数模转换和模数转换原理

1、第第8 8章章 数模和模数转换数模和模数转换 8.1 概述概述 8.2 数模转换器数模转换器 8.3 模数转换器模数转换器传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等量等模拟量模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模拟量控制）（模拟量控制）打印机打印机8.1 8.1 概述概述能够将模拟量转换为能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数字量的器件称为模数转换器，简称数转换器，简称A/DA/D转转换器或换器或ADCADC。能够将数字量转换为能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模拟量的器件称为数模转换器，简称模转换器，简称D/AD/A转转换器或换器或DACD

2、AC。 ADC ADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电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路的桥梁，也可称之为两者之间的接口. .ADCADC和和DACDAC的应用：的应用： D/A D/A转换器实质上是一个转换器实质上是一个译码器译码器（解码器）。一般常（解码器）。一般常用的线性用的线性D/AD/A转换器，其输出模拟电压转换器，其输出模拟电压uO O和输入数字量和输入数字量D Dn n之间成之间成正比关系正比关系。U UREFREF为参考电压。为参考电压。一、一、D/AD/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器 D/A D/A

3、转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。 uo或或 io 输出输出 D/A d0 d1 dn1 输入输入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF 将输入的每一位二进制代码将输入的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应成相应的模拟量，然后将代表各位的的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模，则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。的转换。 1-n0iREFiiREF00REF11REF

4、2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu8.2 8.2 数模转换器数模转换器 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各位所对应的各分模拟电压之和。的各分模拟电压之和。 D/A D/A转换器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电压参考电压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。 8.2 8.2 数模转换器数模转换器数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络

5、解码网络n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出求和电路求和电路参考电压参考电压n n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I

6、1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 8.2 8.2 数模转换器数模转换器二、二、D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器运算放大器 集成运算放大器，作为集成运算放大器，作为求和求和权电阻网络的缓冲，并将

7、电流权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。转换为电压输出。8.2 8.2 数模转换器数模转换器 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii时，时，时，时，权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：控制：当当d di i=1=1时，时，S

8、 Si i将对将对应的权电阻接到参考电压应的权电阻接到参考电压U UREFREF上；当上；当d di i=0=0时，时，S Si i将对应的权电阻接地将对应的权电阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虚短虚短8.2 8.2 数模转换器数模转换器 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虚断虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2 =R/2 ，则，则nnREF1n0iiin

9、REFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现，从而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。因而因而u uO O的变化范围是的变化范围是 REFnnU2120 8.2 8.2 数模转换器数模转换器当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时， 。REFnnOU212u 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。8.

10、2 8.2 数模转换器数模转换器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R + 2. 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 电阻解码网络中，电阻只有电阻解码网络中，电阻只有R R和和2R2R两种，并构成倒两种，并构成倒T T型电阻网型电阻网络。当络。当d di i=1=1时，相应的开关时，相应的开关S Si i接到求和点；当接到求和点；当d di i=0=0时，相应的开时，相应的开关关S Si i接地

11、。但由于接地。但由于虚短虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻向，电阻2R2R总是与地相连总是与地相连。这样，倒。这样，倒T T型网络的各节点型网络的各节点向上看向上看和和向右看向右看的等效电阻都是的等效电阻都是2R2R，整个网络的等效输入电阻为整个网络的等效输入电阻为R R。求和点求和点倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图 8.2 8.2 数模转换器数模转换器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1

12、-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n212I 2I 2I 2I 2I I + I 参考电压参考电压UREF供出的总电流为：供出的总电流为：RUIREF 0I0d2R2U2II1diiinREFinii时，时，时，时，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的各支路电流为： 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(8.2 8.2 数模转换器数模转换器流入求和点的电流为：流

13、入求和点的电流为：虚断虚断，运算放大器的输出电压为：，运算放大器的输出电压为： 1n0iiinREFFFO2dR2URIRu倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；而，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型电型电阻网络阻网络。8.2 8

14、.2 数模转换器数模转换器令令 R RF F=R =R ，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现了从，从而实现了从数字量到模拟量的转换。数字量到模拟量的转换。分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。 121UUnm 分辨率分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分辨率与输入数字量的位数有关，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨

15、率越高越大，分辨率越高。 8.2 8.2 数模转换器数模转换器1. 分辨率分辨率 三、三、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的入数字量的位数位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；可用可用D/A转换器的最小输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之比之比来表来表示分辨率。示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD0008.2 8.2 数模转换器数模转换器2. 转换精度转换精度 D/A D/A转换器的转换精度是指输出模拟电

16、压的转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想实际值与理想值之差值之差，即最大静态转换误差。，即最大静态转换误差。3. 转换速度转换速度 从输入的数字量发生突变开始，从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0.5LSB范围内所需要的时间，称为范围内所需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。 4. 温度系数温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变在输入不

17、变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变，输出电压变化的化的百分数百分数作为温度系数。作为温度系数。8.2 8.2 数模转换器数模转换器1.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC08328位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一个它由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DA

18、CDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换器转换器三大三大部分组成，部分组成，D/AD/A转换器采用转换器采用了倒了倒T T型型R R-2-2R R电阻网络电阻网络。LELE1 1，跟随，跟随 0 0，锁存，锁存8.2 8.2 数模转换器数模转换器2.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大（满最大（满量程输出）；为全量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1

19、OUT1为为0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分输入信。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须只要将此引脚接到运放

20、的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。外加反馈电阻。ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。 CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。 WRWR1 1：输入数据选通信号，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低电平有效。 WRWR2 2：数据传送选通信号，低电平有效。（：数据传送选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存）8.2 8.2 数模转换器数模转换器 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理

21、解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的于模拟电路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成对测量的精度是构成影响的，因此，影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线开布线，只在板中的一点把它们连接起来。，只在板中的一点把它们连接起来。 DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。：数字地，是控

22、制电路中各种数字电路的零电位。 AGNDAGND：模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模拟电路的零电位。转换器中模拟电路的零电位。 U UREFREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。基准源。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。U UCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。 3.DAC08323.DAC0832特性参数特性参数 8.2 8.2 数模转换器数模转换器分辨率：分辨率： 8 8位位建立

23、时间：建立时间： 1 1 s s增益温度系数：增益温度系数： 20ppm/20ppm/（ppmppm-百万分之一，百万分之一，1010-6-6）输入电平：输入电平： TTLTTL功耗：功耗： 20mW20mW4.DAC08324.DAC0832工作方式工作方式 当当ILEILE、CSCS和和WRWR1 1同时有效时，输入数据同时有效时，输入数据DIDI7 7DIDI0 0进入输入进入输入寄存器；并在寄存器；并在WRWR1 1的上升沿实现数据锁存。当的上升沿实现数据锁存。当WRWR2 2和和XFERXFER同时有同时有效时，输入寄存器的数据进入效时，输入寄存器的数据进入DACDAC寄存器；并在寄

24、存器；并在WRWR2 2的上升沿实的上升沿实现数据锁存。八位现数据锁存。八位D/AD/A转换电路随时将转换电路随时将DACDAC寄存器的数据转换为寄存器的数据转换为模拟信号（模拟信号（I IOUT1OUT1+ +I IOUT2OUT2）输出。）输出。 DAC0832 DAC0832 的使用有的使用有双缓冲器型双缓冲器型、单缓冲器型单缓冲器型和和直通型直通型三种三种工作方式。工作方式。 DAC0832DAC0832的三种工作方式的三种工作方式 8.2 8.2 数模转换器数模转换器（b b）单缓冲方式单缓冲方式：适合在不要求多片：适合在不要求多片D/AD/A同时输出时。此时只需一次写操同时输出时。

25、此时只需一次写操作，就开始转换，提高了作，就开始转换，提高了D/AD/A的数据吞吐量。的数据吞吐量。（a a）双缓冲方式双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/AD/A的的同步转换输出。同步转换输出。（c c）直通方式直通方式：输出随输入的变化随时转换。：输出随输入的变化随时转换。 A/D A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码取样、

26、保持、量化和编码四个步骤完成。四个步骤完成。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器一、一、A/DA/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时转换为时间上离散的信号间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.1.取样和保持取样和保持 8.3 8.3 模数转换器模数转换器取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲

27、 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 maxf2fs 模拟信号经采样后，得到一系列模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲样值脉冲。采样脉冲宽度。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冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加后须加保持电路保持电路。8.3 8.3 模数转换器模数转换器在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t) )到来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，U UI I( (t t) )向电容向电容C C充电，假充电，假定

28、充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t(t) )U US S(t(t) )U UI I(t(t) )。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t(t) )不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。下一个采样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，运算放大器为，运算放大器为跟跟随器随器，起缓冲，起缓冲隔离隔离作用。作用。取样保持电路及输出波形取样保持电路及输出波形 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是输入的模拟电压经过取样保

29、持后，得到的是阶梯波阶梯波。而该阶。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n n位数字量只能表示位数字量只能表示2 2n n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于似于四舍五入的近似问题四舍五入的近似问题。8.3 8.3 模数转换器模数转换器2.2.量化和编码量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为程称为量化量化。指定的离散电平称为。指定的离散电平称为量化电平量化电平U Uq q 。用二进制数码。用

30、二进制数码来表示各个量化电平的过程称为来表示各个量化电平的过程称为编码编码。两个量化电平之间的差值。两个量化电平之间的差值称为称为量化单位量化单位，位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保就越小。取样保持后未量化的持后未量化的U Uo o值与量化电平值与量化电平U Uq q值通常是不相等的，其差值称为值通常是不相等的，其差值称为量化误差量化误差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。8.3 8.3 模数转换器模数转换器1)1)只舍不入法只舍不入法 当当U Uo o的尾数的尾数时

31、，时，舍尾取整。舍尾取整。这种方法这种方法总总为正值，为正值，maxmax 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 当当U Uo o的尾数的尾数/2/2时，舍时，舍尾取整；当尾取整；当U Uo o的尾数的尾数/2/2时，时，舍尾入整。舍尾入整。这种方法这种方法可正可可正可负，但是负，但是| | maxmax|= |= /2/2。可见，。可见，它的误差要小。它的误差要小。 A/DA/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较比较，从，从而而直接直接将模拟量将模拟量转换转换成数字

32、量。其特点是成数字量。其特点是工作速度高工作速度高，转换精，转换精度容易保证，调准也比较方便。度容易保证，调准也比较方便。直接直接A/DA/D转换器有计数型、逐次转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型比较型、并行比较型等。等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量中间变量时间时间t t或频或频率率f f, , 然后再将然后再将t t或或f f转换成数字量。其特点是转换成数字量。其特点是工作速度较低工作速度较低，但，但转换精度可以做得较高转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。，且抗干扰性强。间接间接A/DA/D转换器有单次转换器有单次积分型、双积分型积分型、

33、双积分型等。等。8.3 8.3 模数转换器模数转换器二、二、A/DA/D转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式8.3 8.3 模数转换器模数转换器 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 电电 压压 比比 较较 器器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄寄 存存 器器 编编 码码 器器 15U13REF 15U11REF 15U9REF 15U7REF 15U

34、5REF 15U3REF 15U1REF 1. 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 量化电平依据有舍有量化电平依据有舍有入划分为入划分为7 7个电平。个电平。量化单位为量化单位为 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化误差为量化误差为|maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF电压比较器电压比较器 U U+ +U U- -时，时，C Ci i1 1； U U+ +U U- -时，时，C Ci i0 0。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器真值表转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）

35、QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V则数字量输出则数字量输出d d2 2d d1 1d d0 0101101。优点：转换速度很快，故又称优点

36、：转换速度很快，故又称高速高速A/DA/D转换器转换器。含有寄存器。含有寄存器的的A/DA/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保不用附加取样保持电路持电路。缺点：电路复杂，对于一个缺点：电路复杂，对于一个n n位二进制输出的并行比较型位二进制输出的并行比较型A/DA/D转换器，需转换器，需n n -1-1个电压比较器和个电压比较器和2 2n n -1-1个触发器，编码电路也个触发器，编码电路也随随n n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。较器灵敏度的限制。 因此，这

37、种转换器适用于因此，这种转换器适用于高速，高速， 精度较低精度较低的场合。的场合。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的特点：转换器的特点：2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 8.3 8.3 模数转换器模数转换器 取样保持 n位DAC 控制逻辑 + - + C 时钟源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 输出寄存器 转换控 制信号 模拟输入 u1 u1 偏移电压 u0 u0 /2 UREF 比较器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d2 数字输出 d1 d0 (LSB) 逐次逼近型逐次逼近

38、型A/DA/D转换器原理图转换器原理图 8.3 8.3 模数转换器模数转换器转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SARSAR清清“0”0”；开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成最高位置成1 1，使输出数字为使输出数字为10001000。这个数码被。这个数码被D/AD/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u uo o，经偏移，经偏移/2/2后得到后得到u uO Ou uO O/2/2，并送到比较器中，并送到比较器中与与u uI I进行比较。进行比较。若若u uI Iu uo o，说明数字过大，故将最高位的

39、，说明数字过大，故将最高位的1 1清清除置零；若除置零；若u uI Iu uo o，说明数字还不够大，应将这一位保留。，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，按同样的方法将次高位置成然后，按同样的方法将次高位置成1 1，并且经过比较以后确，并且经过比较以后确定这个定这个1 1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，为止。比较完毕后，SARSAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理：转换器的工作原理： 8.3 8.3 模数转换器模数转换器例：若例：若

40、U UREFREF-4V-4V，n n4 4。当采样保持电路输出电压。当采样保持电路输出电压u uI I=2.49V=2.49V时，试时，试列表说明逐次逼近型列表说明逐次逼近型ADCADC电路的电路的A/DA/D转换过程。转换过程。解：量化单位为解：量化单位为V2501642|U|nREF. 偏移电压为偏移电压为/2/20.125V0.125V转换的结果为：转换的结果为：d3d2d1d01010。 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

41、时钟脉冲通过计数器将T T变变换成数字量。换成数字量。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器3.3.双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 这种这种A/DA/D转换器具有很多转换器具有很多优点优点。首先，其转换结果与时间。首先，其转换结果与时间常数常数RCRC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，无关，从而消除了由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。允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T T1 1，而而T T2 2正比于输入信号在

42、正比于输入信号在T T1 1内的平均值，这对于叠加在输入信号内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/DA/D转换器不必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采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T T1 1+ +T T2 2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中度较高而转换速度要求不高的仪器中。 mVVV44.2096410101221分辨率分辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/D

43、A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个上讲，一个n n位二进制数输出的位二进制数输出的A/DA/D转换器应能区分输入模拟电转换器应能区分输入模拟电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。 FSRn218.3 8.3 模数转换器模数转换器三、三、A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号位二进制数，最大输入模拟信号为为10V10

44、V，则其分辨率为，则其分辨率为 2. 2. 转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始，到输转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/DA/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型类型A/DA/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需

45、几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器8.3 8.3 模数转换器模数转换器3. 3. 转换误差转换误差 它表示它表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用之间的差别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616个热电个热电偶的输出电压分数进行偶的输出电压分数进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0 0450450温度范围），需分辨的温度为温度范围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选择几，试问应选择几位的位的A/DA/D转换器？其转换时间为多少？转换器？其转换时间为多少？解：解：4500145010 .分辨率分辨