第九章数模和模数变换器

电子技术数字电路部分第九章数/模与模/数变换器1第九章数/模与模/数变换器§9.1概述§9.2D/A变换器§9.3A/D变换器2一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁模

/

数（A

/

D）转换:AnalogtoDigitalConverter（ADC）数

/

模（D

/

A）转换:DigitaltoAnalogConverterDAC）数字计算机模拟系统A/DD/A二进制二进制线性线性存储分析控制物理生物化学§9.1概述3四、分类4由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。D/A变换器的电路形式很多，这里只介绍两种。§9.2D/A变换器59.2.1权电阻D/A变换器这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。

UR++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00116电子模拟开关(S0-S3)由电子器件构成，其动作受二进制数D0-D3控制。当DK＝1

时，则相应的开关SK接到位置1上，将基准电源UR经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中S0、S1）；当Dk＝0时，开关Sk接到位置0，将相应电流直接接地而不进运放（如图中S2、S3）。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k7T1T2SDa电子模拟开关的简化原理电路当D=1时，T2管饱和导通，T1管截止，则S与a点通；当D=0时，T1管饱和导通，T2管截止，则S被接地。前者相当于开关S接到“1”端，后者则相当于开关S接到“0

”端。8Uo

=-URRFR（）D3D0D1D223202122＋＋＋根据反相比例运算公式可得：显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k99.2.3DAC的转换精度、速度和主要参数一、转换精度指D/A转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。为实际输出与理想输出模拟电压间的最大误差。

ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.转换误差

可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（LSB）的倍数表示。如:½（LSB）=输入为0…01时输出模拟电压的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange10二、转换速度1.建立时间tsts为在大信号工作下（输入由全0变为全1，或由全1变为全0）,输出电压达到某一规定值所需时间

。不包含UREF和运放的单片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和运放的单片DAC最短t

s<1.5s。2.转换速率SR用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升时间下降时间完成一次转换所需时间TTR（max）=ts+UO（max）/SR11概述ADCDn~D0输出数字量输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能:9.3A/D转换器122.A/D转换器分类①并联比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1s,但电路复杂。②逐次逼近型

特点:转换速度适中,转换时间为几s~100s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms,但抗干扰能力最强。13取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散9.3.1A/D转换的一般工作过程

A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。141.取样与保持

采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。

采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。

采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimax S(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开15采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样保持取样与保持电路及工作原理162.量化与编码数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化3.编码17在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式18011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号编码量化后电压a)只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码19b)四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v输入信号编码模拟电平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码209.3.2并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量1、电路组成21VI=8VREF/15111100000122

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。233、电路特点：在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。249.3.5A/D转换器的转换精度和转换速度一、转换精度分辨率1.用二进制或十进制位数表示(设计参数)LSB变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量(测量参数)如最大输出电压为5

V的8位A/D的分辨率为：转换误差：表示实际输出