文档介绍：9 数模与模数转换器
分辨率、转换精度、转换速度和温度系数是衡量A/D和D/A转换器的重要技术指标。
引言
在数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及下,在现代控制、通信及检测领域中,为了提高系统的性能,广泛采用了数字计算机技术。
但系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析处理后输出的数字量,也往往需要将其转换成相应的模拟信号才能被执行机构所接受。
这就需要一种能在模拟和数字信号间起桥梁作用的电路-模数转换器和数模转换器。
能将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称A/D转换器);将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器)
指导思想:数字量是用代码按数位组合起来表示的,对于有权码,每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量,必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的总模拟量,从而实现数字-模拟的转换。
D/A转换器
n位D/A转换器的方框图如下图表示:
D/A转换器按解码网络结构不同分为T形电阻网络、倒T形电阻网络D/A转换器、权电流D/A转换器及权电阻网络D/A转换器等。按模拟电子开关电路的不同,D/A转换器又可分为CMOS开关型和双极型开关D/A转换器。双极型开关D/A转换器又分为电流开关型和ECL电流开关型两种。在速度要求不高的情况可选用CMOS开关型D/A转换器。若速度要求较高,应选用双极型或ECL电流开关型D/A转换器。
D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。
分类:
;;,然后送入求和电路;。
转换过程:
图中S0~S3为模拟开关,R-2R电阻解码网络呈倒T形,运算放大器A组成求和电路。模拟开关Si由输入码Di控制,当Di=1时,Si接运算放大器的反相端,电流Ii流入求和电路;当Di=0时,Si将使电阻2R接地。
倒T形电阻网络D/A转换器
以4位D/A转换器为例说明其工作原理:
根据运算放大器线性运用时虚地可知,无论模拟开关Si处于什么位置,与Si相连的2R电阻均将“接地”(地或虚地0),因此,流经2R电阻的电流与开关位置无关,是恒定值。
分析电阻网络可知,从每个节点向左看的二端网络等效电阻均为R,流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。设基准电源提供的总电流为I(I=VREF/R),则流过各开关支路(从右到左)的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。
于是可得到总电流:
输出电压:
若将式中用K表示,中括号内的n位二进制数用NB表示,则上式可改写为:
上式表明,对于电路图中输入每一个二进制数NB,均能在其输出端得到与之成正比的模拟电压VO。
通过以上分析,要使倒T型D/A转换器具有较高的精度,对电路中的参数有以下要求:
;
;
。
倒T形电阻网络D/A转换器的缺点:电路中存在模拟开关电压降,当流过各支路的电流稍有变化时,就会产生误差,为进一步提高D/A转换器的精度,可采用权电流型D/A转换器。
权电流型D/A转换器
4位权电流D/A转换器原理图如图表示:
电路中,用一组恒流源代替了原来倒T形电阻网络。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为: I/2、I/4、I/8、I/16
采用了恒流源电路后,各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响,这就降低了对开关电路的要求,提高了转换精度。
在图中,当输入数字量的某一位代码Di=1时,开关Si接运算放大器的反相端,相应权电流流入求和电路;当Di=0时,开关Si接地。分析改电路,可得到:
实际的权电流D/A转换器电路见P437,采用具有电流反馈的BJT恒流源电路。
A/D转换器
为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号,A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中,这些过程有的是合并进行的,例如,取样和保持,量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。
A/D转换的一般工作过程
取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。图中,传输门受取样信号S(t)控制,在S(t)的脉宽τ期间,传输门导通,输出