第17章模拟量和数字量的转换

1、第第十十七七章章 模拟量和数字模拟量和数字量的转换量的转换 第一节第一节 数字模拟转换器数字模拟转换器 第二节第二节 模拟数字转换器模拟数字转换器 目录目录第一节第一节 数字模拟转换器数字模拟转换器 DAC基本概念基本概念 DAC的电路结构及工作原理的电路结构及工作原理 DAC的主要技术指标的主要技术指标 返返 回回 我们把从数字信号到模拟信号的转换我们把从数字信号到模拟信号的转换成为成为数模转换数模转换，或，或D/A转换转换；把从模拟；把从模拟信号到数字信号的转换成为信号到数字信号的转换成为模数转换模数转换，或或A / D 转换转换。 实现实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器，

2、转换器，简写为简写为DAC；实现；实现A /D转换的电路称为转换的电路称为 A /D 转换器，简写为转换器，简写为ADC。返回返回传感器传感器模拟信号模拟信号ADC数字信号数字信号计算机计算机 DAC模拟控制模拟控制返回返回 ADC和和DAC是将数字计算机应用于生产是将数字计算机应用于生产过程自动控制的桥梁。过程自动控制的桥梁。一、一、DAC基本概念基本概念返回返回 DACDn-1 Dn-2D0Uo1. DAC的基本框图的基本框图 DAC的输入是的输入是一个一个n位的二进制位的二进制数数D，表示为：，表示为：D=Dn-12n-1 + Dn-22n-2 + + D020 经过经过DAC电路后输出

3、为模拟电压电路后输出为模拟电压Uo，其大小与输入的二进制代码的大小成比，其大小与输入的二进制代码的大小成比，设比例系数为设比例系数为K，则，则1o0D 2niiiUK 二、二、DAC的电路结构及工作原理的电路结构及工作原理1. T形电阻网络形电阻网络DAC DAC包括权电阻网络、模拟开关和求和包括权电阻网络、模拟开关和求和放大器三个部分。放大器三个部分。返回返回3R Uo2RRRR2R2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDA T形电阻网络形电阻网络2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDAUD1 0 0 0UDUR/24R同理同理:返回返回戴维宁等戴维宁

4、等效电路效电路D1=1 等效电压源为等效电压源为 UE=UR/23D2=1 等效电压源为等效电压源为 UE=UR/22D3=1 等效电压源为等效电压源为 UE=UR/21返回返回 DAC等效电路等效电路3R UoR2RUE应用叠加原理应用叠加原理电阻网络开路电压电阻网络开路电压UE为：为：3210RE32104 =(D2 + D2 + D2 + D2 ) 2UU oEE3 = = 3RUUUR3R4=0 = D 22iiiU 返回返回当输入当输入D是是n位数字量时：位数字量时：-1Ro=0 = D 22niiniUU T形电阻网络形电阻网络DAC的特点：电阻种类只的特点：电阻种类只有有R和和2

5、R两种，便于集成和提高精度。两种，便于集成和提高精度。返回返回2. 倒倒T形电阻网络形电阻网络DACR Uo2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URII = UR/ RI/21I/22I/23I/243Ro4=0 = D 22iiiUU 当输入当输入D是是n位数字量时：位数字量时：-1Ro=0 = D 22niiniUU 返回返回三、三、DAC的主要技术指标的主要技术指标1. 分辨率分辨率 数模转换器的分辨率是指最小输出电数模转换器的分辨率是指最小输出电压（对应的输入二进制数为压（对应的输入二进制数为1）与最大输出）与最大输出电压（对应的输入二进制数的所有位全为电压（对应

6、的输入二进制数的所有位全为1）之比。之比。分辨率分辨率1/（ 2n 1 ）例如：常用的例如：常用的8位位DAC的分辨率约为的分辨率约为 1/（ 28 1 ） 0.004返回返回2. 精精 度度 转换器的精度是指输出模拟电压的实际转换器的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。值与理想值之差，即最大静态转换误差。3. 线性度线性度 通常用非线性误差的大小表示数模转通常用非线性误差的大小表示数模转换器的线性度。换器的线性度。4. 输出电压（或电流）的建立时间输出电压（或电流）的建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定所需的时间，称

7、为建立时间。到达稳定所需的时间，称为建立时间。5. 电源抑制比电源抑制比 输出电压的变化与相对应的电源电压变输出电压的变化与相对应的电源电压变化之比，称为电源抑制比。化之比，称为电源抑制比。返回返回例、例、已知倒已知倒T形电阻网络形电阻网络DAC的参考电压的参考电压UR =10V，试求出，试求出4位和位和8位位DAC的输出最小电压的输出最小电压和输出最大电压。和输出最大电压。4位：位：omin410=1V=0.625V2U 3210omax410=(2 +2 +2 +2 )V=9.375V2U 8位：位：omin810=1V=0.039V2U 8omax410=(21)V=9.96V2U 返回

8、返回常用常用DA转换器转换器DAC08328位位CMOS D/A转换器转换器DAC100210位位COMS D/A转换器转换器AD7541A12位乘法型位乘法型D/A转换器转换器DAC6312位超高速位超高速D/A转换器转换器 DAC729 18位超高分辨率位超高分辨率D/A转换器转换器 并联比较型并联比较型ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC ADC的主要技术指标的主要技术指标 返返 回回第二节第二节 模拟数字转换器模拟数字转换器返回返回 模拟数字转换的过程包括取样、保持、模拟数字转换的过程包括取样、保持、量化、编码四个步骤。量化、编码四个步骤。 一般取样、保持用一个取样保持电路完一般取样、保

9、持用一个取样保持电路完成，量化与编码用成，量化与编码用ADC完成。完成。一、并联比较型一、并联比较型ADC包括分压器、比较器、编码器三部分：包括分压器、比较器、编码器三部分： 分压器将输入模拟量予以量化；再分压器将输入模拟量予以量化；再把得到的把得到的2N个量化电平与基准电压进行个量化电平与基准电压进行比较；再将比较结果进行编码，从而得比较；再将比较结果进行编码，从而得到相应的数字量。到相应的数字量。编编码码器器 RRRRRRREux8E28E38E48E58E68ER78EABCDEFGD0D1D2数字输出数字输出输入电压输入电压ux比较器输入比较器输入编码器输入编码器输入ABCDEFG D

10、2D1D0Eux7E/811111111117E/8ux6E/811111101106E/8ux5E/811111001015E/8ux4E/811110001004E/8ux3E/811100000113E/8ux2E/811000000102E/8uxE/81000000001E/8 ux00000000000 优点：转换速度快。优点：转换速度快。 缺点：需要的比较器数目多，位数越多此矛缺点：需要的比较器数目多，位数越多此矛 盾越突出。盾越突出。返回返回返回返回二、逐次逼近型二、逐次逼近型ADC 逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、

11、数发生器、逐次逼近寄存器、数-模转换器和电模转换器和电压比较器等几部分组成。压比较器等几部分组成。 逐次逼近是由逐次逼近是由D/A转换器从高位到低位转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压逐位增加转换位数，产生不同的已知电压UA，把输入电压，把输入电压Ui逐次与这些已知电压进行逐次与这些已知电压进行比较而实现。比较而实现。顺序脉冲顺序脉冲发生器发生器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器DAC电电 压压比较器比较器输入电压输入电压Ui输出数字量输出数字量dUA基准基准UR返回返回8 g + 4 g8 g + 4 g + 2 g8 g + 4 g + 1 g8 g8g 13g ，12g 13

12、g，13g 13g，234 1砝砝 码码 重重比比 较较 判判 断断顺顺 序序保留保留保留保留撤去撤去保留保留 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分克，每个重量分别为别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 13克，克，可以用下表步骤来秤量：可以用下表步骤来秤量：返回返回输出为四位逐次逼近输出为四位逐次逼近AD转换过程转换过程234 11 0 0 0UA Ui6 UA Ui5UA Ui“1”留否留否d3 d2 d1 d0UA(V)顺顺 序序比较判断比较判断1 1 0 01 0 1 01

13、0 1 1 例、例、UR= 8V，Ui = 5.52V3210A321048(d2d2d2d2 )2U 转换数字量转换数字量1011 4V+1V+0.5V = 5.5V转换误差为转换误差为 0.02V返回返回逐次逼近转换过程逐次逼近转换过程A/VU65432101 0 1 1清清零零t5.52返回返回1. 分辨率分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。以输出二进制数的位数表示分辨率。 位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。3. 转换速度转换速度 完成一次转换所需要的时间，即从接到完成一次转换所需要的时间，即从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。字量输出所需要的时间。2.