数模（DA）及模数（AD）转换.ppt

第六章 数/模(D/A)及模/数(A/D)转换 6.1 概 述 6.2 数/模转换器 6.3 模/数转换器 6.4 集成D/A和A/D转换器 本章小节 6.1 概 述 数字系统已广泛地应用于我们生活的各种领域，如现代的各种测量系统、工农业生产过程的控制、交通管理、商业部门的管理、原子反应堆的控制、导航、飞行稳定性的控制以及军事指挥系统等。 数字系统只能对输入的数字信号进行处理，其输出亦为数字量。而我们在实际中碰到的各种变量如压力、温度、速度、流量，天线转轴的转角、仰角等等，大都是连续变化的模拟量。要实现数字系统对各种自然物理量的检测、运算和控制，在工程上可以通过传感器、换能器将这些连续变化的物理量变成与之相应的电压、电流或频率等电模拟量，再通过模拟量与数字量之间的相互转换，即把模拟量转换为数字量，以适应数字系统的工作，数字系统输出的数字量亦需要转换为模拟量才便于运用。 我们把模拟量转换为数字量的过程称为模拟—数字转换，把完成这种转换的装置称为模拟—数字转换器(Analog to Digital Converter)，简称为模／数转换器或ADC。 把数字量转换为模拟量的过程称为数字—模拟转换，把完成这种转换的装置称为数字—模拟转换器(Digital to Analog Converter)，简称为数／模转换器或DAC。 ADC及DAC在控制系统中的作用如图6.1所示 6.2 数/模转换器 6.2.1 数/模转换的基本原理 6.2.2 常用的数/模转换 6.2.1 数/模转换的基本原理 图6.2所示为DAC原理框图，D表示送入DAC的数字信息，参考量(基准量)用R表示，输出的模拟信息(电压或电流)，用A表示。其传递函数为: A=RD 图6.3所示是输入为三位二进制码的DAC的转换特性。 输入数字信息的最高位(MSB)前面有一符号位，符号位为l表示负值，为0表示正值。 三位数字信号对应的模拟量输出有23-1=7个不同的阶梯等级，n位则有(2n-1)个阶梯等级。 数字信息位数确定以后，每个阶梯等级所具有的实际模拟量数值由参考量R确定。 还可以看出，当满量程确定之后，输入数字信息的位数愈多，输出模拟量的阶梯间隔愈小，我们就说转换器的分辨力愈高。 通常数字信号不超过十六位，则最高分辨力不超过输出满度值的(216-1)分之一。如有一个DAC，其满度输出为10伏，当输入二进制数字为十六位时，对应于最低位(LSB)的电压为10V/216-1=152微伏，通常即称其分辨力为152微伏。 DAC的精度主要与变换器中所用元件精度及稳定性、电路中的噪声及漏电等因素有关。精度是关于实际输出量与理论输出量接近到什么程度的一个量度。例如，在某公特定输入下的理论输出电压值应当是10伏，对于精度为±1％的转换器来说，其实际输出电压可能是9.9与10.1伏之间的某个值。 转换器的分辨力和精度应协调一致。也就是说，对于一个高分辨力的转换器必须有较高的精度；同样，对于高精度的转换器，其分辨力也应做得较高。 6.2.2 常用的数/模转换 一、权电阻D／A转换器 图6.4的电路是最简单的数模转换器电路，它用了一个具有加权电阻网络的加法器，n个双向模拟开关Sn-1～S0受输入数字信号(Dn-1、Dn-2、…、D1、D0)的控制，由于各电阻按2的倍数逐次加权，因而产生二进制加权的电流，运算放大器把各个电流相加，并转变为电压。该电路的特点是：当电阻的比值不理想时，会产生误差，需要宽范围的电阻值，不适用于集成电路制造技术。 根据图6.4我们不难得出： 例 6.1 在图6.4所示电路中，若VREF=-10V，RF=R/2，试求输入八位二进制数D的输出模拟电压值。 解：因为D所以只有D7位为1，其余各位均为0，又RF=R/2，则有： 二、R-2R梯形网络的D/A转换器 R-2R梯形网络如图6.5所示。这种网络仅需二种规格电阻(R、2R)，避免了宽范围的电阻问题，特别适用于用集成电路来实现，一般R是在几kΩ至10kΩ之间。从最高位到最低位，每一位在输出中占的比例是逐位减半，它的优点是电阻比率简单。 同样，根据图6.5可得: 大多数新的集成电路设计用的是倒置R-2R梯形网络，如图6.6所示。这种倒置R-2R网络在性能和制造上有几个特点： (1)电阻梯形网络本身总是运行在相同偏压下，而开关只是将电流转向地或通过放大器的虚地转向输出(不产生寄生性电容充放电)，这样就实现了高速。 (2)开关上只有一个很小的恒定电压降，简化了电路设计，工作稳定，不会发热。 (3)只要两种数值的电阻，便于集成。 根据图6.6我们可求得其输出电压为: 6.3 模/数转换