第十章 数模和模数转换

1、1第十章第十章A/DA/D和和D/AD/A转换转换2本章基本内容本章基本内容 数模数模 (D/A)转换的基本原理及典型电路转换的基本原理及典型电路 模数模数 (A/D)转换的基本原理及典型电路转换的基本原理及典型电路 数模数模(D/A)和模数和模数(A/D)的转换精度和转的转换精度和转换速度概念换速度概念310. 1 概概 述述传感器放大器A/D转换转换微型计算机微型计算机控制对象D/A转换转换电加热炉热电偶执行机构 D/AD/A转换器的功能是将数字量转换成与之成正比的转换器的功能是将数字量转换成与之成正比的模拟量。模拟量。 A/D A/D转换器的功能是将输入的模拟量转换成相应的数转换器的功能

2、是将输入的模拟量转换成相应的数字量输出。字量输出。4D/A转换器和转换器和A/DA/D转换器的分类：转换器的分类：DACDACDACDACTDACAD权电容网络开关树型权电流型形电阻网络倒权电阻网络/变换型变换型间接型反馈比较型并联比较型直接型FVTVDA/D/AD/A转换器转换器D/AD/A转换器转换器本章本章主主要介绍权电阻网络要介绍权电阻网络DACDAC和倒和倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC的的D/AD/A转换器。转换器。 本章本章主要介绍并联比较型、主要介绍并联比较型、反馈比较型以及间接型的反馈比较型以及间接型的A/DA/D转换器。转换器。510. 2 D/A 转换器转换器 D

3、/A转换器的功能是将数字量转换成与之成正比的转换器的功能是将数字量转换成与之成正比的模拟量。模拟量。 D/A转换器的输入是一个转换器的输入是一个n位二进制数位二进制数D。 D/A转换器的输转换器的输 出是一个与输入出是一个与输入D成正比的模拟量成正比的模拟量（电压或电流）（电压或电流）A。即。即A=KD。001122112222ddddDnnnn D111101D/AA(电压 或 电流)6 D/A转换器通常是由译码网络、模拟开关、求和运转换器通常是由译码网络、模拟开关、求和运算放大器和基准电压源等部分组成。算放大器和基准电压源等部分组成。)2222(00112211ddddKAnnnn 10.

4、2.1 权电阻网络型权电阻网络型D/A 转换器转换器权电阻网络模拟开关求和放大器基准电压源7权电阻网络模拟开关求和放大器控制受数字0303ddSS 点点流向流向时，时，时，时，iiiiIdId100RVIRVIRVIRVIRVIii0REF31REF22REF13REF0REF2222 权电流：权电流：8)2222)(2/( )2222( )( 001122334REF03REF12REF21REF30REFF0123FFOddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRRiv 输出模拟电压量：输出模拟电压量：2/RRF 实现数模转换实现数模转换 当输入数字信号当输入数字信号D D（d3d2d1

5、d0）取值为）取值为00001111时，输出模时，输出模拟电压为拟电压为权电阻网络模拟开关求和放大器转换比例系数转换比例系数 44REF2)12(0V910.2.2 10.2.2 倒倒T T形电阻网络型形电阻网络型D/AD/A转换器转换器希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流模拟开关模拟开关基准电压源求和电路1000112233dIdIdIdIi )2222)(2/(001122334REFOddddVRiv 40312213REFREF2/ 2/ 2/ 2/ /IIIIIIIIRVIV 流过开关的电流分别为流过开关的电流分别为产生的电流为产生的电流为11例例一个四位权电阻网络一个四位权

6、电阻网络D/AD/A转换器电路如图所示。转换器电路如图所示。设基准电压设基准电压V VREFREF=10V=10V，电阻，电阻R=10kR=10k，试求，试求I I3 3、I I2 2、I I1 1、I I0 0，当输入数字量为，当输入数字量为10101010时，输出电压为多少？时，输出电压为多少？解解mAkVRVImAkVRVImAkVRVImAkVRVIREFREFREFREF125. 08010825. 0401045 . 020102110103333VRIIRivF625. 55)125. 01 (2)(30012例例一个倒一个倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器电路如图所

7、示。转换器电路如图所示。设基准电压设基准电压V VREFREF=10V=10V，电阻，电阻R=10kR=10k，试求，试求I I3 3、I I2 2、I I1 1、I I0 0，当输入数字量为，当输入数字量为10101010时，输出电压为多少？时，输出电压为多少？解解mAkVRVIREF110/10/mAIImAIImAIImAII0625. 02/125. 02/25. 02/5 . 02/40312213VRivo625. 510)0625. 05 . 0(1310.2.3 D/A 10.2.3 D/A 转换器的主要指标转换器的主要指标1.分辨率分辨率2.转换精度转换精度 D/AD/A转换

8、器的主要技术指标有分辨率、转换精度和转换器的主要技术指标有分辨率、转换精度和转换速度。转换速度。 输入最低位为输入最低位为1 1时的输出电压与输入数字量全为时的输出电压与输入数字量全为1 1时的的输出电压之比。时的的输出电压之比。分辨率分辨率=1/(2=1/(2n n-1)-1) 转换精度是用转换误差来描述。它是指全量程转换精度是用转换误差来描述。它是指全量程内，内，D/AD/A转换电路实际输出与理论值之间的最大误转换电路实际输出与理论值之间的最大误差。差。143.转换速度转换速度 转换速度是用转换时间来表示，转换时间是指数转换速度是用转换时间来表示，转换时间是指数字量由全字量由全0 0变为全

9、变为全1 1或由全或由全1 1变为全变为全0 0时，输出电压达时，输出电压达到终值到终值1/2LSB1/2LSB时所需时间时所需时间。15D111101A/DA(电压或电流)10. 3 A/D 转换器转换器 A/D A/D转换器的功能是将输入的模拟量转换成相应的数转换器的功能是将输入的模拟量转换成相应的数字量输出。字量输出。10.3.1 A/D 转换的一般步骤转换的一般步骤采样与保持采样与保持采样：采样：将随时间变化的模拟量转换成与时间离散的模拟量。将随时间变化的模拟量转换成与时间离散的模拟量。保持：保持：为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次

10、采样值需保持一段时间。采样值需保持一段时间。16 为了用采样信号为了用采样信号vS有有效地表示输入信号效地表示输入信号vI ，必须有足够的采样频率必须有足够的采样频率fS。根据采样定理一般。根据采样定理一般取：取： 将时间上连续的模拟量将时间上连续的模拟量 vi 变成时间上离散的模变成时间上离散的模拟量（如图所示）。拟量（如图所示）。max2ffS 采样信号的频率越高，所获得的离散模拟采样信号的频率越高，所获得的离散模拟量越接近连续的模拟量。量越接近连续的模拟量。1710.3.2 采样保持电路采样保持电路采样控制信号采样控制信号输入信号输入信号输出信号输出信号当当vL=1 T导通导通 采样采样

11、当当vL=0 T截止截止 保持保持 将时间上连续的模拟量将时间上连续的模拟量 v vi i 变成时间上离散的模拟量。变成时间上离散的模拟量。18量化与编码量化与编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也是不连续的。也是不连续的。模拟电压模拟电压二进制代码二进制代码 代表的模拟代表的模拟电平电平=1/8V1 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 07=7/8V6=6/8V5=5/8V4=4/8V3=3/8V2=2/8V1=1/8V0=0V1V7/8V6/8V5/8V1/8V4/8V3/8V2/8V0

12、V1910.3.3 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器3 3位并行比较型位并行比较型A/D A/D 转换器如图所示。转换器如图所示。比较器比较器触发器触发器 优先编码器，优先编码器，I7的级别最高，的级别最高，I0的的 级别最低级别最低输入模拟信号输入模拟信号基准电压基准电压时钟脉冲时钟脉冲数字量输出数字量输出 分压电阻，分压电阻，以获得不同以获得不同的基准电压的基准电压20工作原理：工作原理： 例如，当0viVREF /15时，比较器C7C1的输出都为 0；当3VREF /15vi5VREF /15时，比较器C6C7的输出为1，其余各比较器均为0。 当时钟脉冲来的时，将比较器的输出锁存在

13、D触发器中。D触发器的输出即加到优先编码器的输入端。 经优先编码器即可获得对应的二进制输出。对应的输入模拟量和输出关系如下表所示。213 3位并行位并行A/DA/D转换器输入和输出关系表转换器输入和输出关系表225V4.3V3.7V2.3V1.7V1V0.33V 3V 例例若如图所示若如图所示3 3 位并行位并行A/D A/D 转换器转换器 ，已知基准电压，已知基准电压VREF=5V，试求当输入模拟量，试求当输入模拟量vi=2.5V 时，输出数字量为多时，输出数字量为多少？少？0100101112.5V1输出的数字量为：输出的数字量为： 10110123并行比较型并行比较型A/D的特点的特点1

14、.1.由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器、和编码电路的延时时间限制，因此，转触发器、和编码电路的延时时间限制，因此，转换速度最快。换速度最快。2.2.随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。由于位数越多，电路越复杂。加。由于位数越多，电路越复杂。3.3.为了解决上述矛盾。可以采用分级并行转换的为了解决上述矛盾。可以采用分级并行转换的方法。方法。2410.3.4 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 它是一种直接型它是一种直接型A/D转换器。其转换过程类似于用天平称转换器。其转换过程类似于用天平称物

15、的过程。物的过程。直到最低位为止”再将次高位置“”则去掉“则保留若”，其余全为“高位先置“1. 21,1,01. 1OIOIVVVV25三位逐次逼近型三位逐次逼近型A/D转换器原理图转换器原理图2610.3.5 双积分型双积分型A/D转换器转换器控制门控制门过零比较器过零比较器积分器积分器时钟脉冲时钟脉冲定时器定时器清零信号清零信号N 级异步计数器级异步计数器27可将如上电路简化为如下形式：可将如上电路简化为如下形式：28 先将输入的模拟电压先将输入的模拟电压v vI I转换成与之成正比的时间量转换成与之成正比的时间量T T，然，然后在后在T T内对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是一个内

16、对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是一个正比于正比于v vI I的数字量。的数字量。IO101IIO1II1I11011 . 1vvCRTRCTvdtvRCvTvvSvTTtCST 为为固固定定数数值值，因因此此和和、为为时时间间后后得得到到的的输输出出电电压压经经进进行行积积分分积积分分器器对对一一侧侧，合合向向不不变变，期期间间定定时时积积分分完完全全放放电电，计计数数器器清清零零闭闭合合转转换换开开始始前前29IREF122REF1I2REF1I0REF1IO2COREF0REF2REF00)1(10. 22vVTTRCTVRCTvRCTVRCTvdtVRCRCTvvTVvVSVSV

17、T 这这个个过过程程需需要要的的时时间间，停停止止积积分分和和计计数数时时，当当钟钟脉脉冲冲计计数数计计数数器器对对固固定定频频率率的的时时进进行行反反向向积积分分，积积分分器器对对保保持持断断开开，闭闭合合向向的的积积分分对对固固定定参参考考电电压压IREFCLK12CLKCLK22CLKCLK/vVTTTfDTTTfDf 则则计计数数器器输输出出为为设设时时钟钟脉脉冲冲的的固固定定频频率率30第一阶段第一阶段 定时积分定时积分第二阶段第二阶段 比较阶段比较阶段1011TiioRCTvdtvRCv210)1(1TTREFiodtVRCRCTvv021RCTVRCTvREFiiREFvVTT)

18、(12iCLKREFCLKvTVTTfD12计数器的输出为：计数器的输出为：3110.3.6 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.转换精度转换精度 分辨率分辨率 输出数字量变化一个最低位所对应的输入输出数字量变化一个最低位所对应的输入模拟量所需变化的量。模拟量所需变化的量。 ADCADC的位数越多，量化的阶梯越小，分辨率也越高。的位数越多，量化的阶梯越小，分辨率也越高。 分辨率常以二进制码的位数表示。如输入模拟电压满量程分辨率常以二进制码的位数表示。如输入模拟电压满量程位位5V5V。8 8位位ADCADC可分辨的最小模拟电压是：可分辨的最小模拟电压是：mVV53.19258而十位而十位ADCADC可分辨最小模拟电压为：可分辨最小模拟电压为：mVV88. 42510可见可见ADC位数越多，分辨率越高。位数越多，分辨率越高。322.转换速度转换速度 指从指从ADCADC接到转换控制信号起，到输出稳定的数字量为止接到转换控制信号起，到输出稳定的数字量为止所用的时间多少。用得时间越少，转换速度越快。高速可达