第八章數/模與模/數轉換8.1DAC8.2ADC8.1DAC8.1.1DAC的基本概念1.轉換特性

DAC電路輸入的是n位二進制數字信息B(Bn-1,Bn-2,…B1、B0)，按權展開式為

DAC的任務是將輸入的數字信號轉換成與輸入數字量成正比例的輸出模擬量電流i或者電壓u。

DAC電路輸出的是與輸入數字量成正比例的電壓uo或電流io，即式中K為轉換比例常數。

圖8-2DAC框圖DACBn-1Bn-2…B1B0MSBLSB輸入數字信號B輸出模擬量uOiO或?-=.=.=102niiiBKBK圖8-3當n=3時，DAC轉換電路的輸出與輸入轉換特性2.分辨率分辨率

n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,當n=10時，DAC分辨率=;當n=11時，DAC分辨率。電路所能分辨的最小輸出電壓增量與滿刻度輸出電壓之比。

3.精度

(1)非線性誤差；

(2)比例系數誤差；

(3)漂移誤差；

4.轉換時間

也稱建立時間，是從輸入數字信號時開始，到輸出電壓或者電流達到穩定狀態時所需要的時間。8.1.2DAC的電路形式及工作原理1.權電阻圖8–4權電阻DAC電路當輸入二進制數碼中某一位Bi=1時，開關Si接至基準電壓UR，相應的電阻Ri支路上產生電流當Bi=0時，開關Si接地，電流ii=0。根據疊加原理，總的輸出電流為因此電流表達式應為通過集成運算放大器，輸出電壓為將代入則得例如，UR=8V,輸入八位二進制數碼為11001011，則輸出電壓為。

2.倒T型網絡DAC圖8–5R-2R倒T型網絡DAC電路運算放大器的輸出電壓為若Rf=R,并將I=UR/R代入上式，則有8.1.3集成DAC圖8-7AD7520引腳圖

D0-D9為10個數碼控制位，控制內部CMOS的電流開關。

IO1和IO2為電流輸出端。

Rf為反饋電阻Rf的一個引出端，另一個引出端和IO1端連接在一起。

UREF為基準電壓輸入端。

+UDD端接電源的正端。

GND端為接地端。1IO1IO2GNDD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9RfUREF+UDDAD752023456789101112131415168.2ADC8.2.1ADC的組成1.ADC的兩個組成部分及其作用圖8-8ADC的組成部分(1)采樣保持電路。

采樣開關S的控制信號CPs的頻率fs必須滿足公式fs≥2fimax(fimax為輸入電壓頻譜中的最高頻率)，這樣就能將采樣保持后的不失真地恢復成輸入電壓uI(t)。該公式稱為采樣定理。圖8–9采樣保持前后的波形舉例CPsT采樣保持TsuI(t)uI(t)uI(t)uI(t)`tt保持保持保持采樣采樣采樣采樣(2)量化編碼電路。采樣保持電路的輸出信號無法與n位有限的2n個數字量輸出X相對應。因此必須將采樣后的值只限于在某些規定個數的離散的電平上，凡介于兩個離散電平之間的采樣值，就要用某種方式整理歸并到這兩個離散電平之一上,這個過程稱為“量化”。將量化后的有限個整量值用n位一組的某種數字代碼對應的過程稱作“編碼”。2.量化方式和量化誤差

(1)只舍不入法。當輸入uI在某兩個相鄰的量化值之間，即(k為整數)

(2)四舍五入法。當uI的尾數不足時，用舍尾取整法得其量化值；當uI的尾數等于或大于時，則入整。圖8–11兩種量化方法的比較8.2.2ADC電路1.雙積分ADC雙積分ADC又稱雙斜率ADC，它先將模擬電壓uI轉換成與之大小對應的時間T，再在時間間隔T內用計數器對固定頻率計數，計數器所計的數字量就正比于輸入模擬電壓。圖8–12雙積分A/D電路原理圖圖8–13雙積分ADC工作波形

(1)采樣階段：在啟動脈沖作用下，將全部觸發器置0，開關S與輸入信號uI連接,積分器對uI進行積分，輸出為。

τ為積分時間常數由于uA＜0，過零比較器輸出UC=1，G門打開，n位二進制計數器從0開始計數，一直到時，觸發器又全部回到0，Qn=1，開關S轉接至基準電源-UR，采樣階段結束。此時

(2)比較階段：開關S轉接至基準電源-UR后，積分器對-UR進行積分，積分器輸出當uA≥0時，過零比較器輸出UC=0，G門被封鎖，計數器停止計數。假設此時計數器已記錄了N個脈沖，則代入上式得求得2.逐次逼近式ADC圖8–14四位逐次逼近型A/D轉換器原理框圖假設：D/A轉換器的基準電壓UR=8V，采樣保持信號電壓uI=6.25V。首先，在脈沖CP0作用下，JK觸發器的狀態置為QDQCQBQA=1000，則D/A轉換器輸出參考電壓,所以。由于，比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級觸發器的J=1，K=0。接著，節拍脈沖CP1到來，其下跳沿觸發JK觸發器D，使QD=1，同時CP1使觸發器C置1。這樣，JK觸發器的狀態變為QDQCQBQA=1100。D/A轉換器輸出參考電壓 。由于，

比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級觸發器的J=1,K=0。CP1作用結束后，CP2節拍脈沖到來，其下跳沿觸發JK觸發器C，使QC=1。同時CP2使觸發器B置1。這樣，在CP2作用后，JK觸發器的狀態為QDQCQBQA=1110。D/A轉換器輸出參考電。由于，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級觸發器的J=0，K=1。CP2作用結束后，CP3節拍脈沖到來，其下跳沿觸發JK觸發器B，使QB=0。同時CP3使觸發器A置1。這樣，在CP3作用下，JK觸發器的狀態為QDQCQBQA=1101。D/A轉換器輸出參考電壓

。由于，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級觸發器的J=0，K=1。

CP3作用結束后，CP4節拍脈沖到來，其下跳沿觸發JK觸發器A，使QA=0，JK觸發器的狀態為QDQCQBQA=1100。CP4節拍脈沖的上升沿觸發暫存器各D觸發器，將JK觸發器狀態1100存入到暫存器中。暫存器的輸出D3D2D1D0=1100，即為輸入模擬電壓uI=6.25V的二進制代碼。暫存器輸出的是并行二進制代碼。同時從上面分析中可見，比較器F端順序輸出的恰好是1100串行輸出的二進制代碼。3.并行比較型電路圖8-16三位二進制數的并行比較型ADC電路

8.2.3ADC的主要技術指標1.分辨率分辨率指ADC對輸入模擬信號的分辨能力。在最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，分辨率愈高。一個n位ADC的分辨率為滿量程的1/2n。例如，ADC輸出為八位二進制數，輸入信號最大值為5V，其分辨率為分辨率2.轉換誤差轉換誤差表示ADC實際輸出的數字量和理論