第23章模拟量和数字量的转换

第23章模拟量和数字量的转换学习要点：数模和模数转换的基本原理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。数—模和模—数转换的原理框图D/A和A/D转换器的原理框图23.1D/A转换器23.1.1D/A转换器的技术指标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。基本原理转换特性D/A转换器的转换特性，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=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。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-2…d1d0，则输出模拟电压为：（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个不同等级的输出模拟电压。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）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）输出电压(或电流)的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。（4）线性度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。产生非线性误差有两种原因：一是各位模拟开关的压降不一定相等，而且接UR和接“地”时的压降也未必相等；各个电阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的电阻阻值的偏差对输出模拟电压的影响又不一样。（5）电源抑制比在高质量的D/A转换器中、要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生变化时，对输出电压的影响非常小。输出电压的变化与相对应的电源电压变化之比，称为电源抑制比。此外，还有功率消耗、温度系数以及输入高、低逻辑电平的数值等技术指标。23.1.2倒T形电阻网络D/A转换器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1还是0，各支路的电流不变的。设RF=R/2①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。②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1还是0，各支路的电流不变。AD7520的外引线排列及连接电路AD7520输入数字量与输出模拟量的关系23.1.3集成D/A转换器及其应用本节小结：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：23.2.1A/D转换器的基本原理模拟电子开关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。23.2A/D转换器t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。（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0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。（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这段时间。（4）电源抑制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100…0。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ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，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23.2.2逐次逼近型A/D转换器4位逐次逼近型A/D转换器组成部分逐次逼近寄存器它由四个可控RS触发器FF3,FF2,FF1,FF0组成,其输出是四位二进制数d3,d2,d1,d0。顺序脉冲发生器它为环形计数器,输出的是Q4,Q3,Q2,Q1,Q0五个在时间上有一定先后顺序的顺序脉冲,依次右移一位。D/A转换器它的输入来自逐次逼近寄存器,D/A转换器将这个输入数字量转换为相应的模拟电压U0,送到电压比较器的同相输入端。电压比较器控制逻辑门读出与门U0逼近U1的波形四位逐次逼近型ADC的转换过程ADC0809的结构框图ADC0809的外引线排列图8选1模拟量选通表转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若ui＜uo时，比较器输出uc=1；当ui≥uo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理23.2.3集成A/D转换器及应用

A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提