数电第十一章

1、1第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换11.1 概述DigitalDigital Analog Analog一、用途及要求一、用途及要求传感器传感器放大器放大器A/D转换转换微型计算机微型计算机控制控制对象对象D/A转换转换温温度度时间时间电加热炉电加热炉热电偶热电偶执行机构执行机构二、分类二、分类/DACTDACDACD AA DDACVTDACVFDAC权电阻网络并联比较型倒 形电阻网络直接型计数型反馈比较型权电流型逐次渐近型开关树型变换型(双积分型)权电容网络间接型变换型具有双极性输出的11.2 D/A11.2 D/A转换器转换器D111101D/AA(电压电压 或

2、或 电流电流) ？3REF3dRVI ）时时，时时0I0dRVI1d(iiiREFii 2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 11.2.1 权电阻网络D/A转换器A0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3dREFV(LSB)(MSB) V VOv iF( /2)R RRR2R22R32求和放大器权权电电阻阻网网络络模模拟拟开开关关控制控制受数字受数字0303ddSS电路结构和电路结构和工作原理工作原理)IIII(RiRvFFo0123 ）（001122334REFO22222ddddVv nREF00112211nREFO222222DVddddVvnnn

3、nn ）（取取RF = R/2 ，整理得，整理得:对对n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器取转换器取RF = R/2 ，得，得REFnnOnOnV1v11.11D0v0D22 时时当当，时时当当REFnnOnnV2120V, 120D 范围为范围为为为“正正”取取“负负”则则得得OREFVVA0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviF(/ 2)RRRR2R22R3211.2.2 11.2.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC希望用较少类型的电阻，仍然希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流。能得到一系列权电流。RRRRRVIREF

4、n4REF001122334REFOD2V)2d2d2d2d(21RVRRiV )16()8()4()2(010123IdIdIdIdiIdiIdiiii 流流入入地地端端时时，流流入入时时，nnREF00112n2n1n1nnREFOD2V)2d2d2d2d(21RVRRiVn 位输入时，应有位输入时，应有对对REFnnOnnV2120V, 120D 范围为范围为REFOVV取“负”则得为“正”n4REF001122334REFOD2V)2d2d2d2d(21RVRRiV n3REF0011223REFOD2V)2d2d2d(21RVRRiV3 位输入时，应有位输入时，应有对对当当V VRF

5、FRFF=-8=-8时得：时得：原码输入原码输入对应的对应的输出输出V Vo oD2 D1 D0D2 D1 D01 11 11 1+7V+7V1 11 10 0+6V+6V1 10 01 1+5V+5V1 10 00 0+4V+4V0 01 11 1+3V+3V0 01 10 0+2V+2V0 00 01 1+1V+1V0 00 00 00V0V当当V VRFFRFF=-10=-10呢？呢？7520CB实例：实例：2. 转换误差（实际精度）转换误差（实际精度）n用最低有效位用最低有效位LSB的倍数来表的倍数来表示，例如示，例如1/2LSB。n有时也用输出电压满刻度有时也用输出电压满刻度FSR的

6、百分数来表示输出电压误差的百分数来表示输出电压误差绝对误差值的大小。绝对误差值的大小。一、转换精度一、转换精度1.分辨率（理论精度）分辨率（理论精度）n用输入数字量的二进制数码的位数用输入数字量的二进制数码的位数n给出。给出。 n位分辨率的位分辨率的DAC, ,应能输出应能输出0 2n-1 全部全部2n个不同的等级电压，能区个不同的等级电压，能区分出输入代码从分出输入代码从000到到111全部全部 2n个不同的状态。个不同的状态。n用用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比给出。转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比给出。 n位位DAC的分辨率可表示为的分辨率可表示为1 /2n-1

7、11.2.7 DAC11.2.7 DAC的转换精度与转换速度的转换精度与转换速度DAC转换特性曲线转换特性曲线二、二、通常用建立时间通常用建立时间tset来定量描述来定量描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。tset1LSB2voto稳态值稳态值建立时间建立时间tset的文字定义：见书的文字定义：见书524D111101A/DA(电压 或 电流)？11.3 A/D11.3 A/D转换器转换器输入输入连续变化电压连续变化电压，输出，输出为不连续的为不连续的数字量。数字量。一、取样定理一、取样定理11.3.1 A/D转换的基本原理Svt0Ivt0对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样模拟

8、信号模拟信号取样结果取样结果(max)is2 ff 取样频率取样频率vI最高频率最高频率sf(max)if(3 5)(max)Siff一般取)( fA(max)ifS(max)ifff0还原取样信号所用滤波器的频率特性还原取样信号所用滤波器的频率特性满足取样定理条件下，满足取样定理条件下，可用低通滤波器将可用低通滤波器将取样信号取样信号还原为还原为输入模拟信号。输入模拟信号。二、量化和编码二、量化和编码1.量化：量化：进行进行A/D转换时，将采样电压表示为最小数量单转换时，将采样电压表示为最小数量单位（位（）的）的整数倍整数倍。 数字信号最低有效位数字信号最低有效位LSB的的1所代表的数量大小

9、就等所代表的数量大小就等于于。2.编码：编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十十进制），这些代码是进制），这些代码是A/D转换的结果。转换的结果。3.量化误差量化误差：当采样电压不能被：当采样电压不能被整除时，将引入量化整除时，将引入量化误差误差。111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）

10、6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）=1/8 V最大量化误差为最大量化误差为1 =1/8 V=2/15 V最大量化误差为最大量化误差为1/2= 1/15 V要将要将0-1V的模拟电压转换成的模拟电压转换成3位二进制代码：方法一位二进制代码：方法一=1/8 V 方法二方法二=2/15 V11.3.2 取样-保持电路！加大输入电阻！减小输出电阻！Av=1

11、11.3.3 并联比较型A/D转换器并联比较型并联比较型00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159R

12、RVV011111115131511RRVV111111115151513RRVV输入量化 编码111110101100011010001000特点：特点：1、快，、快，CLK触发信号到达触发信号到达到输出稳定建立只需几十到输出稳定建立只需几十纳秒。纳秒。2、精度，受参考电压、分、精度，受参考电压、分压网络等因素影响。压网络等因素影响。3、有存储器，不需要、有存储器，不需要S/H电路。电路。4、电路规模，、电路规模，n位需要位需要2n-1个比较器和触发器。个比较器和触发器。11.3.4 反馈比较型A/D转换器1. 计数型计数型A/D转换器转换器转换开始前先用转换开始前先用复位信号将计数器置零复

13、位信号将计数器置零，而且转换信号应停留在而且转换信号应停留在vL=0的状态。的状态。CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv脉脉冲冲源源模模拟拟输输入入并并行行数数字字输输出出计数器计数器输输出出寄寄存存器器GBv当当vL变为高电平时开始转换，计数器开始计数，变为高电平时开始转换，计数器开始计数， vO不不断增加。断增加。当增至当增至vO = vI时，时， vB=0将门封锁，计数器停止计数，将门封锁，计数器停止计数，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。 CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvO

14、vLv脉脉冲冲源源模模拟拟输输入入并并行行数数字字输输出出计数器计数器输输出出寄寄存存器器GBv这种方案的明显缺点是转换时间太长。这种方案的明显缺点是转换时间太长。CLKnT12）最多需要（最多需要（ =1！简单！简单！慢！慢CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv逐逐次次渐渐近近寄寄存存器器控控制制逻逻辑辑脉脉冲冲源源转转换换控控制制信信号号模模拟拟输输入入2. 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器并并行行数数字字输输出出转换开始前先将寄存器清零，所以加给转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转转换器的数字量也全是换器的数字量也全是0。CDAC(MSB)(LSB

15、)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv逐逐次次渐渐近近寄寄存存器器控制逻辑控制逻辑脉脉冲冲源源转转换换控控制制信信号号模模拟拟输输入入并并行行数数字字输输出出转换控制信号转换控制信号vL变为高电平时开始转换，时钟信号变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的首先将寄存器的最高位置成最高位置成1，使寄存器的输出为，使寄存器的输出为10000。这个数字量被。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模转换器转换成相应的模拟电压拟电压vO，并送到比较器与输入信号，并送到比较器与输入信号vI进行比较。进行比较。逐次渐逐次渐近型近型1.1,1,102.1.OIOIVVVVn高位先置“”则保留若则去掉“”，

16、改为“ ”再将次高位置“”n只要比较 次就够了！电路不太复杂！电路不太复杂！较快！较快1 0 0 0 03位：5个CLKN位: ( n+2)个CLK11.3.5 双积分型A/D转换器双积分型（双积分型（V-T变换型）变换型）先将先将V转换成转换成与之成正比的与之成正比的时间宽度信号，时间宽度信号，然后在这个时间然后在这个时间内用固定频率内用固定频率脉冲计数。脉冲计数。11.3.6 V-F变换型A/D转换器11.3.7 A/D转换器的转换精度与转换速度单片集成的单片集成的A/D转换器采用转换器采用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。分辨率：分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，以输

17、出二进制或十进制的位数表示， 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。转换误差：转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，通常以输出误差最大值的形式给出， 表示实际输出的数字量和理论上应有表示实际输出的数字量和理论上应有 的输出数字量之间的差别，多以最低的输出数字量之间的差别，多以最低 有效位有效位LSB的倍数给出。的倍数给出。 有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。1. A/D转换器的转换精度转换器的转换精度A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型的不同类型的A/D转换器的转换速度相差悬殊。转换器的转换