第(8)章 数模和模数转换

1、第第第第第第8 8 8 8 8 8章章章章章章 数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换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8.1 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A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC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。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一一 D/AD/A转换器的基本原理转换器的基本原理将输入的每一位二进制代

2、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，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(00112211oddddKunnnnu8.2 D/A8.2 D/A转换器转换器二二 D/AD/A转换器的构成转换器的构成1二进制权电阻网络 D/A转换器RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF2 4 8 163210不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚

3、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，各支路的电流不变的。，各支路的电流不变的。 2R 4R 8R 16R RF I1 I0 I2 I3 IREF iF i S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 +VREF uo + 2R 4R 8R 16R RF I1 I0 I2 I3 IREF iF i S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 +VREF uo + )2222(224816001122334321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFR

4、EFREFREFREF)2222(2001122334oddddViRiRuREFFF设RF=R)2222(2001122334oddddViRiRuREFFF2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

5、，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：RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFF R R R 2R 2R 2R 2R 2R

6、 RF I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I3 IREF iF i S3 S0 S1 S2 d0 d3 d2 d1 +VREF uo + B C D A （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

7、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. 01023112110三三.D/A.D/A转换器主要性能指标转换器主要性能指标四四 D/AD/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0832是是8位权电流位权电流型型D/A转换器

8、，其中转换器，其中D0D7是数字量输入是数字量输入端。端。 使用使用时，需要外接运时，需要外接运算放大器算放大器当当VREF=5V时，时，输出电压大小为：输出电压大小为：708O225iiiDvDAC0832 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（ 设设VREF=5V）8.3 A/D A/D转换器转换器一一A/DA/D转换的一般步骤转换的一般步骤 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为： 取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110

9、vI（ t）vI（ t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）oovtIv 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理电路组成及工作原理:S闭合，电路取样，电容闭合，电路取样，电容Ch充电。充电。vO=vI。S打开，电路保持，打开，电路保持，Ch无放电回路，所以无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。tvIo例：将例：将01V的的模拟电压转换成模拟电压转换成3位二进制数。位二进制数。=Um/8。这种方法产生的最大的误差为1/8V。量化和编码量化和编码还是上一个例子，这种方法产生的最大误差为还是上一个例子，这种方法产生的最大误差为1/15V。二二 逐次比较型逐次比较型A/

10、D转换器转换器1、转换原理：、转换原理：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量： 转换开始前先将所有寄存转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位钟脉冲首先将寄存器最高位置成置成1，使输出数字为，使输出数字为1000。这个数码被这个数码被D/A转换器转换转换器转换成相应的模拟电压成相应的模拟电压uo，送到，送到比较器中与比较器中与ui进行比较。若进行比较。若ui uo，说明数字过大了，故，说明数字过大了，故将最高位的将最高位的1清除；若清

11、除；若ui uo，说明数字还不够大，应将这说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成的方式将次高位置成1，并且，并且经过比较以后确定这个经过比较以后确定这个1是否是否应该保留。这样逐位比较下应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。就是所要求的数字量输出。vICvD/A转转换换器器移移位位寄寄存存器器数数据据寄寄存存器器REFVOv控控制制逻逻辑辑模模拟拟量量0D1D2DD3QQQ2Q13031Q0Q2QQ2 转换框图：转换框图：注意：注意：1、输出数字量从、输出数字量从D7-D0(高位高位到低位）顺次接电平指示。到低位）顺次接电平指示。2、输入模拟量从直流电