模-数转换器与数-模转换器

1、 第十一章第十一章 模模 / 数转换器与数数转换器与数 / 模转换器模转换器 计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界，对外部事物进行处理，就必须有一个将模解外部世界，对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量，将数字量转换为模拟量的接口，这拟量转换为数字量，将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的就是常说的 A/D和和 D/A。 虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远

2、也不能精确地描述模拟量，但由于我们的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。 本章将简单介绍本章将简单介绍D/A转换器和转换器和A/D转换器的几种主要转换器的几种主要形式。形式。 第一节第一节 数数 / 模转换器（模转换器（ Digital / Analog Converter） D/A转换器的作用是将数字量转换为相应的模拟量。转换器的作用是将数字量转换为相应的模拟量。例如：对于例如：对于0 5V的直流

3、电压，计算机用的直流电压，计算机用8位数字量来描位数字量来描述时：最小值（述时：最小值（00000000）B = 0对应对应0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 对应对应 5V， 中间值（中间值（01111111）B = 127 对应对应2. 5V 等等。等等。 D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（电压。比如收到（00111111）B ，应给出幅度为，应给出幅度为1.25V 的的电压。电压。 一、一、D/A转换电路转换电路 要实现要实现D/A转换，有很多种电路形式，下面我们介绍转换，有很多种电路形式，下面

4、我们介绍几种。几种。 1、权电阻、权电阻D/A转换器转换器 自然二进制数字每位的权重是不同的（自然二进制数字每位的权重是不同的（2n），对整个），对整个数值大小的影响也是不同的。权电阻数值大小的影响也是不同的。权电阻D/A 将这种权重的不将这种权重的不同，对应成电阻阻值的不同，从而实现数同，对应成电阻阻值的不同，从而实现数 / 模转换。模转换。 电阻种类多，比例严格电阻种类多，比例严格 2、R-2R T型型 D/A转换器转换器（电阻较多，延迟、尖峰）（电阻较多，延迟、尖峰） 前一种方法电阻种类太多，数值还要准确，现在我前一种方法电阻种类太多，数值还要准确，现在我们介绍的们介绍的D/A只需要两种

5、阻值的电阻，制作起来会容易些。只需要两种阻值的电阻，制作起来会容易些。 3、R-2R 倒倒 T型电阻网络型电阻网络D/A 这是一种常用的这是一种常用的D/A电路，其特点是各支路电流直接电路，其特点是各支路电流直接流入运放，无延迟，且无论数值如何变化，总电流不变。流入运放，无延迟，且无论数值如何变化，总电流不变。没有尖峰电流。没有尖峰电流。开关接左接右都是接地，支路电流不变开关接左接右都是接地，支路电流不变。 二、二、D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 转换精度和转换速度是转换精度和转换速度是D/A的两个主要指标。的两个主要指标。 1、D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 关于精度

6、有两个概念：关于精度有两个概念： 分辨率分辨率：指转换器理论上可以达到的精度。：指转换器理论上可以达到的精度。 通常用所用二进制的位数表示，如：通常用所用二进制的位数表示，如： 8位、位、10位、位、12位等。位等。 也可以用最小非零值与最大值之比表示：也可以用最小非零值与最大值之比表示： 如如10位位D/A的分辨率为：的分辨率为： 1 / （ 210-1）= 0.001 即约千分之一。即约千分之一。 转换误差：转换误差：D/A转换器实际能够达到的转换精度。转换器实际能够达到的转换精度。 由于参考电压由于参考电压VREF的波动、运放的零点漂移、线路的波动、运放的零点漂移、线路上的导通电阻和导通

7、压降、电阻网络的阻值误差，实际上的导通电阻和导通压降、电阻网络的阻值误差，实际的精度要低于分辨率。的精度要低于分辨率。 转换误差常以最低有效位对应电压值（转换误差常以最低有效位对应电压值（LSB）作参）作参考，表示为考，表示为 1/2LSB、1LSB ，其中，其中 1LSB 表示误差大表示误差大小与小与000.0001对应的输出值相等。对应的输出值相等。1/2LSB则为其值的则为其值的一半。一半。 转换误差也可以用它相当于满度输出值的百分比来转换误差也可以用它相当于满度输出值的百分比来表示。表示。 误差值误差值 转换误差转换误差= * 100% 满度输出值满度输出值 误差值误差值=输入满刻度数

8、字量时的输出输入满刻度数字量时的输出 理论满度值理论满度值 2、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度 手册中通常给出手册中通常给出建立时间建立时间 ts这一指标，它表示在最恶这一指标，它表示在最恶劣情况下（输入从全劣情况下（输入从全0变为全变为全1，或从全，或从全1变为全变为全0），输），输出达到某一接近程度（如出达到某一接近程度（如0.2%）所需要的时间。）所需要的时间。 通常建立时间在通常建立时间在100 ns 几十几十 s之间，有的厂家给出之间，有的厂家给出的高速的高速D/A指标可达指标可达1 ns一下，一般一下，一般100ns就算转换速度比就算转换速度比较快了。较快了。 第二节第二节

9、 模模 / 数转换器（数转换器（A/D） A/D的作用是将模拟信号转换为相应的数值，在这个的作用是将模拟信号转换为相应的数值，在这个过程中，肯定会有损失、过程中，肯定会有损失、有失真，因为在这一过有失真，因为在这一过程中，要经历对时间的程中，要经历对时间的离散化离散化采样、对幅采样、对幅度的离散化度的离散化量化。量化。为了保证采样时输入电为了保证采样时输入电压的稳定，有时要用采压的稳定，有时要用采样保持器（简称采保）。样保持器（简称采保）。最后对量化的结果（最最后对量化的结果（最小单位的倍数）进行编小单位的倍数）进行编码码输出数据。输出数据。 一、一、A/D转换器电路转换器电路 A/D转换器从

10、转换方式上，转换器从转换方式上，可分为两大类可分为两大类： 间接法间接法 先将模拟输入信号转换成时间先将模拟输入信号转换成时间T或频率或频率F，然后再将中间量然后再将中间量T或或F转换为数字量。转换为数字量。 特点特点：转换速度慢，精度可以做得较高，抗干扰能：转换速度慢，精度可以做得较高，抗干扰能力强。例如数字万用表中的力强。例如数字万用表中的A/D芯片就是双积分型的。芯片就是双积分型的。 直接法直接法 用输入电压与芯片内部的标准电压比较，用输入电压与芯片内部的标准电压比较，找到与之最接近的标准电压，将标准电压对应的数字量找到与之最接近的标准电压，将标准电压对应的数字量赋予该输入信号。（显然该

11、标准电压是受一个数字量控赋予该输入信号。（显然该标准电压是受一个数字量控制的，由片内制的，由片内D/A产生，书中称产生，书中称2n个量化级电压。）个量化级电压。） 特点特点：转换速度快，精度、抗干扰能力不如间接法。：转换速度快，精度、抗干扰能力不如间接法。 1、V-T变换型变换型 A/D 转换器（属于间接法）转换器（属于间接法） 有一个内部斜波电压发生器有一个内部斜波电压发生器 有两个比较器，比较器参考电压分别为有两个比较器，比较器参考电压分别为 0V和输入信号和输入信号电压电压Vi，由此形成一段与输入幅度成正比的时间间隔。，由此形成一段与输入幅度成正比的时间间隔。 有一个计数器，对上述时间间

12、隔计数。计数值即为所求。有一个计数器，对上述时间间隔计数。计数值即为所求。 2、双积分式、双积分式A/D转换器（属于积分型）转换器（属于积分型） 双积分的意思是指进行了两次积分。第一次是对输双积分的意思是指进行了两次积分。第一次是对输入入Vi进行正向积分，对电容充电。第二次积分是对标准进行正向积分，对电容充电。第二次积分是对标准电压电压VREF反向积分，使电容放电，放光为止。反向积分，使电容放电，放光为止。 对反向对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。放电时间计数，它与输入幅度成正比。 双积分型双积分型A/D转换器是常用的转换器是常用的A/D形式。特点是：形式。特点是： 转换结果与转换结果与

13、RC值、计数时钟的精度基本无关，只要在值、计数时钟的精度基本无关，只要在一次转换时间内保持稳定就行了，降低对电路的要求。一次转换时间内保持稳定就行了，降低对电路的要求。 由于是对输入信号积分，求其平均值，所以对尖峰干扰由于是对输入信号积分，求其平均值，所以对尖峰干扰和对称交流干扰有很强的抑制作用。和对称交流干扰有很强的抑制作用。 3、V-F 变换型变换型A/D转换器（自学）转换器（自学） 先将输入信号转换为频率先将输入信号转换为频率F，然后再转换为数字量。，然后再转换为数字量。 4、计数斜坡式、计数斜坡式 A/D转换器转换器 与与V-T变换型变换型A/D有些类似，但这种方法属于直接法，有些类似

14、，但这种方法属于直接法，是将输入电压与是将输入电压与 2n 个量化级电压比较，直接得到数值。个量化级电压比较，直接得到数值。 5、逐次逼近型、逐次逼近型A/D转换器转换器 这种这种A/D 的工作方式有点象用天平称重。从最大的砝的工作方式有点象用天平称重。从最大的砝码开始试起，少再加砝码，多换小些的筹码。码开始试起，少再加砝码，多换小些的筹码。 逐次逼近型与前面的计数斜坡型相比，它没有采用大逐次逼近型与前面的计数斜坡型相比，它没有采用大排队式的递增比较，而是采用了从大到小的检索的方式，排队式的递增比较，而是采用了从大到小的检索的方式，因此速度要快得多。因此速度要快得多。 逐次逼近型逐次逼近型A/

15、D设定了一组时序节拍，通过每一拍的设定了一组时序节拍，通过每一拍的比较输出电平，分别置位或清零各个数据位。比较输出电平，分别置位或清零各个数据位。第一拍第一拍：D/A输入为输入为1000，满度的一半。，满度的一半。比较输出接比较输出接D#的的JK第二拍第二拍：使：使D#由由JK端状态置零或置端状态置零或置1。使使C#异步置异步置1，D/A输入为输入为 X100。第三拍第三拍：使：使C#根据根据其其JK状态置状态置0置置1。使使B#异步置异步置1 ，D/A输入为输入为 XX10。第四拍第四拍：输出为：输出为XXX1第五拍第五拍：下降沿置：下降沿置A#上升沿置为上升沿置为4个个D触发触发6、并联型

16、、并联型A/D 转换器转换器 优点是速度很优点是速度很快，缺点是硬快，缺点是硬件复杂，精度件复杂，精度不高。不高。 任一输入电压加入所有比较器，都会有一个比较结果，任一输入电压加入所有比较器，都会有一个比较结果，将该结果锁存于将该结果锁存于D触发器中。最后用数字电路将不同的输触发器中。最后用数字电路将不同的输出组合编码。出组合编码。 二、二、A/D转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度 A/D转换器的精度和速度的定义与转换器的精度和速度的定义与D/A的相应指标类的相应指标类似。似。 转换精度也分为分辨率和转换误差，一个是理论上转换精度也分为分辨率和转换误差，一个是理论上的，一个是实际达到的。分辨率一般用位数表示，误差的，一个是实际达到的。分辨率一般用位数表示，误差一般用最低有效位一般用最低有效位LSB的倍数表示。的倍数表示。 转换速度是指从模拟输入给定后（一般有启动信号转换速