《电子技术基础与技能》第十二章 数模转换和模数转换.pptVIP

第十二章 数模转换和模数转换 数/模转换和模/数转换的基本概念 1 数/模转换器DAC 2 模/数转换器ADC 3 任务一 数/模转换和模/数转换的基 本概念 我们把模拟信号转换成数字信号，称为模/数转换（或称为A/D转换）；把数字信号转换成模拟信号，称为数/模转换（或称为D/A转换）。 相应地，把实现A/D转换的电路称为A/D转换器ADC；实现D/A转换的电路称为D/A转换器DAC。 图12-1所示的框图为典型的计算机信号处理系统。如图所示，连续变化的非电模拟量（如温度、压力、速度等）通过传感器变换成模拟电信号，然后送入ADC转换成数字电信号，经过数字计算机的处理，以数字电信号的形式输出，再由DAC转换成模拟电信号，驱动执行机构完成预定的工作目标。 任务二 数/模转换器DAC 活动一 T型电阻DAC 活动二 倒T型电阻DAC 活动一 T型电阻DAC 一、电路组成 电路如图12-2所示。这是一个四位T型电阻DAC。 T型网络是由R和2R两种规格的电阻构成的。S0~S3为4个电子模拟开关，它们分别受输入的数字信号D0~D3的控制。当Di=0（低电平）时，开关Si切换到接地端；当Di=1 （高电平）时，开关Si接向基准电压VREF。 图12-2（a）所示电路的右端是反相运算放大器A。根据反相运算放大器的特点，虚地的电位近似为0，以下分析中可视为接地端。 二、工作原理 T型电阻网络有如下两大特点： (1) 从任一节点（例如D端）向左或向右到接地端或虚地端的等效电阻相等，其大小为2R。 (2) 从任一模拟开关Si到接地端或虚地端的等效电阻为3R（虚地与地可视为同一端），如图12-2（b）所示。 例如，当D3D2D1D0=0001时，只有模拟开关S0接向VREF，而其他开关均接到地端。因为开关S0到地端的等效电阻是3R，所以S0支路的电流应为VREF/3R。在流向运放A的过程中，将经过A，B，C，D共4个节点，每经过一个节点，电流值就均分一次，流入运放A的电流I0为 若D3D2D1D0=0010，即只有S1接向基准电压VREF，其余均接到地端，则仅有S1支路有电流，且大小为VREF/3R。它在流向运放A的途中，将经过B，C，D共3个节点。同样，此电流每经过一个节点，就均分一次。所以此时在运放器A的输入端产生的电流I1应为 同理可知，当D3D2D1D0=0100及D3D2D1D0=1000时，流入运放A的电流I2，I3分别为： 如果D3D2D1D0=1111，那么运放A输入的总电流IΣ为上述各电流的叠加： 由运放电路工作原理可知，IΣ将全部流入RF，所以输出电压UO为 对于n位T型网络DAC，则上式推广为 【例12-1】有一个五位T型电阻DAC，VREF =10V，RF=3R，D4D3D2D1D0=11010，试求输出电压UO。 活动二 倒T型电阻DAC 一、电路组成 四位倒T型电阻DAC如图12-3所示。 二、工作原理 因为倒T型DAC任一节点对地的等效电阻为R，所以从基准电压VREF流出的电流I为 当输入数码D3D2D1D0=1111时，流入反相器虚地Σ端的电流IΣ为 若输入数码为任意值时，IΣ的一般表达式为 运算放大器的输出电压UO为 任务三 模/数转换器ADC 活动一 模/数转换的基本原理 活动二 并行比较器 活动一 模/数转换的基本原理 模/数转换器ADC的功能是把模拟信号转换成数字信号。通常要通过采样、保持、量化、编码4个步骤来完成，它的转换过程如图12-4所示。 一、采样和保持 采样就是对连续变化的模拟信号定时进行测量，抽取样值。 采样过程如图12-5所示。图12-5（a）是一个受控的模拟开关，构成所谓的采样器。 采样器在US的控制下，把输入的模拟信号uI变换为脉冲信号UO，如图12-5（b）所示。 实际上，采样和保持是一次完成的，通称为“采样保持电路”。图12-6（a）给出的是一个简单的采样保持电路。电路由采样开关管V、存储电容C和缓冲电压跟随器A组成。 在采样脉冲US的作用下，模拟信号uI变成了脉冲信号UX，经过电容C的存储作用，从电压跟随器A输出的是阶梯形电压UO，如图12-6（b）所示。 二、量化和编码 如果要把变化范围在0~7V间的模拟电压转换为三位二进制代码的数字信号，由于三位二进制代码只有23即8个数值，因而必须将模拟电压按变化范围分成8个等级，如图12-7所示。 所谓量化，就是把采样电压转换为以某个最小单位电压Δ的整数倍的过程。分成的等级叫做量化级，Δ称为量化单位。 所谓编码，就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。 采样后得