第九章数模与模数转换电路 随着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测领 域中,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际处理对象往往都是一 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和处理这些信 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 往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。这样,就需要种能 在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路—模数转换电路和数模转换电路。 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);而将 能把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),AD转换器 和D/A转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。 在本章中,将介绍几种常用AD与DA转换器的电路结构、工作原理及其应用。 9D/A转换器 DA转换器的基本原理 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1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,从而实现了数字一模拟转 换。这就是构成DA转换器的基本思路 图9.1-1所示是DA转换器的输入、输出关系框图,D~Dn-1是输入的n位二进制 数,v是与输入二进制数成比例的输出电压 图9.1—2所示是一个输入为3位二进制数时DA转换器的转换特性,它具体而形象 地反映了DA转换器的基本功能。 o 7 6 D D/A转换器 2 000001010011100101110111
第九章 数模与模数转换电路 随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领 域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际处理对象往往都是一 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和处理这些信 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 往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。这样，就需要一种能 在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。 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）；而将 能把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），A/D 转换器 和 D/A 转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。 在本章中，将介绍几种常用 A/D 与 D/A 转换器的电路结构、工作原理及其应用。 9.1 D/A 转换器 一． D/A 转换器的基本原理 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 1 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，从而实现了数字—模拟转 换。这就是构成 D/A 转换器的基本思路。 图 9.1—1 所示是 D/A 转换器的输入、输出关系框图，D0～Dn-1 是输入的 n 位二进制 数，vo 是与输入二进制数成比例的输出电压。 图 9.1—2 所示是一个输入为 3 位二进制数时 D/A 转换器的转换特性，它具体而形象 地反映了 D/A 转换器的基本功能。 0 1 2 3 4 5 6 7 001 010 011 100 101 110 111 D/A转换器 D D D 0 1 n-1 . . . vo 输入 输出 vo/V 000 D
图91-1D/A转换器的输入、输出关系框图图91-23位DA转换器的转换特性 倒T形电阻网络DA转换器 在单片集成DA转换器中,使用最多的是倒T形电阻网络DA转换器。 四位倒T形电阻网络DA转换器的原理图如图91-3所示。 S0~S3为模拟开关,R一2R电阻解码网络呈倒T形,运算放大器A构成求和电路 S由输入数码D控制,当D=1时,S接运放反相输入端(“虚地”),l流入求和电路 当D=0时,S将电阻2R接地 无论模拟开关S处于何种位置,与S相连的2R电阻均等效接“地”(地或虚地)。 这样流经2R电阻的电流与开关位置无关,为确定值。 分析R-2R电阻解码网络不难发现,从每个接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的整倍数递减。设由基准电压源提供的总电 流为I(l=VREF/R),则流过各开关支路(从右到左)的电流分别为∥2、4、8和∥16 (LSB) Do 2R2R山16 图91-3倒T形电阻网络DA转换器 于是可得总电流 REF D2 R2423222 (9.1.1) OD,22) 24×R=0 输出电压
2 图 9.1—1 D/A 转换器的输入、输出关系框图 图 9.1—2 3 位 D/A 转换器的转换特性 二． 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器 在单片集成 D/A 转换器中，使用最多的是倒 T 形电阻网络 D/A 转换器。 四位倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的原理图如图 9.1—3 所示。 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 构成求和电路。 Si 由输入数码 Di 控制，当 Di=1 时，Si 接运放反相输入端（“虚地”），Ii 流入求和电路； 当 Di=0 时，Si 将电阻 2R 接地。 无论模拟开关 Si 处于何种位置，与 Si 相连的 2R 电阻均等效接“地”（地或虚地）。 这样流经 2R 电阻的电流与开关位置无关，为确定值。 分析 R—2R 电阻解码网络不难发现，从每个接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 的整倍数递减。设由基准电压源提供的总电 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 和 I/16。 D D D D (LSB) (MSB) S S S S 0 0 1 1 2 2 3 3 R + A vo iΣ f 16 8 2R 2R +V 2R R I 4 R 4 I REF I 8 I I 2R 2R I R I I I 16 2 2 图 9.1—3 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器 于是可得总电流 ( 2 ) 2 ) 2 2 2 2 ( 3 0 4 1 3 2 2 3 1 4 0 i i i REF REF D R V D D D D R V i = = + + + = （9.1.1） 输出电压
R RS REE 2(D,. 2) (9.1.2) R 将输入数字量扩展到n位,可得n位倒T形电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入 数字量之间的一般关系式如下 R R2n1=0 (D 设K-12,M表示括号中的n位三进制数,则 要使DA转换器具有较高的精度,对电路中的参数有以下要求: (1)基准电压稳定性好;(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高: (3)每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整倍数递 减,模拟开关的导通电阻也相应地按2的整倍数递增 由于在倒T形电阻网络DA转换器中,各支路电流直接流入运算放大器的输入端 它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度,而且也减少了 动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它是目前广泛使用的DA转换器中速度较快的一 种。常用的CMOS开关倒T形电阻网络DA转换器的集成电路有AD7520(10位) DAC1210(12位)和AK7546(16位高精度)等。 三.权电流型DA转换器 尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度,但由于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,就会产生转换误差。为进一步提高DA转换 器的转换精度,可采用权电流型DA转换器。 1.原理电路 这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为D2、I4、8、16 (LSB) (MSB) D D D2 SI ↓Q VREF
3 ( 2 ) 2 3 0 4 i i i f REF O f D V R R v i R = − = − = （9.1.2） 将输入数字量扩展到 n 位，可得 n 位倒 T 形电阻网络 D/A 转换器输出模拟量与输入 数字量之间的一般关系式如下： [ ( 2 )] 2 1 0 i n i i n f REF O D V R R v = − − = 设 K = n f VREF R R 2 ，NB表示括号中的 n 位二进制数，则： vO=－KNB 要使 D/A 转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求： （1）基准电压稳定性好；（2）倒 T 形电阻网络中 R 和 2R 电阻的比值精度要高； （3）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按 2 的整倍数递 减，模拟开关的导通电阻也相应地按 2 的整倍数递增。 由于在倒 T 形电阻网络 D/A 转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端， 它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度，而且也减少了 动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它是目前广泛使用的 D/A 转换器中速度较快的一 种。常用的 CMOS 开关倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的集成电路有 AD7520（10 位）、 DAC1210（12 位）和 AK7546（16 位高精度）等。 三． 权电流型 D/A 转换器 尽管倒 T 形电阻网络 D/A 转换器具有较高的转换速度，但由于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，就会产生转换误差。为进一步提高 D/A 转换 器的转换精度，可采用权电流型 D/A 转换器。 1．原理电路。 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。 D D D (LSB) (MSB) S S S S 0 0 1 1 2 2 3 3 R + A vo iΣ f I 2 4 I 8 I 16 I VREF D
图91-4权电流型DA转换器的原理电路 当输入数字量的某一位代码D=1时,开关S接运算放大器的反相输入端,相应的 权电流流入求和电路;当D=0时,开关S接地。分析该电路可得出 Vo=iER RG=D3+D2+。D1 21+ 采用了恒流源电路之后,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。 2.采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流DA转换器 为了消除因各BJT发射极电压VBE的不一致性对DA转换器精度的影响,图中T T均采用了多发射极晶体管,其发射极个数是8、4、2、1,即T~T0发射极面积之比为 8:42:1。这样,在各BJT电流比值为8:42:1的情况下,T~T0的发射极电流密度相等, 可使各发射结电压BE相同。由于T~10的基极电压相同,所以它们的发射极e3、e2 e、eo就为等电位点。在计算各支路电流时将它们等效连接后,可看出倒T形电阻网络 与图91-3中工作状态完全相同,流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1/2, 各支路中电流分配比例满足8421的要求
4 图 9.1—4 权电流型 D/A 转换器的原理电路 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输入端，相应的 权电流流入求和电路；当 Di=0 时，开关 Si 接地。分析该电路可得出 i i f i f f O f R D I R D D D D I D I D I D I D I R v i R 2 2 ( 2 2 2 2 ) 2 ) 2 4 8 16 ( 3 0 4 0 0 1 1 2 2 3 3 4 3 2 1 0 = = + + + = + + + = = （9.1.5） 采用了恒流源电路之后，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。 2．采用具有电流负反馈的 BJT 恒流源电路的权电流 D/A 转换器 为了消除因各 BJT 发射极电压 VBE 的不一致性对 D/A 转换器精度的影响，图中 T3～ T0 均采用了多发射极晶体管，其发射极个数是 8、4、2、1，即 T3～T0 发射极面积之比为 8:4:2:1。这样，在各 BJT 电流比值为 8:4:2:1 的情况下，T3～T0 的发射极电流密度相等， 可使各发射结电压 VBE 相同。由于 T3～T0 的基极电压相同，所以它们的发射极 e3、e2、 e1、e0 就为等电位点。在计算各支路电流时将它们等效连接后，可看出倒 T 形电阻网络 与图 9.1—3 中工作状态完全相同，流入每个 2R 电阻的电流从高位到低位依次减少 1/2， 各支路中电流分配比例满足 8:4:2:1 的要求
(MSB) (LSB D2 DI Do 214T N如图p IEI EO E 偏置 2R 图91-5权电流DA转换器的实际电路 基准电流IREF产生电路由运算放大器A2、R1、T、R和一E组成,A2和R1、T的 cb结组成电压并联负反馈电路,以稳定输出电压,即Tr的基极电压。Tr的cb结,电阻 R到一为反馈电路的负载,由于电路处于深度负反馈,根据虚短的原理,其基准电流 为: REF RI 由倒T形电阻网络分析可知,l3=2,l2=4,l1=8,l0=16,于是可得输出电 压为 R RREF(OD3,23+D22+D12+D02) RI 可推得n位倒T形权电流DA转换器的输出电压 R ∑D,·21 R 该电路特点为,基准电流仅与基准电压VREF和电阻R1有关,而与BJT、R、2R电阻 无关。这样,电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求,对于集成化十分有利 由于在这种权电流DA转换器中采用了高速电子开关,电路还具有较高的转换速度 采用这种权电流型D/A转换电路生产的单片集成DA转换器有ADl408、DAC0806、 DAC0808等。这些器件都采用双极型工艺制作,工作速度较高
5 D D D D (MSB) (LSB) S S S S 3 3 2 2 1 1 0 0 R + A vo iΣ f + A 1 2 16 I I 2 16 I I 4 I 8 I I REF I I I I I E3 E2 E1 E0 EC B B V R 2R 2R 2R R 2R R R 2R EE 偏置 电流 I=IREF= VREF R1 T T T T T T r 3 2 1 0 c 1 REF R V VR + VR— 图 9.1—5 权电流 D/A 转换器的实际电路 基准电流 IREF产生电路由运算放大器 A2、R1、Tr、R 和－VEE 组成，A2 和 R1、Tr 的 cb 结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即 Tr 的基极电压。Tr 的 cb 结，电阻 R 到－VEE 为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流 为： 3 1 2 E REF REF I R V I = = 由倒 T 形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电 压为： ( 2 2 2 2 ) 2 0 0 1 1 2 2 3 3 1 4 = + + + = D D D D R R V v i R f REF O f 可推得 n 位倒 T 形权电流 D/A 转换器的输出电压 i n i i n REF f O D R R V v 2 2 1 0 1 = − = 该电路特点为，基准电流仅与基准电压 VREF和电阻 R1 有关，而与 BJT、R、2R 电阻 无关。这样，电路降低了对 BJT 参数及 R、2R 取值的要求，对于集成化十分有利。 由于在这种权电流D/A转换器中采用了高速电子开关，电路还具有较高的转换速度。 采用这种权电流型 D/A 转换电路生产的单片集成 D/A 转换器有 AD1408、DAC0806、 DAC0808 等。这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度较高