单元7数模和模数转换器

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1、单元导读：理解D/A转换及A/D转换的基本原理和基本电路。学习重点：了解D/A转换及A/D转换的基本原理；D/A转换器及A/D转换器的实际应用。单元7数模和模数转换器数字信号处理系统首先将连续变化的模拟信号转化为一系列离散的电平值。这些电平值随模拟信号变化而发生变化，其形状呈阶梯状，如图所示。7.1数字信号处理基础原始模拟信号(正弦波)及其阶梯状逼近A/D转换器能将模拟信号转换为数字信号的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；它是模拟系统到数字系统的接口电路。D/A转换器能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字

2、电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。7.2A/D转换器并行比较型A/D转换电路，由电阻分压器、电压比较器及编码器组成。分压器用于确定量化电平，比较器用来确定模拟抽样电平的量化并产生数字量输出。编码器对比较器的输出进行编码并输出二进制码。如图7.2所示是三位并行比较型ADC电路框图，图中未画出抽样–保持电路，图中的输入电压ui则为抽样–保持电路的输出电压。7.2.1并行比较型A/D转换器7.2并行比较型A/D转换器根据输入电压ui和比较器的状态，列出比较器输入、输出状态表，如表7.1所示。逐次逼近型A/D转换器的逻辑电路如图7.3所示。它由三位D/A转换器、三位逐次逼近寄存器FFA

3、、FFB、FFC、FF1~FF5(接成环行移位寄存器)、电压比较器及相应的控制逻辑电路组成。一个n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行n次比较，所以，该电路转换速度比并联比较型A/D转换器电路要低，属于中速A/D转换器。不过逐次逼近型电路简单、成本较低、准确度高，易于集成，所以在十六位以下的A/D转换器中运用很多。7.2.2逐次逼近型ADC图7.3逐次逼近型A/D转换器电路双积分型A/D转换器是由积分器A1、检零比较器A2、计数器和定时触发器FFn组成，其中基准电压UREF的极性与输入模拟电压的极性相反，如图7.4所示。实际上，双积分型A/D转换器，能根据输入电压ui的极性，

4、自动改变基准电压UREF的极性，保证取样阶段与比较阶段积分器输出电压极性相反。7.2.3双积分型A/D转换器图7.4双积分A/D转换器原理图7.3数字信号处理器(DSP)DSP(数字信号处理器)本质上是一种专门处理实时数据的微处理器，主要用于处理代表模拟信号的数据。像一般的微处理器一样，DSP有CPU、存储单元以及许多接口功能。DSP应用很广，它是数字信号处理系统的心脏。其输入源自ADC，输出至DAC，如图所示。DSP有一个数字输入，产生一个数字输出D/A转换器的基本原理和转换特性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与

5、数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。7.4D/A转换器基本原理转换特性权电阻网络D/A转换器原理图如图7.6所示。D3D2D1D0是输入的四位二进制数。它们控制着4个电子模拟开关S3S2S1S0。4个电阻20R、21R、22R、23R组成权电阻转换网络；运算放大器完成求和运算；uo是输出模拟电压；UREF是基准电压。开关Si受输入数字信号Di控制，如D2=0，即低电平时，相应的开关S2接通上端，与地连接，此时没有7.4.1权电阻网络D/A转换器电流流入外接的运算放大器中；当D2=1为高电平时，相应开关S2接通下端的触点，电流I2流入外接的运算放大器的虚地点。图7.6权

6、电阻网络D/A转换器原理图由上式可知，运算放大器将流向虚地点的各权电阻电流求和后再转换模拟电压，其运算放大器的输出电压为：根据运算放大器虚地的概念，如果S0~S3都接通下端的触点，则流入运算放大器虚地点的总电流为：图7.7所示为T形电阻网络DAC的电路图。它是一种应用较为广泛的DAC电路，输入量为D0D1D2D3，UREF为参考电压，S0~S3为电子模拟开关，当D3=1时，S3接到UREF；当D3=0时，S3接地。即D3D2D1D0=1000时，在AB端所提供的电压将为(UREF/21)，从AB端向左看进去的内阻都是R。依此类推，当D3D2D1D0=0001、0010和0100时，

7、根据叠加定理将这7.4.2T形电阻网络D/A转换器些电压分量进行叠加，经运算放大器后，输出模拟电压为：由上式看出：模拟电压uO与输入的数字信号成正比，实现了数字量到模拟量的转换。但此电路在动态过程中，输出的模拟电压的瞬时值有可能比稳态值大得多，引起较大的动态误差。图7.7T型电阻网络这个电路的特点是速度比较快，目前在D/A转换器中被广泛采用。7.4.3倒T形电阻网络D/A转换器DAC测试模型如图所示。其基本内容是，输入二进制编码序列并观察输出结果。其中，二进制编码序列