第5章 数模和模数转换

1、数字电子技术数字电子技术 数模和模数转换数模和模数转换学习要点：学习要点： 数模和模数转换的基本原理 数模和模数转换数模和模数转换1 概述概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称数模转换器，简称D/A转换器或转换器或DAC。ADC和和DAC是沟是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。口。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大功率放大执行机构执行机构加热炉

2、加热炉温度传感器温度传感器信号放大信号放大多路开关2 D/A转换器转换器2.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理1 D /A 转 换 器 的 基 本 原 理 和 转 换 特 性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。uo或io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000

3、001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A转换器的转换特性是指其输出模拟量和输入数字量之间转换器的转换特性是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的位二进制数时的D/A转换器的转转换器的转换特性。理想的换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出模或输出模拟电流拟电流io=KiD。其中。其中Ku或或Ki为电压或电流转换比例系数，为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进

4、制数。如果输入为为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制位二进制数数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：，则输出模拟电压为：)2222(00112211oddddKunnnnu2 D /A 转 换 器 的 主 要 技 术 指 标（1）分辨率）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的位的D/A转换器中，输出电压能区分转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状个不同的输入二进制代码状态，能给出态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用分辨率也可以用D/A转换器的最小输

5、出电压与最大输出电压转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。的比值来表示。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：（2）转换精度）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。的时间，称为输出建立时间。001. 010231121102.2 D/A转换器的构成转换器的构成R2R4R8RRFI1I0I2I

6、3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222

7、(22001122334oddddViRiRuREFFF设RF=R/22 倒 T 型 电 阻 网 络 D /A 转 换 器RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是处向右看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是到地，也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。从参考电压端输入的电流为：RVI

8、REFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VR

9、EFuo+BCDA本节小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和转换器和T型电阻网络型电阻网络D/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T型电阻网络型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采转换器普遍采用这种电路结构。用这种电路结构。如果输入的是如果输入的是n位二进制数，则位二进制数，则D

10、/A转换器转换器的输出电压为：的输出电压为：)2222(200112211oddddVunnnnnREF3 A/D转换器转换器3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理1 A /D 转 换 器 的 基 本 原 理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)模拟电子开关模拟电子开关S在采样脉冲在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，接通时，ui(t)对对C充电，为采样过程；充电，为采样过程；S断开时，断开时，C上的电压保上的电压保持不变，为保持过程。在保持过

11、程中，采样的模拟电压经数字持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。位的二进制数输出。2 采 样 - 保 持 电 路+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 电路图(b) 波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采样脉冲（fS）开关驱动电路t0时刻时刻S闭合，闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为器的增益都为1，因此这一阶段，因此这一阶段uo跟随跟随ui变化，即变化，即uoui。t1时刻采时刻采样

12、阶段结束，样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷的输入阻抗为无穷大，大，S为理想开关，则为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。维持不变。采样定理：max2isff3 A /D 转 换 器 的 主 要 技 术 指 标（1）分辨率）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围误差越小，转换精度越高。例

13、如，输入模拟电压的变化范围为为05V，输出，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟位二进制数可以分辨的最小模拟电压为电压为5V2121.22mV。（2）相对精度）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始

14、，到输出端得到稳定的数字输出信号所到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。经过的这段时间。0uiVREF/14时，时，7个比个比较器输出全为较器输出全为0，CP到来到来后，后，7个触发器都置个触发器都置0。经编码器编码后输出的经编码器编码后输出的二进制代码为二进制代码为d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14时，时，7个比较器中只有个比较器中只有C1输出输出为为1，CP到来后，只有触到来后，只有触发器发器FF1置置1，其余触发，其余触发器仍为器仍为0。经编码器编码。经编码器编码后输出的二进制代码为后输出的二进制代码为d2d1d0=001。+C6+C7+

15、C5+C4+C3+C2+C11D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比较器寄存器编码器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF13.2 A/D转换器的构成转换器的构成1 并 联 比 较 型 A /D 转 换 器+C6+C7+C5+C4+C3+C2+C11D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比较器寄存器编码器FF7FF6FF5FF4FF3FF

16、2FF13VREF/14 ui5VREF/14时，比较器时，比较器C1、C2输出输出为为1，CP到来后，触发到来后，触发器器FF1、FF2置置1。经编。经编码器编码后输出的二进码器编码后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/14时，比较器时，比较器C1、 C2、 C3输出为输出为1，CP到来后，到来后，触发器触发器FF1、 FF2、 FF3置置1。经编码器编码后。经编码器编码后输出的二进制代码为输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进状态及相应的输出二进制

17、数。制数。输入模拟电压寄 存 器 状 态输出二进制数uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1d2 d1 d0REFV)0(1410 0 0 0 0 0 00 0 0REFV)(1431410 0 0 0 0 0 10 0 1REFV)(1451430 0 0 0 0 1 10 1 0REFV)(1471450 0 0 0 1 1 10 1 1REFV)(1491470 0 0 1 1 1 11 0 0REFV)(14111490 0 1 1 1 1 11 0 1REFV)(141314110 1 1 1 1 1 11 1 0REFV) 1(14131 1 1 1 1 1 11 1 12 逐

18、 次 逼 近 型 A /D 转 换 器输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为，使输出数字为1000。这个数。这个数码被码被D/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与，送到比较器中与ui进行比较。若进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的，说明数字过大了，故将最高位的1清清除；若除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，说明数字还不够

19、大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这，并且经过比较以后确定这个个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP +Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G3G4 G5QG6G7G

20、8=1(ui0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。逻辑控制门定时器n 位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器时钟输入控制门 Gn 位二进制数字输出uiVREFS1S2RCCPCO=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=iREFnUVN22计 数 器 中 所 计 的 二 进 制 数 值3.3 集成集成A/D转换器及应用转换器及应用Uin(+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UREF/2D4