教学材料《电路模型》-第十三章

13.1D/A转换器数／模转换器（简称D/A转换器或DAC）是能将数字量转换为与该数字量成正比的模拟电压的设备。目前常见的数／模转换器有：权电阻网络DAC、倒梯形电阻网络DAC、权电流型DAC以及开关树型DAC等。13.1.1数模转换器基本概念1．DAC的基本概念把数字量转换为模拟量的过程称为数模转换过程，完成这种转换的电路称为数／模转换器（DigitaltoAnalogConverter）。DAC输入的是离散的数字量，输出的则是与输入数字量成正比且连续变化的模拟信号（电压或电流）。数字量总是用下-页

返回13.1D/A转换器

代码按数位组合起来表示的。对于有权码，每位代码都有一定的位权。

2．DAC的分类按解码网络结构的不同，DAC可分为工形电阻网络、倒T形电阻网络、权电阻网络DAC等。按模拟电子开关电路的不同，DAC又可分为CMOS开关型和双极型开关型。13.1.2DAC的功能如图13-1所示，DAC的n位数字输入量，以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中；数码寄存器输出的各位二进制代码分别控制对应各位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的信号（电压或电流量），上-页

下-页

返回13.1D/A转换器

再由求和放大电路将各位权值所对应的电压（或电流）量相加，即可输出与输入数字量成正比的模拟量。

13.1.3DAC的转换特性DAC的输出模拟量和输入数字量之间的转换关系称为它的转换特性。有权码的转换方式为：首先将每位代码按其权的大小转换成相应的电压（或电流）量；然后求和，得到与数字量成正比的总模拟量，此输出模拟量与输入数字量成正比。由图13-1可知，DAC电路的功能就是将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量输出。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。上-页

下-页

返回13.1D/A转换器13.1.4DAC的主要技术指标

1．分辨率

DAC的分辨率是指其模拟输出所能产生的最小电压ULSB变化量与满刻度输出电压UFSR之比。对于一个n位的DAC来说，最小输出电压（或电流）的变化量，指的是对应输入数字量的最低位为1，而其他位均为0时的输出电压（或电流）；满刻度输出电压（或电流）指的是对应输入的数字量各位全为1时，其最大输出电压（或电流），即上-页

下-页

返回13.1D/A转换器位数越多，分辨率的数值就越小，电路的分辨能力越高。因此，实用中有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。

2．绝对精度和非线性度DAC的绝对精度（或绝对误差）是指输入端为给定数字量时，其输出的实际值与理论值之差。

3．建立时间从DAC输入数字量开始，到输出电压（或电流）稳定至最终输出量±uLSB所需的时间，称为DAC建立时间。由于数字量的变化越大，建立时间就越长，因此一般产品说明中给出的都是输入从全0跳变为全1（或从全1跳变到全0）时的建立时间。上-页

下-页

返回13.1D/A转换器13.1.5数模转换器的基本工作原理1．数模转换原理DAC的组成如图13-2所示。其中寄存器用来暂时存放数字量D。寄存器的输入可以采用并行输入或是串行输入，但输出只能是并行输出。通常输入寄存器的数字量D都是存放的数字码。n位寄存器的输出分别控制n个模拟开关的接通或断开。电阻译码电路是一个加权求和电路。通过它可以把输入数字量的各位1按权变成相应的电流，再通过运算放大器转换成模拟电压u0。上-页

下-页

返回13.1D/A转换器2．权电阻D/A转换器图13-3所示为一个4位权电阻D/A转换器的电路图。它包括4部分：参考电压、电子开关、权电阻求和网络及运算放大器。电路有一个以二进制数码表示的4位数字量D=D3D2D1D0。这4位二进制代码分别控制电子开关S3、S2、S1、S0。模拟量输出的大小直接与输入二进制数的大小成正比，其中UREF称为参考电压。由于这里电阻的数值是按二进制不同的位权值进行分配的，所以叫权电阻求和网络。权电阻DAC的各位数字量同时转换，因而转换速度快，这种转换叫并行数模转换。这种转换器的位数越多，需要的权上-页

下-页

返回13.1D/A转换器

电阻越多，而且各个电阻的阻值差也越大，如有10位，则最小的电阻R=10kQ、最大的电阻29R=5.12MQ，如果想制成集成电路非常困难。上-页

返回13.2A/D转换器13.2.1ADC的基本概念和转换原理1．ADC的基本概念ADC是将模拟信号（电压或电流）转换为数字量的电路，广泛应用于计算机实时控制系统中。利用计算机及时搜集检测数据，按最佳值对控制对象进行自动调节或自动控制。例如，锅炉温度计算机实时控制系统，通过控制蒸汽流人锅炉的速度使锅炉的水保持一定的温度。用一个测温器测定锅炉的水温，通过ADC将所测温度的信号转换为数字信号，送到计算机中，和预定温度值比较，产生误差信号。计算机实时控制系统主要由传感器、计算机、执行机构及模／数转换器和数／模转换器构成。下-页

返回13.2A/D转换器ADC转换电路的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，这就要求在模／数转换过程中，先在一系列选定的瞬间对输入模拟量采样后再转换为输出的数字量，通过采样、保持、量化和编码4个步骤完成。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的

2．ADC的转换原理1)采样保持电路所谓采样就是采集现场模拟信号的样本。采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。上-页

下-页

返回上-页

下-页

返回13.2A/D转换器采样过程通过模拟电子开关S来实现。模拟电子开关S每隔一定的时间间隔（周期T）闭合一次，当一个连续的模拟信号通过这个电子开关，就会被转换成若干个离散的脉冲信号。采样保持电路如图13-4所示。

2)采样定理由图13-4可见，为了能够基本上真实地保留原始模拟信号的信息，要求采样信号必须有足够高的频率。可以证明，为了保证能从采样信号把原来的被采样信号恢复，必须满足上-页

下-页

返回13.2A/D转换器上式就是采样定理的基本表达式，即为保证采样信号最大不失真地保留被转换的输入模拟量，采样电路的频率必须至少为输入模拟量中最高频率的2倍。采样定理是采样电路的基本法则。

3．量化编码电路量化的概念就是数字信号不仅在时间上是离散的，在数值上的变化也是离散的。因此，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在A/D转换过程中，必须把采样后离散的模拟输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，离散电平为该最小数量单位的整数倍，这一转化过程称为数值量化，简称量化。上-页

下-页

返回13.2A/D转换器量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二进制代码表示。

13.2.2ADC工作原理ADC的种类繁多，按其工作原理不同可分为直接ADC和间接ADC两类。在直接ADC中，逐次比较型ADC是目前应用最广泛的一种。逐次逼近转换过程与用天平称重物非常相似。天平称重过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。上-页

下-页

返回13.2A/D转换器n位逐次比较型ADC框图如图13-6所示。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移位寄存器、ADC及电压比较器组成。n位逐次比较型ADC的工作原理为：电路脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路使移位寄存器的最高位置为1，其他位置为0，其输出经数据寄存器将1000...0，送人DAC。输入电压首先与DAC输出电压1/2UDEF，相比较，若u1≥1/2UDEF比较器输出为1；若u1<1/2UDEF

，则比较器输出为0。比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置为1，其他低位置为0。上-页

下-页

返回13.2A/D转换器13.2.3ADC的主要技术参数

1．分辨率ADC的分辨率是指输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。

2．转换误差

ADC的转换误差表示实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。上-页

下-页

返回13.2A/D转换器3．转换速度完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，