数字电子技术基础课件：第7章 数模和模数转换

1、第7章 数模和模数转换学习要点： 数模和模数转换的基本原理第7章 数模和模数转换7.1 概述7.2 D/A转换器7.3 A/D转换器传感器（温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，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。ADC和DAC的应用：7.1 概述7.2.1 D/A转换器的基本原理7.2.2 D/A转换器的构成7.2.3 集成D/A转换器及其应用7.2 D/A转换器基

2、本原理7.2.1 D/A转换器的基本原理1D/A转换器的基本原理和转换特性 u0或i0输出D/Ad0d1dn-1输入 D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量D之间成正比关系。 Ku为电压转换比例系数。 D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。uODu将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，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的转换。即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。转换特性D/A转换器的转换

3、特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出模拟电流io=KiD。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：000 001 010 011 100 101 110 11176543210Duo(V)（1）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n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级

4、的输出模拟电压。2D/A转换器的主要技术指标 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的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）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之差，即最大静态转换误差。（3）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的时间，称为输出建立时间。7.2.2 D/A转换器的构成D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。 数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码网络n位数字量输入模拟量输出求和电路参考电压n 位D/A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存

5、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；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（求和端，虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。1二进制权电阻网络D/A转换器 R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+设RF=R/2R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+分别从虚线A、B、C、D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

6、入端（求和端，虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。2倒T型电阻网络D/A转换器 从参考电压端输入的电流为： 2R2R2R2RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+2RRRRI1I0I2I3ABCD2R2R2R2RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+2RRRRI1I0I2I3ABCD2R2R2R2RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+2RRRRI1I0I2I3ABCD2R2R2R2RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1

7、S2d0d3d2d1+VREFuo+2RRRRI1I0I2I3ABCD即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量D，从而实现了从数字量到模拟量的转换。D倒T型电阻网络D/A转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有R和2R，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。 应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。7.2.3 集成D/A转换器及其应用1162153144135126117108 9DAC0808NCGNDVEEIOD7D6D5D4COPVREF(-)VCCD0D1D2D3(a)引脚排列图

8、VREF(+)D0D1D2D3D4D5D6D7+VREF(+5V)VEE(-5V)5 13 14671589210114123 16DAC0808VCC(+5V)2.4k2.4k0.1FIORL(b) D/A转换电路D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：本节小结7.3 A/D转换器7.3.1 A/D转换器

9、的基本原理7.3.2 A/D转换器的构成7.3.3 集成A/D转换器及其应用模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。7.3.1 A/D转换器的基本原理1A/D转换器的基本原理 dn-1d1d0数字量输出（n位）ADC的数字化编码电路 CPSSCADC采样保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t) A/D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、量化和编码四个步骤完成。 采样保持量化编码UIDO模

10、拟量输入数字量输出1A/D转换器的基本原理 ut0t采取样（也称取样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。（1）采样和保持 取样过程 采样脉冲 输入模拟信号 采样输出信号 采样定理：取样开关US (t)UI (t)S(t)UI (t)0tS(t)0tUS (t)0tTS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冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓

11、冲隔离作用。取样保持电路及输出波形0tUo(t)US (t)Uo (t)UI (t)VTS (t)CA+-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冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持取样保持电路及输出波形0tUo(t)US (t)Uo (t)UI (t)VTS (t)CA+-输

12、入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n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四舍五入的近似问题。（2）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，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位，位数越多，量化等级越细，就越小。采样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差，即=UoUq 。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。1)只舍不入法当Uo的尾数时，舍尾取整。这种

13、方法总为正值，max 。 2)有舍有入法当Uo的尾数/2时，舍尾取整；当Uo的尾数/2时，舍尾入整。这种方法可正可负，但是|max |=/2。可见，它的误差要小。 取样保持信号(1) (2) (3) (4) (5) (6)6543210000 000 011 101 100 001t量化电平取样保持信号(1) (2) (3) (4) (5) (6)6543210000 001 100 110 100 010t量化电平（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V282

14、0mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的时间。3A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并联比较型等。 间接法是将取样后的模拟信号

15、先转换成中间变量时间 t或频率f ，然后再将 t 或 f 转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。A/D转换器的主要电路形式：7.3.2 A/D转换器的构成0uiVREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。+C6+C7+C5+C4+C3+C2+C11DC11DC11DC1

16、1DC11DC11DC11DC1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比较器寄存器编码器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF11并联比较型A/D转换器 3VREF/14 ui5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/14时，比较器C1、 C2、 C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、 FF2、 FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的

17、输出二进制数。+C6+C7+C5+C4+C3+C2+C11DC11DC11DC11DC11DC11DC11DC1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比较器寄存器编码器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF1输入模拟电压寄 存 器 状 态输出二进制数uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1d2 d1 d00 0 0 0 0 0 00 0 0)VREF( 0 1410 0 0 0 0 0 10 0 1)VREF( 1431410 0 0 0 0 1 10 1 0)VREF( 1451430 0 0 0 1 1 10 1 1)VREF( 1

18、471450 0 0 1 1 1 11 0 0)VREF( 1491470 0 1 1 1 1 11 0 1)VREF( 14111490 1 1 1 1 1 11 1 0)VREF( 141314111 1 1 1 1 1 11 1 11 )VREF( 1413转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理2逐次逼近型A/D转换器 输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器3位逐次逼近型A/D转换器Q1Q2Q3Q4Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1FF2FF3FF4 FF5&uoCPuCd2(22)FFAQFFBQFFCG1G2G3G4G5QG6G7G8uC=1S C1 1R1S C1 1R1S C1 1R3位D/A转换器=1(ui0)计数器中所计的二进制数值 逻辑控制门定时器n位二进