第9章模数与数模转换电路课题第9章模数与数模转换电路理论课时4实验课时4 教学目的1•掌握模数与数模转换原理；2•掌握模数与数模转换电路的应用。
重点与重点：模数与数模转换原理；难点难点：模数与数模转换电路的应用。
教学方法讲授法、演示法：多媒体课件讲授、配合板书。
教学内容1•模数转换器（ADC）;2•数模转换器（DAC）。
课后作业习题九一、二、三、四9.1 概述9.2 数模转换器（DAC）一•作用D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成电压或电流形式的模拟量输出。
二•电路组成如图9-1所示图9-1 D/A转换器的一般结构三.应用图9-2就是按这种方法实现的D/A转换器，实际上，这是一个加权加法运算电路。
图中电阻网络与二进制数的各位权相对应，权越大对应的电阻值越小，故称为权电阻网络。
图中VR为稳恒直流电压，是 D/A转换电路的参考电压。
n路电子开关S i由n位二进制数D的每能够把模拟量转变为数字量的器件叫模拟-数字转换器（简称 A/D转换器）。
能够把数字量转变为模拟量的器件叫数字-模拟转换器（简称 D/A转换器）。
参考电压］/一位数码Di 来控制，Di =O 时开关S i 将该路电阻接通“地端” ，Di =1时S i 将该路电阻接通 参考电压 VR 集成运算放大器作为求和权电阻网络的缓冲，主要是为了减少输出模拟信号 负载变化的影响，并将电流输出转换为电压输出。
图9-2中，因A 点“虚地”，V A=O,各支路电流分别为-- 岗0-9-2 权电阻网络D/A 转换器In -1+ In -2+ …+ I 0= If 以上各式联立得，U o咯 V R(Dn 1 2n 1D n 2 2n 2 D o 20)R从上式可见，输出模拟电压u O 的大小与输入二进制数的大小成正比，实现了数字量到模拟量的转换。
权电阻网络D/A 转换器电路简单，但该电路在实现上有明显缺点，各电阻的阻值相差较大， 尤其当输入的数字信号的位数较多时，阻值相差更大。
这样大范围的阻值， 要保证每个都有很高的精度是极其困难的，不利于集成电路的制造。
为了克服这一缺点， D/A 转换器广泛采用T 型和倒T 型电阻网络 D/A 转换器。
I n I nD n I V RRn 1D n 2V RDn 12nV RI fRi 2Dn 22nRV RD O V RD o 20又因放大器输入端“虚断” ，所以，图9-2 权电阻网络D/A 转换器U o R f921 T 型网络DAC •电路组成如图9-3所示。
2.当D1单独作用时，T型电阻网络如图9-5( a)所示，其d点左下电路的戴维兰等效如图9-5( b)所示。
同理，D2单独作用时d点左下电路的戴维兰等效电源如图9-5( C)所示；D3单独作用时d点左下电路的戴维兰等效电源如图9-5 d)所示。
故DI、D2、D3单独作用时转换器的输出分别为u O( 1) =D1VR8u O( 2) =D2VR4u O( 3) =D3VR2图9-3 T型电阻网络4位D/A转换器的原理图:■，工作原理1.当D0单独作用时, T型电阻网络如图9-4a)所示。
把a点左下等效成戴维兰电源，如图9-4 b)所示；然后依次把b点、c点、d点它们的左下电路等效成戴维兰电源时分别如图9-4 c )、d)、e)所示。
由于电压跟随器的输入电阻很大，远远大于R,所以，D0单独作用时d点电位几乎就是戴维兰电源的开路电压D0VR16，此时转换器的输出u O( 0)=D0VR16>D Tl& r ti r rt图9-5 D1,D2,D3 单独作用时T型电阻网络的戴维南等效电路利用叠加原理可得到转换器的总输出为u O=u O (0)+u O( 1)+u O (2)+u O (3)=D0V R D I V R D2V R D3V R16 8 4 2=当X( D O X 2°+D1 X 21+0 22+如 23)24图9-4 DO单独作用时T型电阻网络的戴维南等效电路3.结论可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
推广到n位，D/A转换器的输出为u O=V^^(D° 2° D i 21Dn 12n 1) 2nT型电阻网络由于只用了R和2R两种阻值的电阻，其精度易于提高，也便于制造集成电路。
但也存在以下缺点：在工作过程中，T型网络相当于一根传输线，从电阻开始到运放输入端建立起稳定的电流电压为止需要一定的传输时间，当输入数字信号位数较多时，将会影响D/A转换器的工作速度。
另外，电阻网络作为转换器参考电压VR的负载电阻将会随二进制数D的不同有所波动，参考电压的稳定性可能因此受到影响。
所以实际中，常用下面的倒T型D/A转换器。
9.2.2 倒T型网络DAC电路组成如图9-6所示。
图9-6倒T型电阻网络 D/A转换器1.工作原理由于P点接地、N点虚地，所以不论数码D0、DI、D2、D3是0还是1,电子开关SO、S1、S2、S3都相当于接地，因此，图中各支路电流10、11、I2、I 3和I R大小不会因二进制数的不同而改变。
并且，从任一节点a、b、c、d向左上看的等效电阻都等于R,所以流出VR的总电流为I R=VR R，而流入各2R支路的电流依次为13=1 R /212=1 3 /2= I R /4II= |2 /2= I R /8|0=| 1 /2= I R /16流入运算放大器反相端的电流为I out1=D0X I0+D1 X I 1+D2X I2+D3X I 30 12 3=(D0 X 2 +D1X 2 +D2X 2 +D B X 2 ) X I R /16运算放大器的输出电压为0 12 3u O=-I out1 Rf= ( D0X 2 +D1 X 2 +D2X 2 +D3X 2 ) X I R Rf /16若R f=R,并将IR=VR R代入上式，则有u O=-¥ X( D)X 2°+D1X 21+D2X22+时 23)24可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
推广到n位，D/A转换器的输出为u O=- (D0 20 D1 21D n 1 2n 1)2n倒T型电阻网络也只用了R和2R两种阻值的电阻，但和 T型电阻网络相比较，由于各支路电流始终存在且恒定不变，所以各支路电流到运放的反相输入端不存在传输时间，因此具有较高的转换速度。
9.2.3 DAC中的电子开关各种D/A转换器中使用的电子开关大都是由晶体管或场效应管开关组成的。
图9-7绘出了场效应管组成的电子开关单元电路。
图中，T1、T2、T3构成输入级，T4、T5构成的CMOS反相器与T6、T9构成的CMO反相器互为倒相，两个反相器的输出分别控制着T8和T9的栅极，T8、T9的漏极同时接电阻网络中的一个电阻，例如T型电阻网络中的 2R,而源极分别接电流输出端I out1和I out2 。
当输入端Di 为低电平时，T4、T5构成的CMO 阪相器输出低电平，T6、T9构成的CMOS 反相器输出高电平，结果使 T8导通、T9截止，T8将电流Ii 引向I out2。
当输入端Di 为高图9-7 CMOS 电子开关单元电路注意，为了保证 D/A 转换的精度，电子开关的导通电阻应计入相应支路的阻值中。
9.2.4 DAC 的主要技术指标1 •满量程满量程是输入数字量全为1时再在最低位加1时的模拟量输出。
满量程电压用uFs 表示；满量程电流用IFs 表示。
2 •分辨率字量的位数。
3 •转换精度转换精度是实际输出值与理论计算值之差。
这种差值越小，转换精度越高。
转换过程中存在各种误差， 包括静态误差和温度误差。
静态误差主要由以下几种误差构 成：⑴非线性误差。
D/A 转换器每相邻数码对应的模拟量之差应该都是相同的，即理想转 换特性应为直线。
如图 9-8实线所示，实际转换时特性可能如图 9-8( a )中虚线所示，我们把在满量程范围内偏离转换特性的最大误差叫非线性误差， 它与最大量程的比值称为非线性度。
⑵漂移误差，又叫零位误差。
它是由运算放大器零点漂移产生的误差。
当输入数字量为0时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并不为 0。
这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移，如图 9-8( b )中的虚线所示。
零位误差将以相同的偏移量影响所 有的码。
分辨率=1 2n式中△ u 表示输入数字量最低有效位变化 1时，对应输出可分辨的电压;n 表示输入数电平时，则T8截止、T9导通，T9将电流Ii 引向l outl 。
⑶比例系数误差，又叫增益误差。
它是转换特性的斜率误差。
一般地，由于V R 是D/A转换器的比例系数，所以，比例系数误差一般是由参考电压 V R 的偏离而引起的。
比例系数误差如图9-8( c )中的虚线所示，它将以相同的百分数影响所有的码。
温度误差通常是指上述各静态误差随温度的变化。
4. 建立时间从数字信号输入 DAC 起,到输出电流(或电压)达到稳态值所需的时间为建立时间。
建 立时间的大小决定了转换速度。
除上述各参数外，在使用D/A 转换器时还应注意它的输出电压特性。
由于输出电压事实上是一串离散的瞬时信号， 要恢复信号原来的时域连续波形， 还必须采用保持电路对离散输出进行波形复原。
此外还应注意D/A 的工作电压、输出方式、输出范围和逻辑电平等等。
9.3 模数转换器(ADC)9.3.1 模数转换的一般步骤A/D 转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程须通过取样、保持、量化和编码四个 步骤完成。
1 •采样和保持采样(也称取样)是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号， 即将时间上连 续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量，其过程如图输岀电压输出电JE输出电压图 9-8 D/A 转换器的各种静态误差Q 善位俱差小比例系數俣蚕图9-9 A/D 转换的采样过程图9-9所示。
图中ui (t )为输入模拟信号，S (t )为采样脉冲，u ' Qt )为取样输出信号。
2. 量化和编码 (1) 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。
(2)量化后，需用二进制数码来表示各个量化电平，这个过程称为编码。
量化与编码电路是 A/D 转换器的核心组成部分。
9.3.2 并行比较型ADC并行A/D 转换器是一种直接型 A/D 转换器，图9-11所示为三位的并行比较型 A/D 转换器的原理图。
图9-11三位并行比较型 A/D 转换器的原理图它由电压比较器，寄存器和编码器三部分构成。
图中电阻分压器把参考电压 V R 分压，得到七个量化电平 (丄V R 〜13V R),这七个量化电平分别作为七个电压比较器C9〜C 1的比16 16■耽样开关TJnuLlMULlHULlHTrnTrnuhnHTrnl 艮KfIR Tl R V K R R % R R K讷 d w £v]2v]zvl 2v]2讷 2V11 1316LL le916716516316116C07I c— D c ^C05D c.血E rere— D J COGr —E cC011 DC一T16I3 21忧先騙码辭较基准。