计算机组成之数模转换

计算机组成之数模转换第1页，共28页，2023年，2月20日，星期四模拟量与数字量模拟量(Analog)——连续变化的物理量数字量(Digit)——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器第2页，共28页，2023年，2月20日，星期四

随着计算机的飞速发展，其应用领域已越来越广阔。计算机的应用，已不仅仅局限于数值计算，在信息处理、控制和通信等方面的应用也日趋深入。

在自动化领域中，常常采用微型计算机进行实时控制及数据处理，组成计算机的监控系统。在各种自动控制和测量系统中，被控制或测量的参量往往是一些连续变化的物理量，如温度、压力、速度、高度、浓度、流量、电流、电压等。众所周知，计算机只能接收和处理数字量，因此，必须把这些模拟量转化为数字量，以便计算机接收处理。同样，计算机输出的也只能是数字信号，而大多数执行机构均不能直接接收数字信号，所以往往还需要将计算机加工处理后输出的数字信号转化为模拟信号，去控制和驱动执行机构。常把将模拟量转化为数字量的过程称作模／数（A／D）转换，将数字量转化成模拟量的过程称作数／模（D／A）转换，完成相应转换功能的器件称为模／数转换器（A／Dconverter

）和数／模转换器（D／Aconverter

）。第3页，共28页，2023年，2月20日，星期四12.1模拟输入输出系统数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）

放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变第4页，共28页，2023年，2月20日，星期四这是一个典型的计算机控制系统组成框图。

首先检测被控对象的各种物理量，如果为非电量需要用传感器将它转换成电量信号，由传感器输出的信号通常是模拟信号，因而需要使用A／D转换器把它转换成数字信号，输入到计算机中进行计算处理。输出控制信号（数字量），经D／A转换器变成模拟信号后，送到执行机构，实现对生产过程或被控对象的控制。值得注意的是，如果计算机与生产过程现场的距离较远，可用数字通信技术将图13．1中的数字电信号通过有线或无线信道进行双向远距离传输。此时，A/D、D/A转换器成为数字通信的编码器、译码器的重要组成部分。由此可见，A／D、D／A转换器在实际应用系统中起着至关重要的作用，它是计算机与模拟信号接口的关键部件。

第5页，共28页，2023年，2月20日，星期四事实上，在许多其它系统中，如通信、图像处理、多媒体A／D、D／A转换器也有着同样的地位和作用。对计算机而言，外部物理世界的变量大多是模拟量，要对这些变量进行分析处理和控制，就存在着大量的模拟量输入／输出过程。所以，A／D、D／A转换器已成为计算机接口技术中最常用的芯片之一，A／D、D／A接口成为微机应用系统中使用最为广泛的一类接口。

由于集成电路技术的飞速发展，目前A／D、D／A转换器已采用中、大规模集成电路，有单片集成、混合集成和模块型等几种结构形式。随着技术和工艺水平的提高，其性能在不断地改进，且正在向标准化、系列化方向发展。目前，市场上转换器种类繁多，从精度上分有8位、12位、16位等；从速度上分，有低、中、高、超高速；从传输方式上分串行、并行。有不少产品已具有并行接口的能力，可与微机直接相连。近年来，不少厂家生产了A／D、D／A插件板，使用起来非常方便。第6页，共28页，2023年，2月20日，星期四12.2D/A转换器DAC数字/模拟转换器模拟量数字量第7页，共28页，2023年，2月20日，星期四D／A转换器基本原理

D／A转换器用于将数字量转换成模拟量，它的输入量是数字量D，输出为模拟量VO。要求输出量与输入量成正比，即：其中VR为基准电压在每次转换过程中为常量)第8页，共28页，2023年，2月20日，星期四其中d0，d1，……dn为输入的数字量代码，n为输入位数将输入的每一位数字量转换为与其权相应的模拟量，各位对应的模拟量相加则得到D／A转换器的输出，模拟输出与数字量输入成正比。一般的D／A转换器都是根据这一原理设计的。

第9页，共28页，2023年，2月20日，星期四数字量→按权相加→模拟量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13第10页，共28页，2023年，2月20日，星期四D/A转换器的原理图（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络基准电压电子开关第11页，共28页，2023年，2月20日，星期四D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R运算放大器虚地第12页，共28页，2023年，2月20日，星期四

D／A转换器一般由电阻解码网络、模拟电子开关、基准电压、运算放大器等组成.图中每一位二进制数对应一个电阻及一个电子开关。T型电阻网络中电阻只有两种：R和2R。各节点电阻都接成T形，故称T型电阻解码网络。电子开关受输入数字量的数字代码所控制，代码为0时，开关接地，代码为1时，开关接运算放大器虚地点第13页，共28页，2023年，2月20日，星期四从图中不难看出，基准电压流出的电流每经过一个节点，电流减少一半，因为从各节点向左看和向上看的等效电阻都是2R。整个网络的等效输入电阻为R。第14页，共28页，2023年，2月20日，星期四D/A转换器的原理图（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vd/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vd/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Vd/2R＝VREF/（1×2R）第15页，共28页，2023年，2月20日，星期四D/A转换器的原理图（4）Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3

＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb

＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF第16页，共28页，2023年，2月20日，星期四D/A转换器性能参数

描述D／A转换器性能的参数很多，下面仅介绍几个常用的参数。正确地理解这些参数，对于在接口设计时，正确地选择器件是非常重要和有益的。分辨率

分辨率指D／A转换器所能产生的最小模拟量增量，是数字量最低有效位（LSB）所对应的模拟值。这个参数反映了D／A转换器对模拟量的分辨能力第17页，共28页，2023年，2月20日，星期四精度

精度用于衡量D／A转换器在将数字量转换成模拟量时，所得模拟量的精确程度。它表明了模拟输出实际值与理想值之间的偏差。温度灵敏度

这个参数表明D／A转换器受温度变化影响的特性第18页，共28页，2023年，2月20日，星期四A／D转换器用于将模拟量转换成相应的数字量。当外部的模拟量要输入计算机进行处理时，必须将输入模拟量通过A／D转换接口送入计算机。A／D接口通常包括多路模拟开关、采样保持电路和A／D转换器等，如图A／D转换器原理第19页，共28页，2023年，2月20日，星期四第20页，共28页，2023年，2月20日，星期四模拟信号的采样、量化和编码

模拟量转换成数字量，通常经历采样、量化和编码三个步骤第21页，共28页，2023年，2月20日，星期四1．采样

采样过程将时间连续的信号变成时间不连续的模拟信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔一次，一个连续信号通过这个开关，就形成一系列的脉冲信号，称为采样信号。采样过程如图第22页，共28页，2023年，2月20日，星期四第23页，共28页，2023年，2月20日，星期四根据香农采样定理，如果采样频率f不小于随时间变化的模拟信号f（t）的最高频率fmax的2倍，即f≥2fmax，则采样信号f（KT）包含了f（t）的全部信息，通过f（KT）可以不失真地恢复f（t）。因此，采样定理规定了不失真采样的频率下限。在实际应用中常取f＝（5～10）fmax

第24页，共28页，2023年，2月20日，星期四2．量化

采样后的信号虽然时间上不连续，但幅度仍然连续，仍为模拟信号，必须经过量化，转换成数字信号，才能送入计算机。

第25页，共28页，2023年，2月20日，星期四量化过程即是进行A／D转换的过程，A／D转换将采样后的模拟信号转换成数字量。图为采样信号，幅值在0～5之间。采用四舍五入的方法，进行量化处理，得到离散的量化值，幅度在0，1，2…5中取值。如图所示。显然，量化过程会引入误差第26页，共28页，2023年，2月20日，星期四3．编码

为了方便处理，通常将量化值进行二进制编码，如图所示。最大量化误差为1／2LSB，对相同范围的模拟量，编码位数越多，量化误差越小。对无正负区分的单极性信号，所有的二进制编码位均表示其数值大小。对有正负的双极性信号则必须有一位符号位表示其极性，通常有三种表示方法：

1）符号---数值法：与计算机的原码表示法相同。

2）补码：与计算机的补码表示法相同。

3）偏移二进制码：符号位特征与补码相反，其余数值部分与补码相同。这种编码常用于双极性模拟量的转换。

第27页，共28页，2023年，2月20日，星期