模擬電路與數(shù)字電路 第2版 林捷 楊緒業(yè) 郭小娟 第10章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器新

1、第10章 數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 10.1概述10.2 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器 10.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）10.4A/D和D/A的使用參數(shù)10.1 概述 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前廣泛采用數(shù)字電路來(lái)處理模擬信號(hào)的問(wèn)題。 用數(shù)字電路來(lái)處理模擬信號(hào)的關(guān)鍵器件是：將模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）和將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）。 10.2 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，輸出信號(hào)為模擬信號(hào)。 最簡(jiǎn)單的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其電路如圖10-1所示

2、。 圖10-1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 采用雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)可以解決這個(gè)問(wèn)題，雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路如圖10-2所示。 根據(jù)疊加定理可證明該電路的輸出電壓與輸入信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系式滿足式（10-2）。 圖10-2雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差很大的缺點(diǎn)而研制的，其電路組成如圖10-3所示。 圖10-3倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 由圖10-3可見(jiàn)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部只有R和2R兩種阻值的電阻，有效地解決了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差很大的缺點(diǎn)。 在圖10-3中，因運(yùn)算放大器的v+

3、輸入端為“虛地”端，所以，不管電子開(kāi)關(guān)是否接地，與電子開(kāi)關(guān)相連的電阻一端總是接地，由此可得計(jì)算受電子開(kāi)關(guān)控制的各支路電流大小的等效電路如圖10-4所示。圖10-4計(jì)算各支路電流的等效電路 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中的電流源可由模擬電路中所介紹的電流源電路組成。 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖10-5所示。 利用D/A轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器可以組成階梯波信號(hào)發(fā)生器，典型的階梯波信號(hào)發(fā)生器電路如圖10-6（a）所示。 在圖10-6（a）中的CB7520芯片是D/A轉(zhuǎn)換器，該集成電路可將輸入的十位二進(jìn)制數(shù)代碼轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。 圖10-5權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器圖10-6典型的階梯波信號(hào)發(fā)生器電路 在圖10-

4、6（a）所示電路中，若參考電壓VREF，在CP信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，電路的輸出波形如圖10-6（b）所示，利用式（10-2）可標(biāo)出輸出階梯波的信號(hào)幅度。 D/A轉(zhuǎn)換器還有權(quán)電容型和開(kāi)關(guān)樹(shù)型等形式，它們的工作原理與上述介紹的D/A轉(zhuǎn)換器大致相同，這里不再贅述。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）轉(zhuǎn)換器的基本組成 直接A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的基本組成 A/D轉(zhuǎn)換器可以將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。 模擬信號(hào)的變化在時(shí)間和空間上均是連續(xù)的，而數(shù)字信號(hào)的變化在時(shí)間和空間上均是離散的，要將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)過(guò)采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。 實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的第一步是采樣，對(duì)輸入信

5、號(hào)進(jìn)行采樣的方法很多，通常的采樣方法是利用采樣脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)采樣保持電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的采樣。 最簡(jiǎn)單的采樣保持電路如圖10-7（a）所示，圖10-7（b）所示為集成采樣保持電路LF198的符號(hào)和典型連接圖。 1. 采樣定理圖10-7采樣保持電路的原理圖和符號(hào) 在圖10-7（a）所示電路中，輸入信號(hào)vi為模擬信號(hào)，采樣控制信號(hào)vL為方波信號(hào)，輸出信號(hào)vo為采樣信號(hào)。 模擬信號(hào)經(jīng)采樣后的采樣信號(hào)如圖10-8所示 。圖10-8采樣信號(hào)的波形 圖10-8所示的采樣信號(hào)雖然在時(shí)間上是離散的，但在空間上還是連續(xù)的，為了得到在時(shí)間和空間上都是離散的數(shù)字信號(hào)，必須對(duì)圖10-7所示的信號(hào)進(jìn)行量化，將各時(shí)間段的采

6、樣信號(hào)量化成某一最小單位的整數(shù)倍，然后再將量化后的信號(hào)表示成二進(jìn)制數(shù)。 將量化后的信號(hào)表示成二進(jìn)制數(shù)的過(guò)程稱(chēng)為編碼。 采用四舍五入的方法進(jìn)行量化的量化電平圖如圖10-9（b）所示。 2. 量化和編碼圖10-9兩種量化方法的量化電平圖直接A/D轉(zhuǎn)換器 直接A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼輸出。 常用的直接A/D轉(zhuǎn)換器有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩種。 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路組成如圖10-10所示。 由圖10-10可見(jiàn)，并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路由電壓比較器、D觸發(fā)器和編碼器三部分組成。 同理可得，輸入電壓為其他值時(shí)，D觸發(fā)器所記憶數(shù)值的不同組態(tài)被編碼器編碼成不同的數(shù)

7、字信號(hào)輸出，編碼器的真值表如表10-1所示。 1. 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖10-10并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器表10-1 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器編碼器的真值表 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，存在的問(wèn)題是電路較復(fù)雜，需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器。 在轉(zhuǎn)換速度許可的條件下，可以采用反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器。 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路組成如圖10-11所示。 2. 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖10-11反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換的速度很慢，當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制代碼時(shí)，最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2n-1，采用逐次漸近型的A/D轉(zhuǎn)換器可提高轉(zhuǎn)換的速度。 逐次漸近

8、型A/D轉(zhuǎn)換器的電路組成如圖10-12所示。 3. 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器圖10-12逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器 圖10-12所示電路采用逐次漸近的方法來(lái)選擇DAC的輸入數(shù)字量，可以在較短的時(shí)間內(nèi)找出正確的結(jié)果，所以，轉(zhuǎn)換的速度較快。 間接A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器 除了上面介紹的直接A/D轉(zhuǎn)換器外，還有間接A/D轉(zhuǎn)換器。目前，使用較多的間接A/D轉(zhuǎn)換器是電壓頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器和雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。電壓頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器的組成如圖10-13所示。 由圖10-13可見(jiàn)，電壓頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器由壓控振蕩器（VCO）、計(jì)數(shù)器、寄存器、時(shí)鐘信號(hào)控制門(mén)等電路組成。 圖10-13電壓頻率變換型A/

9、D轉(zhuǎn)換器 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路的組成如圖10-14所示。 由圖10-14可見(jiàn)，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路由積分器、電壓比較器、控制邏輯、脈沖源、計(jì)數(shù)器等電路組成。圖10-14雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和D/A的使用參數(shù)和D/A的轉(zhuǎn)換精度 和D/A的轉(zhuǎn)換速度 在使用A/D和D/A時(shí)，需要注意的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。 和D/A的轉(zhuǎn)換精度 A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。 A/D或 D/A的分辨率與輸出或輸入的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)相關(guān)。 在輸出或輸入為n位的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器中，能夠區(qū)分的輸出電壓或輸入電壓有2n個(gè)不同的狀態(tài)。1. 分辨率 在這2n個(gè)不同等級(jí)的模擬電壓中，當(dāng)輸出或輸入的數(shù)字量只有最低位是1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出或輸入的電壓值為最小；當(dāng)輸出或輸入的數(shù)字量各位的數(shù)字都是1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出或輸入的電壓值為最大。 在數(shù)字電路中用最小電壓與最大電壓的比值來(lái)描述A/D或D/A器件的分辨率。 1. 分辨率 在轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換誤差通常以相對(duì)誤差的形式給出，它表示轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出或輸入的數(shù)字量和理想輸出或輸入的數(shù)字量之間的差別，并用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示。 A/D或D/A的轉(zhuǎn)換誤差與電路的工作環(huán)境等許多因素有關(guān)，其中關(guān)系最密切的兩個(gè)因素是外界參考電壓的穩(wěn)定性和器件溫度的