模数转换设备

1、模数转换设备电子信息系统典型结构概述概述 计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们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。为使计算机系统能生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，就必须有一够了解外部世界，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，这就是常说的接口，这就是常说的 A/DA/D和和 D/AD/A。 虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但

2、由于散的，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，我们对客观世界的了解、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所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。的。 ADCADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也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口。可称之为两者之间的接口。 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称称A/DA/D转换器或转换器或ADCADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简能将数字量转换为模拟

3、量的电路称为数模转换器，简称称D/AD/A转换器或转换器或DACDAC。 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 本章将简单介绍本章将简单介绍D/AD/A转换器和转换器和A/DA/D转换器的几种主要形式。转换器的几种主要形式。1 D/A转换器(DAC)一、一、D/AD/A转换器的基本原理和转换特性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换成相应的模拟量，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，

4、量相加，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。这样便实现了从数字量到模拟量的转换。uo或io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnu给定数字量的给定数字量的D/AD/A转换过程：转换过程：按权展开，求相应位的模拟量；按权展开，求相应位的模拟量；相加求和，求总的模拟量；相加求和，求总的模拟量；电阻网络：实现按权展开；电阻网络：实现按权展开；电子开关电子开关: : 给定数字量；给定数字量；求和电路求和电路: : 完成模拟量相加。完成模拟量相加。DACDAC的一般构成：的一般构成：存在多种网络存在多种网络形式。形式。由晶体管或由晶

5、体管或MOS管组成。管组成。由运放组成由运放组成 。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248 二、二进制权电阻网络二、二进制权电阻网络DACDAC参参考考电电压压电子开关：电子开关：d d11接接“-”;d=0 -”;d=0 接接“+”+”不论不论d d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。求和求和电路电路电路电路R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122

6、333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREFBREFREFFFNVddddViRiRu40011223342)2222(22o设RF=R/2 转换原理转换原理输出输出 R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R 三、三、T T型电阻网络型电阻网络DACDAC电路电路电子开关：电子开关：d d11接接“V VR R”;d=0 ”;d=0 接接“地地” 2R 2R R +VA B 2R 2R 2R +VR A 转换原理转换原理 R

7、 R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R V VR R通过通过S S0 0到到D D点点 的电压值的电压值等效电路：等效电路：32RRAVVRRRVS S0 0接接V VR RS S1 1 S S2 2 S S3 3接地接地3212RAABVVVRRRV3412RBCVVV3812RCDVVV同理：同理：所以，所以，当当d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000010001时时381RDVV R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1

8、d2 +VR uo + B C D A P 2R 同理，当同理，当d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000100010时时341RDVV当当d d3 3d d2 2d d1 1d d0 001000100时时321RDVV当当d d3 3d d2 2d d1 1d d0 010001000时时3RDVV d d3 3d d2 2d d1 1d d0 0为任意值时为任意值时 D D点的电压值点的电压值BRRRRRRDNVddddVdVdVdVdVV32)2222(32383432330011223330123 输出：输出：BRfDfONVRRVRRV32223BRONVV42取取R

9、Rf f3R 3R ： R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 电路电路注注：1、电子开关置于电阻网络和运放之间。电子开关置于电阻网络和运放之间。 d di i1 1电流入电流入P P点（虚地），点（虚地）， d di i0 0电流入地（实地）。电流入地（实地）。 2 2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），、无论开关在左（实地）还是在右（虚地）， 电流不变，故无需电流建立时间。电流不变，故无需电流建立时间。四、倒四、倒T T型电阻网络型电阻

10、网络DACDAC 转换原理转换原理 R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 节点节点A、B、C、D以左，等效电阻为以左，等效电阻为2R。 总等效电阻为总等效电阻为R。总电流总电流RVIR 转换原理（续）转换原理（续） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223每过一个节点，电流被分

11、流每过一个节点，电流被分流1/2。RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210 转换原理（续）转换原理（续） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210流入流入P点总电流点总电流）（001122332222161ddddRVIR输出电压输出电压）（001122334222221ddddFRFORRVRIVRRF取取BRRONVVV4001122334222222）

12、（dddd2 采样：以一定的周期读取输入电压信号。采样定理：fs2, fAmax 工程上： fs10fAmax保持：使读取的信号在周期内不变。转换原理转换原理 模拟信号（模拟信号（A A）转换成数字信号（）转换成数字信号（D D）需要时间，所以转）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以号辐值离散。所以ADAD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。散和时间离散。 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

13、展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)时间离散时间离散采样定理采样定理辐值离散辐值离散量化编码量化编码Vref要求要求在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。采样后保持原信号特征。采样后保持原信号特征。采样定理采样定理max2iSff 采样频率大于采样频率大于2倍输入倍输入信号频率的最大值。信号频率的最大值。主要参数n参考电压： AD转换最大数值n输出字段： 转换后的字节各个位数的含义n转换精度： 由参考电压和输出字段长度共同决定，为ADC的最小步进电压，反映了ADC对最小电压变化的检测能力。模数转换器类型n跟踪式模数转换器n快速模

14、数转换器n逐次逼近型模数转换器n双斜率模数转换器n-模数转换器nHalf-Flash模数转换器1 跟踪式模数转换器n组成：n 一个比较器，一个计数器，一个DACn缺点： (1)转换速度慢 (2)最高时钟频率取决于DAC和比较器的信号延时速度2、快速A/D转换器REFREFREFREFREFREFREFREFVvVvVvVvVvVvVvVv16151613161116916716516316187654321快速A/D转换器特点n优点：转换速率快n缺点：耗费了大量比较器和逻辑电路， 功耗大3 3、逐次比较、逐次比较型型A/D转换器转换器特点：转换速度中速（几十K到几百KHz）， 成本较低。对分查

15、找对分查找逐次比较逐次比较型型A/D转换器特点转换器特点n通过对分查找得到输出数值，相比于快速ADC,节省了大量的比较器。nN位的ADC需N个时钟单元内完成一次转换 双积分型双积分型ADCADC的转换原理是先将模拟电压的转换原理是先将模拟电压U UI I转换成与其大转换成与其大小成正比的时间间隔小成正比的时间间隔T T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T T变变换成数字量。换成数字量。 4 双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型ADC双积分型A/D转换器特点n首先，其转换结果与时间常数首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由无关，从而消除了由

16、于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。较宽范围内变化，而不影响转换结果。n其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值值T1，而，而T2正比于输入信号在正比于输入信号在T1内的平均值，这对于内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。n最后，这种最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内

17、保持稳）内保持稳定即可。这种转换器被广泛定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中换速度要求不高的仪器中。 5 、 -型ADCn -ADC的基本思想是用数字化速度来换取位数，即采用高速、低位数(通常是1位)的ADC来实现低速、高位数的ADC。其主要组成是-调制器及低通数字滤波器，如图所示。 -调制器由差动器、积分器和比较器构成，它们一起构成一个反馈环路。调制器以远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，输出一位数字位流。数字低通滤波器完成低通滤波和抽取功能。n-调制器的特点在于它的噪声整型特性。它将模拟输入与反馈信号(误差信号)进行差动

18、(delta)比较，将比较产生的差动输出馈送到积分器(sigma)中，然后将积分器的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号(误差信号)通过一位DAC后传送到差动器，而自身被馈送到数字滤波器中。一种集成-型ADC原理框图-调制器-型A/D转换器特点n1、精度很高。n2、转换速率不够高,适于音频采样。n3、需设计数字滤波器。6 Half-Flash模拟转换器n将转化比特分为高字节和低字节，以FLASH型ADC级联的结构进行模数转换n转换速度处于FLASH和逐次比较型之间，减小了驱动电流。7 各种ADC的比较n书上图2.8n性能比较的方面 a.转换精度 b.最大转换速度 采样和保持n模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉