数字电子信号详解演示文稿

数字电子信号详解演示文稿本文档共77页；当前第1页；编辑于星期三\8点5分（优选）数字电子信号本文档共77页；当前第2页；编辑于星期三\8点5分主要要求：

理解数模转换器和模数转换器的概念和作用。9.1概述第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第3页；编辑于星期三\8点5分一、数模转换和模数转换的概念和作用数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第4页；编辑于星期三\8点5分模拟量数字量模拟量数字量传感器被控对象

自然界物理量为何要进行数模转换和模数转换？第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第5页；编辑于星期三\8点5分主要要求：

了解数模转换的基本原理。9.2D/A转换器

了解几种D/A转换器的电路与工作原理。

了解集成DAC的应用。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第6页；编辑于星期三\8点5分一、数模转换的基本原理

输出模拟电压

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可见，uO∝

D，uO的大小反映了数字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二进制数输入模拟电压输出一、数模转换的基本原理

LSB—LeastSignificantBit

输入数字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D

最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB

表示)。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第7页；编辑于星期三\8点5分二、分类其中，权电流型、倒T型电阻网络型转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络DAC转换精度高，性能最佳。

DAC权电阻网络DACT型电阻网络DAC权电流型DAC倒T型电阻网络DAC第9章数模和模数转换器

根据译码网络的不同，DAC可以分为：本文档共77页；当前第8页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

三、权电阻网络DAC

（一）电路组成与工作原理下图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是由权电阻网络、4个电子模拟开关和1个求和放大器组成。本文档共77页；当前第9页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

1.S3~S0:为电子开关，其状态受输入数码d3~d0的取值控制。当di＝1时开关接到参考电压VREF上，有支路电流Ii流向求和放大器；当di＝0时开关接地，支路电流Ii为零。本文档共77页；当前第10页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

2.求和放大器A：为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于负反馈，存在虚短和虚断，即V－≈V＋＝0，iI＝0。

3.VREF：基准电压本文档共77页；当前第11页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

（二）输出电压的计算：

输出电压为：

由于V-≈V+＝0，故每个支路电流表示为：本文档共77页；当前第12页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

取RF＝R/2，则输出电压为本文档共77页；当前第13页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将VREF取负值。2.优点：电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点：各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。本文档共77页；当前第14页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

四、T型网络DAC

电路组成与工作原理输入数字量d3d2d1d0分别控制开关s3s2s1s0。当di=0时，si倒向“地”；当di=1时，si倒向VREF。本文档共77页；当前第15页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

设d3d2d1d0=0001

电流I=VREF/3R,且每经过一个节点就衰减二分之一，所以流入运放的电流是I/16。本文档共77页；当前第16页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

其中，I=VREF/3R本文档共77页；当前第17页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

优点：所用电阻的阻值种类少缺点：电阻数目比权电阻网络DAC的电阻数目多的多本文档共77页；当前第18页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

在权电阻网络DAC和T型网络DAC中，由于电子开关状态转换时，流过它们的电流变化很大，所以使输出产生过渡干扰脉冲，给系统带来危害。本文档共77页；当前第19页；编辑于星期三\8点5分S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR

(一)电路组成与转换原理

五、R-2R倒T型电阻网络DAC

由倒T型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称I/U

转换电路)组成。模拟开关Si

打向“1”侧时，相应2R

支路接虚地；打向“0”侧时，相应2R

支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒T型电阻网络均可等效为下图：第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第20页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。所以：本文档共77页；当前第21页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

uO=

-

D

·

即：对n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，则uO=

-

D

·

n

位DAC将参考电压VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。调节VREF

可调节DAC的输出电压。本文档共77页；当前第22页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

优点：1.只有两种电阻,便于集成、制造和扩展位数。2.各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，提高了转换速度，减少了动态过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。缺点：从模拟开关的工作原理可知,这三种D/A转换器都把模拟开关当作理想开关处理,没有考虑它们的导通电阻和导通电压。导通电阻和导通电压影响转换精度。本文档共77页；当前第23页；编辑于星期三\8点5分六、权电流型DAC

倒T型D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中的电子开关存在导通电阻和导通压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。第9章数模和模数转换器

4位权电流型DAC的原理图本文档共77页；当前第24页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

优点：1.每个支路电流大小不再受开关内阻和压降的的影响,从而降低了对开关电路的要求。2.转换精度高。本文档共77页；当前第25页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

七、D/A转换器的组成：1.求和运算放大器：实现求和。通常接成反相比例求和。2.模拟开关：控制d=0或d=1时，求和电路的项数。3.译码网络：用来实现2n-1…..20。4.基准电源：保证系数K的一致性，要求精度高。本文档共77页；当前第26页；编辑于星期三\8点5分1.分辨率

DAC的最小输出电压变化量，也即DAC的最小输出电压值表示满度输出电压值，FSR即FullScaleRange指D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。

UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均为1例如，一个10位的DAC，分辨率为0.000978。DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。八、DAC的主要参数

第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第27页；编辑于星期三\8点5分要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAC的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。

3.

转换时间指DAC在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。2.

转换精度

指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与DAC中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。

通常要求DAC的误差小于ULSB/2。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第28页；编辑于星期三\8点5分四、集成DAC应用举例九、集成DAC应用举例1.集成DAC简介常用集成DAC有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第29页；编辑于星期三\8点5分2.8位CMOS集成D/A转换器AD7524简介数据锁存器20k20k20k20k20kΩ……10k10k10k10k…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基准电压输入端

VREF

可正可负

片选控制端

电源电压范围+5V~+15V

8位数据输入端，其电平与TTL电平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

内部反馈电阻RF

的引出端

两个输出端，一般将OUT2

接地，OUT1

接运放反向端。

写信号控制端

第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第30页；编辑于星期三\8点5分8位倒T型电阻网络型D/A转换器:

当、都为低电平时，数字输入数据在输出端产生电流输出；当这两个端都为高电平时，数字输入数据被锁存。在锁存状态下，输入数据的变化不影响输出值。基准电压可在0～25V之间选择，且电压极性可正可负。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第31页；编辑于星期三\8点5分(1)单极性输出的连接电路若取基准电压，则

3.AD7524输出的连接电路第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第32页；编辑于星期三\8点5分(2)双极性输出的连接电路AD7524双极性输出连接电路

第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第33页；编辑于星期三\8点5分4.集成D/A转换器的应用(1)数控波形发生器位数越多，阶梯波的线性度越好。如果把计数器的计数值作为地址码送到只读存储器的地址输入端，再把只读存储器的输出数据送给D/A转换器，并在输出端加低通滤波器，便可组成一个任意波形发生器。波形的形状取决于只读存储器的数据，改变存储数据，就可改变波形的形状。

15阶阶梯波发生器的结构框图和输出波形第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第34页；编辑于星期三\8点5分(2)程控增益放大器程控增益放大器

流入基准电压端的电流为：

流向运算放大器反相输入端的总电流为：流入反馈电阻端的电流为：第9章数模和模数转换器

由于，所以有：若取，则电压放大倍数(即放大器增益)为：本文档共77页；当前第35页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

(3)其他应用

由于电压也可以转换为频率，因此利用DAC也可以实现数字-频率转换，还可以利用DAC实现采样-保持电路。1.DAC中电阻网络的功能是什么？2.倒T型电阻网络DAC与权电流型DAC，哪一种的转换精度高？为什么？3.分析DAC的内部结构，指出影响DAC精度的因素有哪些？4.对于阶梯波发生器来说，要输出光滑的模拟信号，低通滤波器的参数如何确定？思考题：本文档共77页；当前第36页；编辑于星期三\8点5分主要要求：

了解模数转换的基本原理。9.3A/D转换器

了解常用A/D转换器。了解A/D转换器的主要参数。第9章数模和模数转换器

了解集成A/D转换器的应用。本文档共77页；当前第37页；编辑于星期三\8点5分一、A/D转换的基本原理和一般步骤

“[]”表示取整。基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n

位二进制数输出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可见，输出数字量D

正比于输入模拟量uI。△称为ADC的单位量化电压或量化单位，它是ADC的最小分辨电压。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第38页；编辑于星期三\8点5分采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。A/D

转换的一般步骤uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量第9章数模和模数转换器

采样保持：按一定时间间隔对UI采样，并使之在这个时间间隔中保持不变。本文档共77页；当前第39页；编辑于星期三\8点5分量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的

整数倍表示。

编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D

转换的一般步骤uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第40页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

如果对输入的模拟电压进行谐波分析，必然得出它是由若干个不同频率正弦波组成。只有在采样频率足够高的情况下，才能准确的用采样信号表示输入电压。采样定理：当采样频率fs不小于输入模拟信号频谱中最高频率fimax的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。即：

fs≥2fimax本文档共77页；当前第41页；编辑于星期三\8点5分对信号进行量化会引起误差吗？

若采样频率满足采样定理，则采样电压经过低通滤波器后可以还原为输入电压。量化误差：输出的每一个代码都代表一个输入电压的范围，必然会引起的误差。

量化误差大小与ADC的位数、基准电压VREF

和量化方法有关。

量化只舍不入有舍有入第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第42页；编辑于星期三\8点5分划分量化电平的两种方法最大量化误差==(1/8)V最大量化误差

=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第43页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

采样保持电路

采样保持电路

步骤：（1）采样时，使UL为高电平，VT导通，UI经RI向电容C充电，充电结束后，UO=UC=-UI。（2）UL跃变为低电平后，VT截止，C上的电压基本保持不变。（3）当下一个采样控制信号UL跃变为高电平后，VT又导通，电容C上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。本文档共77页；当前第44页；编辑于星期三\8点5分A/D转换器直接型间接型并行比较型反馈比较型计数型逐次逼近型电压-时间变换型—双积分型电压-频率变换型二、ADC的类型并行比较型ADC转换速度最快，但价格贵；双积分型ADC精度高、抗干扰能力强，但速度慢；逐次逼近型ADC速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第45页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

三、并行比较型ADC电阻构成分压器本文档共77页；当前第46页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第47页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0000000000uI本文档共77页；当前第48页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0000001001uI本文档共77页；当前第49页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0000011010uI本文档共77页；当前第50页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0000111011uI本文档共77页；当前第51页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0001111100uI本文档共77页；当前第52页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0011111101uI本文档共77页；当前第53页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

0111111110uI本文档共77页；当前第54页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

1111111111uI本文档共77页；当前第55页；编辑于星期三\8点5分

并行比较型A/D转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ7654321DDD210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V，3.6V～4.4V则数字量输出d2d1d0＝101。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第56页；编辑于星期三\8点5分①优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。②缺点：电路复杂，所用比较器和寄存器过多。对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。

因此，这种转换器适用于高速、精度较低的场合。并行比较型A/D转换器的特点：第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第57页；编辑于星期三\8点5分四、逐次逼近型A/D转换器

属于直接型A/D转换器，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：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暂时结果砝码重比较判断顺序保留保留撤去保留第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第58页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

1.转换原理示意图本文档共77页；当前第59页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

3位逐次逼近型A/D转换器的逻辑电路图本文档共77页；当前第60页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

3位逐次逼近型A/D转换器的转换过程本文档共77页；当前第61页；编辑于星期三\8点5分转换数字量1011，4+1+0.5=5.5V，转换误差为–0.04V。例：UR=8V，UI=5.54V，若输出为4位数字量：若输出为8位数字量：转换数字量10110001，

4+1+0.5+0.03125=5.53125V，转换误差为-0.00875V。一般位数越多，转换误差越小。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第62页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

逐次逼近型A/D转换器的特点：

1.逐次逼近型A/D转换器在转换过程中，是从数字量最高位到最低位逐位确定，所以叫逐次逼近型A/D转换器。

2.逐次逼近型A/D转换器完成一次转换所需要的时间是（n+2）个cp时钟周期。

3.逐次逼近型A/D转换器转换的位数越多，误差越小，输出量越逼近输入量。4.在输出位数较多时，逐次逼近型A/D转换器的电路规模比并行比较性A/D转换器的小的多，但转换速度降低。

5.逐次逼近型A/D转换器应用广泛，常用的集成器有ADC0809（8位）、AD575（10位）和AD574A（10位）等。本文档共77页；当前第63页；编辑于星期三\8点5分五、双积分型A/D转换器它属于间接型。1.基本原理：

先把模拟电压UI转换成与之大小相对应的时间间隔，再将时间间隔转换成与之成正比的脉冲个数，并把脉冲个数记录下来，从而完成A/D转换。第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第64页；编辑于星期三\8点5分双积分型A/D转换器原理框图第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第65页；编辑于星期三\8点5分双积分型A/D转换器的电压波形图双积分型A/D转换器的工作波形图第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第66页；编辑于星期三\8点5分第9章数模和模数转换器

2、工作原理1）初始化：uL=0。计数器复位，同时接通开关S0，使积分电容C充分放电。2）第一次积分阶段——采样阶段，也叫定时积分。

uL=1，开关S0断开,同时开关S1与模拟信号输入端ui连接，ui对积分器的电容C充电。在充电时间T1固定的前提下，积分器的输出电压uo与输入电压ui成正比。此时，积分器的输出电压为：3）第二次积分：充电结束后，开关S1接至-UREF，积分器开始反向积分。同时，电路的控制逻辑启动计数器，以固定频率fc开始计数。经过时间T2后积分电压回升到0，停止计数，转换结束。这时计数器中所存的数字就是转换结果。则有：即本文档共77页；当前第67页；编辑于星期三\8点5分因为故得到:因为计数器对固定频率fc的时钟脉冲计数,从而得到:第9章数模和模数转换器

若取T1=NTc,则有：实用中取T1=2nTC,即N=2n,故代入以后得出：

本文档共77页；当前第68页；编辑于星期三\8点5分优点：具有较强的抗干扰能力，体现在以下两个方面。1、采用了测量输入电压在采样时间T1内平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1/n的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。2、因为两次积分采用同一积分器完成，所以转换结果及精度与积分器的有关参数R、C等无关，同时电路比较简单。缺点：工作速度慢，一般为几十ms左右，常用在要求速度不高的场合，如数字式仪表等。常用的型号有：3位半MC14433（精度相当于11位二进制数）4位半ICL7135（精度相当于14位二进制数）第9章数模和模数转换器

本文档共77页；当前第69页；编辑于星期三\8点5分指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。

四、主要参数

2.相对精度(又称转换误差)

指ADC输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。

1.分辨率例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为：

5V/28=19.6mV分辨率也可用ADC的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。例如转换误差不大于1/2LSB，即说明