模／数转换器与数／模转换器

第十四章模／数转换器和数／模转换器第一节A/D转换器第二节D/A转换器小结习题十四返回总目录*第一节A／D转换器A／D转换(模拟／数字转换)和D／A转换(数字／模拟转换)是现代数字化设备中不可缺少的部分，它是数字电路和模拟电路的中间接口电路。典型的数字控制系统框图一、A／D转换的基本原理A／D转换器：是一种将输入的模拟量转换为数字量的转换器，简称ADC。要将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过四个步骤：采样、保持、量化和编码。前两步由取样保持电路完成，量化和编码由A／D转换电路来完成。1采样与保持（1）采样：就是将模拟信号按一定时间间隔抽取样值的过程。其过程的实质：将连续变化的模拟信号变成一连串等距不等幅的脉冲。模拟信号的取样过程（2）保持：信号的取样过程往往是非常短暂的，为了使后续电路能很好的对取样结果进行处理，通常要将结果存储起来，直到下次取样，这个过程称作保持。取样-保持电路图取样-保持电路波形图2量化和编码量化：用数字量表示模拟量时，需要先将取样电平归一化为与之接近的基准值，这个过程称为量化。编码：把量化的数值用二进制数码来表示称作编码。把变化范围在0～7V间的模拟电压转换为3位二进制代码的数字信号量化与编码方法示意图1）概念：取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。2）相关量：量化级越细，量化误差就越小，但是，所用的二进制代码的位数就越多，电路也将越复杂。量化误差。二、并行比较型A/D转换电路1电路组成3位并行比较型A/D转换电路由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成。电阻分压器用以确定量化电压，电压比较器(C1～C7)用来确定取样电压的量化，编码器对比较器的输出进行编码，然后输出二进制代码Q2Q1Q0。电路组成及各部分作用：2工作原理参考电压UREF经过电阻分压器分压，形成七个比较电平：（7／8）UREF、（6／8）UREF、…、（1／8）UREF。它们分别接到电压比较器C7～C1的反相输入端。当输入电压ui大于比较器的某一比较电平时，该比较器输出高电平1，反之则输出低电平0。当输入的模拟电压ui在0～UREF之间变化时，并行A/D转换电路将按不同的值转换出对应的3位二进制代码，从而实现了A／D间信号的转换。三、逐位比较型A/D转换电路简介1转换原理逐位比较型A/D电路的转换原理与天平称物的原理十分相似。用已知砝码重量逐次与未知物重进行比较，使天平上累加砝码的总重量逐次逼近被称物重的方法也称为逐次逼近法。逐次逼近法2电路框图与工作原理逐位比较型A/D转换电路框图由控制电路、数码寄存器、D／A转换器及电压比较器C等四部分电路组成。（1）电路组成3位A/D转换为例（2）工作过程首先，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uf，送入比较器C与取样电压ui比较。若uiuf，则将最高位的1保留；反之就清除，使最高位为0。接着控制器将次高位置1，再经D/A转换器变为相应电压uf，送到比较器C与取样电压ui再比较，同样方法来决定该位为1还是为0。最后比较到最低位为止。这样，数码寄存器中保存的数码就是A/D转换后的数码了。返回*第二节D／A转换器D／A转换器：是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路,简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）。数字量:是用按数位组合起来的二进制代码表示的，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表每位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。D/A转换器的基本组成：电阻译码网络、模拟开关、基准电源和求和运算放大器。一、D/A转换的基本原理1.D/A转换的示意图将输入的二进制数字量转换成相应的模拟电压，经运算放大器C的缓冲，输出模拟电压uo。2.D/A转换器作用：二、权电阻D/A转换器4位二进制权电阻D/A转换电路原理图1.权电阻为译码网络，S0～S3为模拟开关，C为运算放大器，UREF为基准电源。2.电阻网络的各电阻的值呈二进制权的关系，并与输入二进制数字量对应的位权成比例关系。3.D3、D2、D1和D0分别控制模拟电子开关S3、S2、S1和S0的工作状态。当Di为“1”时，开关Si接通参考电压UREF，反之当Di为“0”时，开关Si接地。电路说明：若运算放大器的反馈电阻则：对于n位的权电阻D／A转换器，其输出电压为优点：电路结构简单，适用于各种权码；主要缺点：构成网络电阻的阻值范围较宽，品种较多。在集成电路中很少采用这种D/A转换器。4.权电阻网络D／A转换器的优缺点：三、倒T型D/A转换器4位R—2R倒T型D/A转换器当Di为“1”时，开关Si接通右边，相应的支路电流流入运算放大器；当Di为“0”时，开关Si接通左边，相应的支路电流流入地。1.电路组成由倒T型电阻网络、模拟开关和运算放大器组成倒T型电阻网络由R、2R两种阻值的电阻构成。因为虚短，分别从A、B、C、D向右看的二端网络等效电阻都是2R其中：假设所有开关都接右边用Di＝1表示开关接通右边推广到n位若Rf＝R，因为if=i，所以运算放大器的输出为模拟开关不论处于何位置，流过各支路2R的电流总是接近于恒定值。由于该D/A转换器只采用R和2R两种电阻，故在集成芯片中应用非常广泛，是目前D/A转换器中速度最快的一种。2.倒T型D/A转换器的特点是：小结A/D转换器和D/A转换器是计算机参与自动控制系统的重要部件。掌握其基本原理，可为今后应用打下一个良好的基础。A/D转换按工作原理主要分为并行比较型A/D、逐位比较型A/D等。不同的转换方式具有各自的特点，在要求速度高的情况下，可采用并行比较型A/D；在要求精度较高的情况下，可采用逐位比较型A/D。D/A转换器按工作原理可分为权电阻网络D/A和倒T型电阻网络D/A。由于倒T型电阻网络转换电路只要求两种阻值的电阻，因此在集成D/A转换器中得到广泛的应用。返回习题十四14-1试说明在A/D转换过程中产生量化误差的原因及减小量化误差的方法。14-2试述逐位比较型A/D转换器的工作原理。14-3若一理想的三位A/D满刻度模拟输入为10V，当输入为7V时，求此A/D采用二进制编码时的数字输出量。14-4若一理想6位D/A具有10V的满刻度模拟输出，当输入为二进制码100100时，此D/A的模拟输出为多少？14-5在图14-9电路中，当UREF＝10V，Rf＝R时，若输入数字量D3＝0、D2＝1、D1＝1、D0＝0，问各模拟开关的位置和输出uo为多少？返回