第10章 数模及模数转换

1、 1 %大连理工大学出版社地址：大连市软件园路80号发行-mail : (基础篇 第二版)新世纪高职高专教材编审委员会 组编主编：李春林 鲍祖尚新世纪高职高专电子信息类课程规划教材ISBN 978-7-5611-2314-0 2 绩效概述绩效管理绩效管理实施过程KPI与BSC第 2 页 目录页 CONTENTS PAGE 目 录 常用常用半导体器件半导体器件基本放大电路基本放大电路直流稳压电源直流稳压电源数字电路基础知识数字电路基础知识组合逻辑电路组合逻辑电路 负反馈放大器及集成运算放大器负反馈放大器及集成运算放大器脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形大规模集

2、成电路大规模集成电路数模与模数转换数模与模数转换时序时序逻辑电路逻辑电路 3 过渡页TRANSITION PAGE第 3 页 第10章 数模与模数转换本章导读 模拟量转换为数字信号的过程叫做模数转换，简称A/D，把完成这种功能的电路叫模数转换器，简称ADC。把数字信号转换为模拟信号的过程叫做数模转换，简称D/A，完成这种功能的电路叫做数模转换器，简称DAC。本章简单介绍DAC、ADC的基本工作原理及典型器件。 4 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.1 DAC的基本概念数模转换有两种转换方式：并行数模转换和串行数模转换。数模转换器是将二进制数字量形式的离散信号转换成以标

3、准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器，简称 DAC 。图图10-1 数模转换实现框图数模转换实现框图图图10.2 三位三位DAC示意图示意图 5 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.1 DAC的基本概念 来自控制器的三位数字输入端分别输入数字的三位，转换后的对应输出模拟信号从模拟端输出，送到执行机构。三位数字信号有8种组合，对应输出8个模拟信号。 6 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.1 DAC的基本概念一般地，DAC输入数字量与输出模拟量之间的关系如下：1. 一个n位的DAC,共有 个模拟输出。2. 若模拟满度值设为1，数字输入为n位，那么

4、，转换的最小模拟量为 ，即： 1LSB= 3.最小输出为0，最大输出为满度值减1LSB。级： =满度值-1LSB。若n=3，满度值为10，则最大输出模拟电压为： =满度值-1LSB=10-10 =8.75（V）n2n21n21maxVmaxV321 7 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.2 权电阻D/A转换器1.电路组成图图10-4 权电阻权电阻D/A转换器转换器 8 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.2 权电阻D/A转换器2.工作原理 如图所示，权电阻分别是R、2R、4R、8R，电子开关受四位二进制数控制，当二进制d3d2d1d0某一位是1

5、时间，对应的开关闭合，反之，对应的开关断开。根据所在的位不同，放大器输出的电压是不同的。 9 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.3 R-2R T型电阻网络DAC1.电路组成 10 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.3 R-2R T型电阻网络DAC2.工作原理模拟电子开关受数字量的相应位控制，代码为0时，开关接地，代码为1时，开关接高电平。无论从哪一个节点向上或向下看，等效电阻均是R。从d0d3看进去，等效输入电阻都是3R，所以，从每一开关流入的电流可以认为是相等的 11 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.4 DAC的

6、主要技术参数1、分辨率D/A转换器的分辨率指最小输出电压（对应输入数字量1）与最大输出电压之比。2、线性度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。非线性误差指把理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数。3、转换速度（建立时间）D/A转换器从二进制数据输入到模拟电压的稳定输出所需要的时间，称为转换速度，也成建立时间。一般在几十微秒到几百微秒之间。 12 第十章数模与模数转换10.1 数模转换器（DAC）10.1.4 DAC的主要技术参数4、失调误差失调误差定义为数字输入全为0时，其模拟输出值与理想输出值之偏差。对于单极性D/A转换器，模拟输出的理想值为0伏，对于双极性D/A转换

7、，此理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对于满量程的百分数表示。5、输出极性及范围D/A转换器的输出范围与参考电压有关。对于电流输出型的D/A转换器，要用转换电路将其转换成电压。可见，输出范围还与转换电路有关。输出极性有单极性和双极性两种。 13 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号的装置就是A/D转换器。A/D转换器按其输出数字信号的有效位不同可以分为8位、10位、12位、14位、16位和BCD码输出的3 位、4 位、5 位等多种；按其转换速度可以分为超高速、（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、中速（转换时间1ms）、低速

8、（转换时间1s）等几种。为了适应集成的需要有些转换芯片内还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源和二十进制译码器等。212121 14 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）分类如下：A/D转换器转换器直接型直接型间接型间接型逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器并行并行A/D转换器转换器电压电压/时间变换型时间变换型A/D转换器转换器电压电压/频率变换型频率变换型A/D转换器转换器 15 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.1 采样/保持和ADC的基本概念1.采样/保持的基本概念将随时间连续变换的模拟信号变换成对时间的离散信号，即采样，然后通过ADC把离散

9、型号的幅值数字化，即量化。在时间t 内使采样时刻得到的信号幅值保持不变，即保持。 16 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.1 采样/保持和ADC的基本概念（1）采样/保持电路采样开关是一个电子开关，受采样时钟脉冲控制，按照时钟电平闭合和断开，电容器C为保持电路，输出放大器为放大与隔离负载的作用。（2）工作原理当CP=1时，采样电子开关接通，Vt信号被送到C上，C充电（放电）保存Vt的电平。当CP=0时，采样电子开关断开，C上继续保持前一个闭合时刻得到的Vt 信号电平，直到下一个采样循环CP=1，采集相应新的信号电平。 17 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（A

10、DC）10.2.1 采样/保持和ADC的基本概念图图10-8 采样保持电路示意图采样保持电路示意图图图10-9 采样保持波形采样保持波形 18 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.1 采样/保持和ADC的基本概念2.ADC的基本概念图图10-10 三位三位ADC示意图示意图图图10-11 三位三位ADC输入输出关系输入输出关系 19 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.1 采样/保持和ADC的基本概念ADC输入输出关系如下（1）n位ADC有2n个输出。（2）最小量化值1LSB为（假设满度模拟量为N） 1LSB= 这就是转换器的分辨率。量化精度取决

11、于最小量化值，输出数字量的位数越度多，则量化精度越高。（3）每个数字量代表一个范围的模拟量，而不是一个精确地模拟量。例如。三位ADC中，如果满度模拟量是1，则011代表（ - LSB）V（ + LSB）V, 是中心值。以中心值为基准，最大量化误差为1LSB。nN28383832121 20 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.1 采样/保持和ADC的基本概念（4）最大输出数字量对应的输入模拟电压并非满度模拟电压，而是： 满度模拟量（1- ）. 若满度模拟量为1V，对于三位ADC，111数字量对应的输出模拟电压为 1（1- ）= （V）。n2132187 21 第十章数模

12、与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.2 逐次逼近型模数转换器1. 逐次逼近型模数转换器转换原理图10-12是逐次逼近型A/D转换器的原理图。它由寄存器、D/A转换器、比较器和控制逻辑等组成。 22 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.2 逐次逼近型模数转换器逐次逼近型A/D转换器的主要原理是：将一待转换的模拟信号UIN与一个推测信号Ui比较，根据推测信号是大于还是小于输入信号来决定增大还是减少该推测信号，以便向输入的模拟的信号靠近，推测信号由D/A转换器输出获得，当推测信号与模拟信号相等时，向D/A转换器输入的数字信号就是该输入模拟信号的转换结果。其“推测

13、”的过程如下：使二进制计数器中（输出锁存器）的每一位从最高位起依此置1，每接一位时，都要进行测试。若模拟输入信号UIN小于推测信号Ui，则比较器输出为0，并使该位清0；若模拟输入信号大于推测信号Ui，比较器输出1，并使该为保持为1。继续比较下一位，直到8位比较完成。此时，D/A转换器的数字输入就是我们所需要的数字信号，至此，整个转换就完成了。 23 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.2 逐次逼近型模数转换器2.集成ADC-ADC0808/0809ADC0808/0801型A/D转换器是8位8路转换芯片，其引脚图如图10-13 所示，内部结构图如图10-14所示。片内带

14、有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接与单片机接口。 图图10-13 ADC0809芯片引脚图芯片引脚图 24 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.3 双积分模数转换器双积分式A/D转换器,由电子开关、积分器、比较器、计数器和逻辑门等部分组成。双积分就是进行一次A/D转换需要进行两次积分。转换时间，逻辑控制门控制电子开关把被测电压V1加到积分器的输入端，积分器从0V开始，在固定时

15、间T1内对V1进行积分（称为定时积分），积分的最终值与V1成正比。然后，逻辑控制门将电子开关换到极性与V1相反的基准电压VR上，进行反向积分，因为基准电压VR是恒定的，所以积分输出将以T1期间的积分值为初值，以恒定的斜率下降（称为定值积分），由比较器检测到积分输出过零时，停止积分器工作，反向积分的时间T2与定时积分的终值成比例关系，有： 25 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.3 双积分模数转换器 26 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.3 双积分模数转换器双积分DAC具有以下特点：（1）由于采用了去测量电压平均值的原理，因此具有很强的工频抗

16、干扰能力。尤其对等于T1或几分之一T1的对称干扰，即对整个周期内平均值为零的干扰，理论上说，有无穷大的抑制能力。（2）由于在转换过程中，前后两次采用的是同一积分器。因此，在两次积分期间(一般为几十至几百毫秒)，R、C和脉冲源等器件参数变化可以忽略，即使这些参数的长期稳定性不好，也不会影响其转换精度。 （3）在工业系统中，经常发生工频或工频的倍频干扰，若选取T1为工频电源周期的倍数，如20ms、40ms等，则可以有效抑制干扰。 27 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.4 并行模数转换器直接A/D转换器能把输入的模拟电压直接转换成输出的数字量而不需要经过中间变量.常用的电

17、路有并联比较型和反馈比较型两类。图图10-17 直接直接ADC示意图示意图 28 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.4 并行模数转换器表10-3三位并行A/D转换器输入与输出转换关系对照表REFV151REFV151REFV153REFV153REFV155REFV155REFV157REFV157REFV159REFV159REFV1511REFV1511REFV1513REFV1513REFV 29 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.4 并行模数转换器CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFV

18、REF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321图图10-18 三位并行模数转换器三位并行模数转换器 30 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.5 ADC主要技术参数1.分辨率A/D转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入电压的变化量。习惯上以二进制位数或以BCD码位数表示。例如，分辨率为10位的A/D转换器表示该转换器的输出数据可以用210个二进制数

19、进行量化。2量化误差量化误差是由A/D转换器的有限分辨率而引起的误差，在不计其它误差的情况下，一个分辨率有限的A/D转换器的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的A/D转换器转换特性曲线之间的最大误差，称为量化误差。分辨率高的转换器具有较小的量化误差。 31 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.5 ADC主要技术参数3转换精度A/D转换器的转换精度反映了一个实际A/D转换器在量化值上与一个理想的A/D转换器进行A/D转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差，与一般测试仪表的定义相似。4转换时间与转换速度A/D转换器完成一次转换所需要的时间成为转换时间。转换速度是转换时间的倒

20、数。 32 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.6 电子模拟开关1.电子模拟开关基本概念模拟开关(有时简称为“开关”)是根据数字控制信号的电平切换或路由模拟信号(信号可以是规定范围内的任何电平)的开关器件。通常由“传输门电路”构成，模拟开关的功能类似于继电器。模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。 33 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2

21、.6 电子模拟开关模拟开关具有以下特性：（1）信号可双向传输模拟开关大多可以使信号双向传输，如果忽略这一点，就很容易使电路生成问题，比如将电压反向偏置、电流倒灌等。（2）开关断开后漏电流极小模拟开关在断开(OFF)时会呈现高阻状态，两传输端间的漏电流极小，一般只有纳安级以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关，其断开后的漏电流均为1nA。这么微弱的电流在应用中可忽略不计，模拟开关此时可被认为是理想断开的。 34 第十章数模与模数转换10.2 模数转换器（ADC）10.2.6 电子模拟开关2.数模转换器和模数转换其中的电子模拟开关数模转换器和模数转换器中的电子开关分为CMOS电子开关和双极型电子开关两大类，CMOS型模拟开关转换速度较低，建立时间较长，如5G7520芯