数模转换与模数转换

数模转换与模数转换第1页，课件共24页，创作于2023年2月9-1概述一、定义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。二、性能指标转换精度和转换速度是衡量ADC和DAC转换性能的主要指标。

第2页，课件共24页，创作于2023年2月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。基本原理一、DAC的转换原理和转换特性9-2D/A转换器第3页，课件共24页，创作于2023年2月理想的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。第4页，课件共24页，创作于2023年2月二、DAC的类型在常见的DAC中，主要有如下几种类型：⒈权电阻网络DAC；★2.倒梯形（T型）电阻网络DAC；★3.权电流型DAC；

4.开关树型DAC等；

5.权电容网络DAC。第5页，课件共24页，创作于2023年2月三、典型DAC电路的结构及工作原理⒈倒T形电阻网络DAC输入数字量电流值？第6页，课件共24页，创作于2023年2月计算倒T型电阻网络支路电流的等效电路①分别从虚线A、B、C、D处向左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。第7页，课件共24页，创作于2023年2月第8页，课件共24页，创作于2023年2月⒉权电流型DAC（克服模拟开关引起的误差）第9页，课件共24页，创作于2023年2月四、DAC的主要性能指标（转换精度和转换速度）（1）分辨率

①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。

②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）转换误差：是指输出模拟电压的实际值与理想值之差。有各种因素引起：VREF波动——比例系数误差；运放零点漂移——漂移误差；模拟开关、电阻、三极管等不对称——非线形误差等。⒈转换精度第10页，课件共24页，创作于2023年2月2.转换速度：即建立时间tset，指从输入数字量发生突变起，到输出电压或电流进入与稳态值相差±½LSB范围以内所需要的时间。

①用最低有效位的倍数表示。例如：1LSB，指输出模拟电压与理想值之间的绝对误差小于等于当输入为00…1时的输出电压）②用输出电压满刻度FSR的百分数表示。第11页，课件共24页，创作于2023年2月一、

A/D转换器的基本概念二、典型ADC电路1、逐次渐近型A/D转换器

2、双积分式A/D转换器

三、A/D转换器的主要技术指标

9-3A/D转换器第12页，课件共24页，创作于2023年2月

A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括采样，保持，量化及编码4个过程。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:一、A/D转换器的基本概念第13页，课件共24页，创作于2023年2月⒉A/D转换的一般工作过程

⑴采样与保持

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 第14页，课件共24页，创作于2023年2月⑵量化与编码量化：为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将采样–保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。编码：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。第15页，课件共24页，创作于2023年2月①量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，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：A：只舍不入量化方式

B：四舍五入的量化方式。第16页，课件共24页，创作于2023年2月两种量化方式及量化误差比较图A量化误差为1LSB=1△；图B量化误差为LSB/2=△/2；第17页，课件共24页，创作于2023年2月⒊A/D转换器分类（一）直接ADC：把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，而不需要经过中间变量；（1）并联比较型ADC（2）反馈比较型ADC

★逐次渐近型ADC（二）间接ADC：把输入的模拟电压先转换为某中间变量，然后再转换为数字量。★（1）V-T型（双积分型）（2）V-F型第18页，课件共24页，创作于2023年2月1、逐次渐近（逼近）型A/D转换器所加砝码重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝码总重<待测重量Wx

，8克砝码保留砝码总重仍<待测重量Wx

，4克砝码保留砝码总重>待测重量Wx

，2克砝码撤除砝码总重＝待测重量Wx

，1克砝码保留

结果8克12克12克13克

（1）转换原理

逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似

。所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。称重过程二、典型ADC电路第19页，课件共24页，创作于2023年2月（2）逐次渐近型ADC电路框图转换开始前先将所有寄存器清零。转换开始后，控制逻辑将寄存器的最高位置为1，这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压vo

，送到比较器中与ｖi进行比较。若ｖi

＞ｖo

，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ｖi

＜ｖo，说明数字还不够大，应将这一位保留。依次类推将下一位置1进行比较，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。第20页，课件共24页，创作于2023年2月（1）基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行固定时间T1的积分；然后对基准电压进行积分，积到比较器输出为0为止，此段积分时间为T2，则ｖI与T2成正比；在T2里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于ｖI的数字信号。原理电路2、双积分型ADC计数器中所计的数为：第21页，课件共24页，创作于2023年2月（2）电压波形图转换前，VL=0，先将计数器清零，接通开关S0，电容C完全放电。VL=1开始转换：⒈S1合到VI一侧，积分器对VI进行固定时间T1的积分，一般取T1=2nTCP

。S1合到–VREF一侧，积分器反向积分，直到vO=0，积分时间为T2，T2所包含的时钟个数即位输出数字量。最长转换时间T=2×2nTCP=2n+1TCP第22页，课件共24页，创作于2023年2月1、转换精度三、A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。例：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例：一ADC的转换误差小于±½LSB，表明实际输出的数字量和理论上应得到的数字量之间的误差小于最低有效位的半个字。第23页，课件共24页，创作于2023年2月2、转换时间

指A/D转换器从转换控制信号到来开始