，8月28日

①提供参考电压 由8个大小相等的电阻串联构成电阻分压器，产生不同数值的参考电压，形成共7种量化电平。

②进行电压比较，输出数字量。 7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端，模拟输入电压vI加在比较器的同相输入端。当vI大于或等于量化电平时，比较器输出为1，否则输出为0，电压比较器用来完成对采样电压的量化。

③编码

比较器的输出送到优先编码器进行编码，得到3位二进制代码D2D1D0。15.2模数转换器（ADC）第十七页，共二十二页，2022年，8月28日15.2.3 逐位比较型ADC1．转换原理

逐位比较型A/D转换器的转换原理与天平称物的过程十分相似。

假设天平有10g、5g、2.5g、1.25g和0.625g五种砝码，欲称一质量为15.76g的物体，用天平称的过程是将砝码从大到小依次加入并与物重逐次比较：

比较结果为物重<砝码重的和，去掉加入的这个砝码，记作0。

比较结果为物重>砝码重的和，保留加入的这个砝码，记作1。15.2模数转换器（ADC）第十八页，共二十二页，2022年，8月28日

这样，将所有的砝码比较一遍后，得到了用二进制代码表示的物体质量

11001

。

所称的物体的质量为（10+5+0.625）g=15.625g，与物体实际质量15.76g相差0.135g。

砝码越多，用二进制表示物体质量的位数越多，误差就越小。

这种用已知砝码质量逐次与未知物体质量进行比较，使天平上砝码的总质量逐次逼近被称物体质量的方法，叫逐位比较法。

15.2模数转换器（ADC）第十九页，共二十二页，2022年，8月28日2．电路框图与工作原理15.2模数转换器（ADC）第二十页，共二十二页，2022年，8月28日15.2模数转换器（ADC）

（1）控制电路使数码寄存器的输出为100，经D/A转换器变为相应的电压，送入比较器C与采样电压比较。若vI>vF，则将最高位的1保留，反之就清除，使最高位为0。

（3）一直比较到最低位为止。这样，数码寄存器中的数码就是A/D转换后的数码。

（2）接着控制器将次高位置1，再经D/A