数字电子技术 DA与AD转换

学习要点：数－模转换的基本原理

模－数转换的基本原理第九章数-模和模-数转换器9.1

概述随着计算机技术的发展，数字控制、数字测量，已被广泛应用。然而日常处理的物理量如温度、压力、流量、速度等大都是连续变化的模拟量，传感后的电信号也是模拟量，要用计算机控制，必须先转为数字量，经过数字处理后再变为模拟信号应用到模拟系统9.1

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。典型数字控制系统框图式中，Ku为比例系数（转换系数）9.2D/A转换电路9.2.1D/A转换的基本原理一个n位二进制数可表示为：D=dn-1dn-2….d1d0，其最高位到最低位的权依次为：2n-12n-2….2120

，，输出模拟量与数字量的关系为：0000010100111001011101111234567如图，是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。图中二进制代码111对应的输出电压U0MAX，假如令U0MAX=7v,3位二进制数D/A转换器有8个输出模拟电压，即从0~7V。当最大输出电压确定后，输入数字量的位数越多，输出模拟量的阶梯间隔越小，表示转换器的分辨率越高。2、D/A转换的电路结构数码寄存器n位模拟电子开关解码网络求和电路基准电压n位数字量输入模拟量输出D/A转换的种类权电阻网络D/A转换器权电容网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器权电流型D/A转换器9.2.2权电阻网络D/A转换器2n-1RI02n-2R2n-3R20R-UR数据寄存器d0d1d2dn-1……-+In-1U0RFI若n=49.2.2权电阻网络D/A转换器设：上式表明,输出模拟电压与输入数字量成正比,即完成数模转换。如果输入n位二进制，则权电阻网络D/A转换器的优点：简单直观。主要缺点：电阻电阻品种多且范围太宽。例：8位转换器需8个电阻，从R到8R递增变化，在如此宽的范围内保证每个电阻的精度是十分困难的。所以该转换器精度难以保证。模拟拟开开关关，，受受Di控制制。。Di=1时，模拟拟开关左拨,Di=0时，模拟拟开关右拨。。数据据寄寄存存器器RF9.2.3T型电电阻网络D/A转换器器2

R2

R2

R2

R+URd0d1d2dn-1……-+U02

R01RRR2R求和放大器最高位MSB最低位LSB当d3d2d1d0=0001时时，RF2

R2

R2

R2

R+UR-+u02

R01RRR2Rd0d1d2d3aa

Req0UocReq=R2

R2

R2

R2

RRRRa0UR2

R2

R2

R2

RRRRa0UR12

R2

R2

R2

RRRa0UR12R0222

R2

R2

R2

RRRRa0UR22R02R2R2R2

R2

R2

R2

RRRRa0UR2R2

R2

R2

R2

RRRRa0UR2R22R02R332R0aR0Req=R同理：当d3d2d1d0=0010时时，Req=R同理：当d3d2d1d0=0100时时，Req=R同理：当d3d2d1d0=1000时时，Req=R应用叠加定理理将电压分量量叠加得：RF2

R2

R2

R2

R+UR-+u02

R01RRR2Rd0d1d2d3aR当RF=3R时，如果输入n位二进制数，，则当d3d2d1d0=1101时时，T型电阻网络络需要较多电电阻，但电阻阻只有两种R和2R，较较容易保证电阻的的精度。有利利于提高转换换精度，降低低成本。P.262倒倒数第3行式子错P.264图图9-7中A点应改改为a,U0应改为u0P.272图图9-14中xx/14应改改为xx/15P.269第第5行在在时间上是（（离散）连续的9.2.6D/A转换器的的主要参数1.转换精度度1）分辨率：：用于表征D/A转换换器对外输入入微小量变化化的敏感程度度。其定义为D/A转换换器模拟量输输出电压可能能被分离的等等级数输入数字位数数越多，输出出电压被分分离的等级越越多，即分辨辨率越高。分辨率如，10位转换器器的分辨率：：若已知分辨率率及满刻度输输出电压U0max=10V,求求n1=10,n2=11时，D/A转换换器最小输出出电压ULSB。2.转换换误差引起转换误差差的因素：各各元件参数的的误差，基准电压不稳稳，运放的零零点漂移等。。1、比例系数数误差2、失调误差差3、非线性误误差3.转换换速度1、建立时间间2.转换换速率9.3A/D转转换器9.3.1A/D转换换器的一般步步骤和分类由于模拟量时时间和（或））数值上是连续的，而数字量在在时间和数值上上都是离散的的，所以转换换时要在时间间上对模拟信号离散化（（采样），还还要在数值上上离散化（量量化），一般步骤为：采样保持量化编码1、采样和保保持采样和保持的的任务是当输输入信号变化化较快时，要要求输出信号能快速而而准确地跟随随输入信号的变变化进行间隔隔采样，在两次采样之之间保持上一一次采样结束束时的状态。。模拟开关采样控制信号号保持电容采样输出波形形采样－保持电电路（1）采样样定理模拟信号采样信号设采样信号S(t)的频频率fS，输入模拟信信号ui的最高频率分量的频率fmax，则，fS必须大于等于于输入模拟信信号包含的最高频率fmax的两倍，即：：工程上一般取取2、量化及编编码量化：将采样电压转转化为数字量量最小数量单单位的整数倍倍的过程。用表示编码：将量化结果用用代码表示出出来。量化误差：：由于模拟量不不一定能被整除。AD转换器的位位数越多,量量化误差越越小.是量化过程程中所取的最最小数量单位位称为量化单单位,它是最低位为为1时所对应应的模拟量,即1LSB例如：要将01V的模拟拟电压转换为为三位二进制制代码。方法1，去尾尾法（只舍不不入）：＝1/8V，01/8V的电电压以0×表示，则则：模拟电压二进制编码代表的模拟电电压电平可见量化误差差最大达=1/8V。。方法2，四舍舍五入法：取＝2/15V，01/15V的电电压以0×表示，则则模拟电压二进制编码代表的模拟电电压电平可见量化误差差最大达/2=1/15V。15151515151515编码器1.电路结构构9.3.2并行比较型A/D转转换器输入模拟电压压0~UR输出3位数字字量将UR分成8等份,输出3位数字字量当0≤Ui＜UR/15UiC7~C1输出全0Q7~Q1也全0D2D1D0=00015151515151515151515151515159.3.6A/D转换器的的主要技术指指标1.转换精度度A/D转换换器的分辨率率是指输出数数字量变化一一个最低有效位LSB所对应的输输入模拟电压压的变化量.例如，输入模模拟电压为0~10V,输出10位数码,则分辨率：：1)分辨率：：例9-3某某信号采集集系统要求用用一片A/D转换芯片在在1秒内将16个热电偶偶的输出电压压分时进行A/D转换。。已知热电偶偶输出电压范范围为0~0.025V（对应0~450℃）），需要分辨辨的温度为为0.1℃℃，试问应选选择多少位的的A/D转换换器？其转换