第十章 模拟量和数字量的转换

第十章模拟量和数字量的转换第1页，共23页，2023年，2月20日，星期三第一节数字－模拟转换器DAC基本概念DAC的电路结构及工作原理DAC的主要技术指标返回第2页，共23页，2023年，2月20日，星期三我们把从数字信号到模拟信号的转换成为数－模转换，或D/A转换；把从模拟信号到数字信号的转换成为模－数转换，或A

/D转换。

实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC；实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC。返回第3页，共23页，2023年，2月20日，星期三传感器模拟信号ADC数字信号计算机DAC模拟控制返回ADC和DAC是将数字计算机应用于生产过程自动控制的桥梁。第4页，共23页，2023年，2月20日，星期三一、DAC基本概念返回DACDn-1Dn-2D0Uo1.DAC的基本框图DAC的输入是一个n位的二进制数D，表示为：D=Dn-1×2n-1+Dn-2×2n-2+…+D0×20经过DAC电路后输出为模拟电压Uo，其大小与输入的二进制代码的大小成比，设比例系数为K，则第5页，共23页，2023年，2月20日，星期三二、DAC的电路结构及工作原理1.T形电阻网络DACDAC包括权电阻网络、模拟开关和求和放大器三个部分。返回3R－＋

＋Uo∞2RRRR2R2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDA第6页，共23页，2023年，2月20日，星期三T形电阻网络2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDAUD1

000UDUR/24R同理:返回戴维宁等效电路D1=1等效电压源为UE=UR/23D2=1等效电压源为UE=UR/22D3=1等效电压源为UE=UR/21第7页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回DAC等效电路3R－＋

＋Uo∞R2RUE应用叠加原理电阻网络开路电压UE为：第8页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回当输入D是n位数字量时：T形电阻网络DAC的特点：电阻种类只有R和2R两种，便于集成和提高精度。第9页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回2.倒T形电阻网络DACR－＋

＋Uo∞2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URII=UR/RI/21I/22I/23I/24当输入D是n位数字量时：第10页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回三、DAC的主要技术指标1.分辨率数－模转换器的分辨率是指最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压（对应的输入二进制数的所有位全为1）之比。分辨率＝1/（2n－1）例如：常用的8位DAC的分辨率约为1/（28－1）≈0.004第11页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回2.精度转换器的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.线性度通常用非线性误差的大小表示数－模转换器的线性度。4.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所需的时间，称为建立时间。第12页，共23页，2023年，2月20日，星期三5.电源抑制比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。返回例、已知倒T形电阻网络DAC的参考电压UR

=10V，试求出4位和8位DAC的输出最小电压和输出最大电压。4位：8位：第13页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回常用D／A转换器DAC08328位CMOSD/A转换器DAC100210位COMSD/A转换器AD7541A12位乘法型D/A转换器DAC6312位超高速D/A转换器DAC72918位超高分辨率D/A转换器第14页，共23页，2023年，2月20日，星期三并联比较型ADC逐次逼近型ADCADC的主要技术指标返回第二节模拟－数字转换器第15页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回模拟－数字转换的过程包括取样、保持、量化、编码四个步骤。一般取样、保持用一个取样保持电路完成，量化与编码用ADC完成。一、并联比较型ADC包括分压器、比较器、编码器三部分：分压器将输入模拟量予以量化；再把得到的2N个量化电平与基准电压进行比较；再将比较结果进行编码，从而得到相应的数字量。第16页，共23页，2023年，2月20日，星期三编码器－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞RRRRRRREuxRABCDEFGD0D1D2数字输出输入电压ux比较器输入编码器输入ABCDEFGD2D1D0E>ux>7E/811111111117E/8>ux>6E/811111101106E/8>ux>5E/811111001015E/8>ux>4E/811110001004E/8>ux>3E/811100000113E/8>ux>2E/811000000102E/8>ux>E/81000000001E/8>ux>00000000000优点：转换速度快。缺点：需要的比较器数目多，位数越多此矛盾越突出。返回第17页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回二、逐次逼近型ADC逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数-模转换器和电压比较器等几部分组成。逐次逼近是由D/A转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压UA，把输入电压Ui逐次与这些已知电压进行比较而实现。顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输入电压Ui输出数字量dUA基准UR第18页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，2341砝码重比较判断顺序保留保留撤去保留

其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：第19页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回输出为四位逐次逼近A／D转换过程23411000UA<Ui6UA<Ui5.5留去留留4UA>Ui5UA

Ui“1”留否d3d2d1d0UA(V)顺序比较判断110010101011例、UR=8V，Ui=5.52V转换数字量10114V+1V+0.5V=5.5V转换误差为–0.02V第20页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回逐次逼近转换过程1011清零t5.52第21页，共23页，2023年，2月20日，星期三返回1.分辨率以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。3.转换速度完成一次转换所需要的时间，即从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。2.相