第节一章DA和A心转换电踡 数字系统的特点:输入、输出都是数字量。 自然界所存在的物理量大多数是模拟量,如温度、湿度、 压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量, 所以要把模拟量先转换为数字量(A/①),然后送入数字系统中 去处理。数字系统把处理的结果以数字量的形式送出,经过数 模/A)转换电路再将数字信号转换为模拟信号送到控制执行 元件,执行元件按照控制程序要求精确控制受控对象。 放大=AD=微处理器=显示 工业电炉 ROM 4KX8 可控硅DA台 知键盘
数字系统的特点：输入、输出都是数字量。 自然界所存在的物理量大多数是模拟量，如温度、湿度、 压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量， 所以要把模拟量先转换为数字量（A/D)，然后送入数字系统中 去处理。数字系统把处理的结果以数字量的形式送出，经过数 模（D/A)转换电路再将数字信号转换为模拟信号送到控制执行 元件，执行元件按照控制程序要求精确控制受控对象。 工 业 电 炉 放大 A/D 微处理器 ROM 4KX8 显示 可控硅 D/A 键盘
为了保证数据处理的准确性,AD转换器和DA转换器必 须达到一定的转换精度。同时,为了适应快速过程的检测和控 制,AD转换器和DA转换器必须有足够快的转换速度 在目前常见的DA转换器中,有权电阻网络D/A转换器,梯 形电阻网络、倒梯形电阻网络D八A转换器。AD转换器的类型也 很多,可以分为直接AD转换器和间接AD转换器两大类。 直接AD转换器:输入的模拟信号直接被转换成相应的数 字信号。 间接AD转换器:是将输入的模拟信号先转换成某个中 间变量(如时间T、频率F等),然后再将中间变量转换为最 后的数字量。 考虑到DA转换器的工作原理比较简单,而有些AD转换 器需要用到DA转换器作为内部反馈电路,所以首先讨论D/A 转换器工作原理,再介绍AD转换器
为了保证数据处理的准确性，A/D转换器和D/A转换器必 须达到一定的转换精度。同时，为了适应快速过程的检测和控 制，A/D转换器和D/A转换器必须有足够快的转换速度。 在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，梯 形电阻网络、倒梯形电阻网络D/A转换器。A/D转换器的类型也 很多，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。 直接A/D转换器：输入的模拟信号直接被转换成相应的数 字信号。 间接A/D转换器：是将输入的模拟信号先转换成某个中 间变量（如时间T、频率F等），然后再将中间变量转换为最 后的数字量。 考虑到D/A转换器的工作原理比较简单，而有些A/D转换 器需要用到D/A转换器作为内部反馈电路，所以首先讨论D/A 转换器工作原理，再介绍A/D转换器
第一节D/A转换票 DA转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号, 以电压(或电流)的形式输出。因此,DA转换器可以看作 是一个译码器。一般常用的线性DA转换器,其输出的模拟 电压V和数字量D成正比关系。V=KD,K为常数。 基本原理 ()=k∑D2位权值 i=0 输入是D1 0≤D≤1 1位二 DIA i=(0,,2,3…n-1) 进制数 k:转换比例系数 输出模拟电压(或模拟电流)与输入数字量成正比关系。 假设:转换比例系数K=1,输入数字量n=3 输出模拟电压(或模拟电流)为:vo(io)=D2+D2+D2
D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号， 以电压（或电流）的形式输出。因此，D/A转换器可以看作 是一个译码器。一般常用的线性D/A转换器，其输出的模拟 电压V和数字量D成正比关系。V=KD,K为常数。 一、基本原理 输入是 n位二 进制数 D/A i n i O O Di v (i ) k 2 1 0 − = = D0 D1 Dn-1 k:转换比例系数 输出模拟电压（或模拟电流）与输入数字量成正比关系。 假设：转换比例系数K=1,输入数字量n=3 0 0 1 1 2 2 v (i ) D 2 D 2 D 2 输出模拟电压（或模拟电流）为： O O = + + i = (0,1,2,3n −1) 0 ≦ Di ≦ 1 位权值
DA输入、输出转换特性为: ()=D22+D2+D20 6 5 D2 d, Do Vo/v 3 0000 0011 000001010011100101110111000 D 10 D/A转换特性 001111 11 从转换特性表中看出: 00 ★每一个二进制代码的数字信号,通过 01 234567 位数(位权值)的计算,都可以对应一个相 0 应的十进制数。 ★相邻两个数字信号转换出来的数值 是不连续的,说明转换电路存在转换误差。 这个误差也就是D/A转换电路所能分解的最 小量,通常称为量化级
D2 D1 D0 VO/V 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2 0 1 1 3 1 0 0 4 1 0 1 5 1 1 0 6 1 1 1 7 0 0 1 1 2 2 v (i ) D 2 D 2 D 2 O O = + + 从转换特性表中看出： ★每一个二进制代码的数字信号，通过 位数（位权值）的计算，都可以对应一个相 应的十进制数。 ★相邻两个数字信号转换出来的数值 是不连续的，说明转换电路存在转换误差。 这个误差也就是D/A转换电路所能分解的最 小量，通常称为量化级。 D/A转换特性 7 6 5 4 3 2 1 000 001 010 011 100 101 110 111 000 VO/V D
最小量化级(转换误差)和输入二进制位数有关。 转换误差=×满值艳入数字信号全时的输出 n=3 7=875mp n 7=437m n=10 210×7=6.8mV n=12 7V=1.7m 2 12 输入数字信号的位数越多,输出的模拟信号越接近 连续模拟信号,转换的精度也就越高
转换误差＝ n 满值 2 1 7V 875mV 2 1 3 = n = 3 n = 4 7V 437mV 2 1 4 = n = 10 7V 6.8mV 2 1 10 = n = 12 7V 1.7mV 2 1 12 = 输入数字信号的位数越多，输出的模拟信号越接近 连续模拟信号，转换的精度也就越高。 （输入数字信号全1时的输出 最大模拟电压）
、DA转换电路 1、权电阻DA转换器 电路构成:(以4位D/A为例) 女权电阻网络:是一个加权求和电路,通硎22下7 过它可以把输入数字量D中的各位1按位 权变化为相应的电流,再经过运放求和 最终得到与D成正比的模拟电压o 位权电阻分别为:20R、21R、22R、23R D3 D2 D, Do ☆基准电压:Vε通过模拟开关,按权关系加到电阻解码网络。 ☆模拟电子开关S: 模拟开关受二进制数码Di的控制。D3D2DD控制相应的模拟 电子开关S3S2SS0 Di:lsi=V REF Di=o. si=GND ☆求和放大器:由运放构成的反向放大器组成。作为求和权电阻网络 的缓冲器,使输出模拟电压v不受负载变化的影响。并且可以通过 改变反馈电阻R的大小来调节转换比例系数。 回阿回同回回回同同回回啊仆
D3 D2 D1 D0 VREF S3 S2 S1 S0 2 2 0R 2 1R 2 2R 3R RF + - + ★ 电路构成：（以4位D/A为例） ☆模拟电子开关S： D i =1, S i = VREF D i = 0, S i = GND ☆权电阻网络：是一个加权求和电路，通 过它可以把输入数字量D中的各位1按位 权变化为相应的电流，再经过运放求和， 最终得到与D成正比的模拟电压VO。 位权电阻分别为：2 0R、2 1R、2 2R、2 3R ☆基准电压：VREF通过模拟开关，按权关系加到电阻解码网络。 ☆求和放大器:由运放构成的反向放大器组成。作为求和权电阻网络 的缓冲器，使输出模拟电压VO不受负载变化的影响。并且可以通过 改变反馈电阻Rf的大小来调节转换比例系数。 模拟开关受二进制数码 D i 的控制。D3D2D1D0控制相应的模拟 电子开关S3S2S1S0
定量分析(输出模拟电压和输入数字信号之间的关系) D3D2D1D=1000时: REF S3接EF,其余接地0R 2R|2R2R23R D3D2DD0=0100时:VBE S2接VE其余接地2=2Rw= D3D2DD=0010时 p⑨9 s1接vE其余接地=2R P3D2D1D0= B: VREF i=3+I2+I+Io S接VE,其余接地23R D,+ 20R D3+n d2 2R 22R23R D3D2DD0=1111付: D3D2D1D全部接vREF Vg(23+D21+D2+D2) 23R 根据叠加原理求和放 ∑D22=(0123) 大器总输入电流为: 回阿阿回同回同阿回回同同同呵≯會
D 3 D 2 D 1 D 0=1000时： S 3 接 VREF ,其余接地 I 3 I 2 I 1 I 0 R V I REF 3 0 2 = D 3 D 2 D 1 D 0=0100时： S 2 接 VREF ,其余接地 R V I REF 2 1 2 = D 3 D 2 D 1 D 0=0010 时 ： S 1 接 VREF ,其余接地 R V I REF 1 2 2 = R V I REF 0 3 2 = D 3 D 2 D 1 D 0=0001时： S 0 接 VREF ,其余接地 D 3 D 2 D 1 D 0=1111时： D 3 D 2 D 1 D 0全部接 VREF 根据叠加原理求和放 大器总输入电流为： 3 2 1 0 i = I + I + I + I 0 3 1 2 2 1 3 0 2 2 2 2 D R V D R V D R V D R VREF REF REF REF = + + + ( 2 2 2 2 ) 2 0 0 1 1 2 2 3 3 D3 D D D R VREF = + + + i i i REF D R V 2 2 3 0 3 = = i i = ( 0 , 1 , 2 , 3 ) 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 D3 D2 D1 D0 VREF S 3 S 2 S 1 S 0 2 2 0 R 2 1 R 2 2 R 3 R RF + -+
对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为: REF 2-R ∑D 求和放大器输出电压为 R iR REF f ∑ D.2 2R 输出模拟电压Vo的大小与输入的 进制数码的数值大小成正比,∑D2 2R f v reF D2 同时还与量化级有关。VE R 2 2 ★输入二进制数码位数越多,量化级越小,D/A输出电压越 接近模拟电压。 例1:设4位DA转换器输入二进制数码D3D2D1D0=1101,基 准电压VREF=8VR=R/2,求输出电压vo 2RLVREESD25-Ix R 2 3×(1×23+1×22+0×2+1×2 65 回同呵呵呵呵呵阿呵回阿回阿呵回呵呵阿阿回阿阿回阿阿回阿阿呵呵 4≯會
对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为： i n i n i REF D R V i 2 2 1 0 1 − = − = 求和放大器输出电压为： i n i n i REF f o f D R V R v iR 2 2 1 0 1 − = − = − = − i n i n i f REF D V R R 2 2 2 1 0 − = =－ 输出模拟电压VO的大小与输入的 二进制数码的数值大小成正比， i n i Di 2 1 0 − = ★ 输入二进制数码位数越多，量化级越小，D/A输出电压越 接近模拟电压。 同时还与量化级有关。 n VREF 2 例1：设4位D/A转换器输入二进制数码D3D2D1D0=1101,基 准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。 i n i n i f REF o D V R R v 2 2 2 1 0 − = = − (1 2 1 2 0 2 1 2 ) 2 8 1 3 2 1 0 4 + + + − =－ = 6.5V
权电阻DA转换器优点 D3 D2 D, Do Vo 电路结构简单,使用电阻数目少,n位有n0000 个电。g 0 0 010.51 杈电 0 0 0 0111.5 电阻 0 00 如果 1Q 0 012.5 在1(4 且的精 0 03 0 351 度是 例22 10004 乃为 0 014.5 0001 2求 0 05 输出0 111 0 15.51 2R 006 f y reF R 2 ∑D 016.5 7 (8D3+4D2+2D1+1D0) 1117.5
电路结构简单，使用电阻数目少，n位有n 个电阻。 电阻取值范围大。 如果n=8,取R=10KΩ,那么2 7R=1.28MΩ 在10KΩ~1.28MΩ宽范围内要保证电阻的精 度是十分困难的。 例2：设4位D/A转换器输入二进制数码为 0000~1111,基准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求 输出电压VO。并画出输出VO波形。 D3 D2 D1 D0 VO 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0.5 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1.5 0 1 0 0 2 0 1 0 1 2.5 0 1 1 0 3 0 1 1 1 3.5 1 0 0 0 4 1 0 0 1 4.5 1 0 1 0 5 1 0 1 1 5.5 1 1 0 0 6 1 1 0 1 6.5 1 1 1 0 7 1 1 1 1 7.5 i n i n i f REF o D V R R v 2 2 2 1 0 − = = − (8 4 2 1 ) 16 8 D3 + D2 + D1 + D0 − =－ t 6 7 4 1 3 2 5 VO 0
2、R2RT型电阻网络DA转换器 R2RT型电阻网络特点: ★T型网络中只有两种 0__1g2R3 >○O 电阻R、2R 2RII 2RII 2RI 2R2R ★从任何一个接点向 左、右、下看进去的等var 效电阻均为2R。 2R2R D 1/2R/2 开关支路接 点流进的电流等7=E 分为二,从左 3R REF 右支路流出
★ T型网络中只有两种 电阻R、2R ★ 从任何一个接点向 左、右、下看进去的等 效电阻均为2R。 0 1 2 3 开关支路接 点流进的电流等 分为二，从左、 右支路流出。 R V I REF 3 = I I / 2 I / 2 S0 S1 S2 S3 D0 D1 D2 D3 + + - R 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R VREF RF VREF 2R 2R 2R