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第7章数-模转换与模-数转换
数模转换器(DAC)
模数转换器(ADC)
基本概念
将模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换(Analog to Digital),或A/D转换。能够完成这种转换的电路称为模数转换器(Analog Digital Converter),简称ADC。
将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换(Digital to Analog),或D/A转换。能够完成这种转换的电路称为数模转换器(Digital Analog Converter),简称DAC。
随着集成电路技术的发展,现在单片集成的ADC和DAC芯片已有数百种,可以满足不同应用场合的需求。
许多连续变化的物理量,例如:温度、速度、压力、位移等都是非电量。对这类信号进行处理时,需要首先利用传感器将其转换为连续变化的模拟电信号,然后再实现与数字信号之间的转换。
数模转换器(DAC)
D/A转换原理
在D/A转换过程中,输入的数字信号是二进制编码。通过转换,将该编码按每位权的大小换算成相应的模拟量,然后将代表各位数字的模拟量相加,得到的和就是与输入的数字信号成正比的模拟量。
以电路输出电压量为例,DAC的输出电压与输入数字信号D之间的关系为:
【】已知8位二进制DAC,当输入数字量时,电路输出模拟电压为。若输入数字量时,电路输出模拟电压是多少?
解由于DAC输出的模拟量与输入的数字信号成正比,且, 。所以:
得
常见DAC电路
(weighted resistance DAC)
这里以四位权电阻网络DAC为例进行介绍。主要包括四部分:参考电压源、模拟开关~ 、电阻译码网络、求和放大器。
设在该电路输入端输入一个四位二进制码, ~是受控制的双向模拟开关。流入求和放大器输入端的电流为:
取求和放大器反馈电阻,则该电路输出电压为:
电路输出电压与输入四位二进制代码D成正比,
依次类推,n位权电阻网络DAC的求和放大器输入端电流、输出电压表达式分别为:
比例系数
由此可知,输入n位二进制代码的取值范围为: 到
,相应输出电压的取值范围为:0到。
该电路的优点是电路结构简单,使用电阻数量较少;各位数码同时转换,速度较快。缺点是电阻译码网络中电阻种类较多、取值相差较大,随着输入信号位数的增多,电阻网络中电阻取值的差距加大;在相当宽的范围内保证电阻取值的精度较困难,对电路的集成化不利。该电路比较适用于输入信号位数较低的场合。
(T type DAC)
T型电阻网络DAC与权电阻网络DAC的主要区别是电阻网络不同。其电阻网络中仅有阻值为R和2R的两种电阻,克服了电阻取值分散的缺点。
该电路的结构特点是从任一节点向左或向右看,其等效电阻均为2R;从任一开关到地的等效电阻均为3R。
当输入数码时,参考电压在该支路产生的电流为,且该电流在流向求和放大器输入端的过程中,每经过一个节点,电流就被分成相等的两部分。
当输入四位二进制代码时,模拟开关接,其余开关均接地。流经开关的支路电为,该电流在流向求和放大器输入端的过程中,需经过A、B、C、D四个节点。如上所述,最终流向求和放大器的电流为。
当时,参考上面的分析可知,最终流向求和放大器的电流分别为: 、
当时,根据叠加原理,流入求和放大器输入端的电流为:
由于S3~S0受控制,根据输入二进制代码的不同,上式可表示为
设,输出电压为
n位T型电阻网络DAC的求和放大器输入端电流、输出电压表达式分别为