第9章 数模和模数转换数字电路.ppt

东北大学信息学院 数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其结果为数字量。然而，自然界中绝大多数的物理量都是连续变化的模拟量。例如温度、速度、压力等。这些模拟量经传感器转换后所产生的电信号也是模拟信号。若要数字装置或计算机对这些信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。 9.1 数/模转换器（DAC） DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制数。如图为D/A转换框图。由于输入数字量的位数是有限的，所以输出的模拟量也是有限的。例如三位DAC只能有八个，相应模拟量输出的大小也只有八个不同值。 DAC输出的模拟量与输入的数字量成正比。若比例系数为1，则4位DAC输入二进制数可以是0000～1111，输出模拟量的大小相应为0～15。DAC的输出有电流和电压之分。以电流输出为例。4位二进制数的展开式： A=a3×23+a2×22+a1×21+a0×20 在比例系数为1的前提下，输出电流的表达式为： Iout=a3×23I0+a2×22I0+a1×21I0+a0×20I0 为达到此目的，可采用图示原理图。图中开关Si受数字量中第i位数控制，当ai=1时，Si闭合，而ai=0时，Si断开。电流源的值与二进制数的权值相同。这样，A=0001时，Iout=I0；A=0011时，Iout=3I0……。 理想运算放大器： A=∞; Ri=∞; A=UO/Ud Ud=UO/A=0 Id= Ud/ Ri=0 U+=Id×Rb =0 UO/UI=(－Rf)/ R1 n位权电阻DAC有： 9.1.2 R-2R倒T型电阻网络DAC 如图9-2所示,这个电路有两个特点： ⒈无论数字量是0或1，开关S均相当于接地，因此Si无论是接地或接虚地端，流入每个2R支路的电流都是不变的。 ⒉由A、B、C、D各节点向下和向右看的两条支路的等效电阻都是2R，节点到地的等效电阻则为2R‖2R=R。所以每条支路的电流都是流入节点电流的一半。 例9-1已知倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=10V，试分别求出四位和八位DAC的最小（只有数字信号最低位为1）输出电压VOmin。 解：四位DAC的最小输出电压为： 例9-2已知倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=10V，试分别求出四位和八位DAC的最大（各位数字信号都为1）输出电压VOmax。 解：四位DAC的最大输出电压为： 例9-3已知倒T型电阻网络DAC的RF=2R，VREF=10V，试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压VOmin。 解：四位DAC的最小输出电压为： 　三、 DAC的主要技术指标 ⒈分辨率：DAC所能分辨的最小输出电压与满刻度输出电压之比。 最小输出电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压；最大输出电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。分辨率= 1/（2n－1） 。 例如，10位DAC的分辨率为：1/（2n－1）=1/1023≈0.001 如DAC的转换误差等于1/2LSB，表示输出电压的绝对误差为最低有效位（LSB）为1时输出电压的一半。 DAC产生误差的主要原因有：参考电压VREF的波动、运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差等。 分辨率和转换误差共同决定了DAC的精度。要想DAC的精度高，不仅要选位数高的DAC，还要选用稳定度高的基准电压源和低漂移的运算放大器与其配合。 ⒊建立时间 建立时间是指数字信号由全1变全0或由全0变全1时，模拟信号电压或电流达到稳态值所需要的时间。建立时间短说明DAC的转换速度快。 　四. 集成DAC DAC电路都做成集成电路供使用者选择。按DAC输出方式分为电流输出DAC和电压输出DAC。DAC的芯片型号繁多，常用的有并行输入的DAC0832、串行输入的AD7543等，下面介绍DAC0832。 DAC内包含两个数字寄存器：输入寄存器和DAC寄存器，故称为双缓冲方式。两个寄存器可以同时保存两组数据，可以先将八位输入数据保存到输入寄存器中，当需要转换时，再将此数据由输入寄存器送到DAC寄存器中锁存并进行D/A转换输出。 采用双缓冲方式的优点：⑴可以防止输入数据更新期间模拟量输出出现不稳定的情况；⑵可以在模拟量输出的同时将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中，从而提高了转换精度；⑶可以同时更新多个D/A转换的输出，为有多个D/A转换器件的系统、多处理系统中的D/A器件协调一致地工作带来了方便。 用电压方式工作时，参考电压接到一个电流输出端（二进制原码接IO1端，反码接IO2端），输出电压从原来的VREF端得到，如图9-4(b)所示。为了减小输出电阻，增加驱动能力，通常用运算放大器作缓冲。 ⒉DAC0832