《电子与电工技术》课件第15章

15.1概述

15.2数/模转换器15.3模/数转换器小结

习题

第15章数/模转换与模/数转换随着数字技术特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、速度等)，要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先把这些模拟信号转换成数字信号，再经单片机、可编程控制器(PLC)或其它计算机控制系统分析、处理后，将输出的数字量转换成为相应的模拟信号，驱动执行机构。其具体过程如图15－1所示。15.1概述图15－1控制系统结构框图

1．D/A转换原理

D/A的作用是将输入的数字信号转换成与其成正比的模拟信号输出(电压或电流)。数字量是用代码按数位组合起来表示的，为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数/模转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。15.2数/模转换器

D/A原理框图如图15－2所示。在D/A转换过程中，输入的数字信号是二进制编码，通过转换，将该编码按每位权的大小换算成相应的模拟量，然后将代表各位数字的模拟量相加，得到的和就是与输入的数字信号成正比的模拟量。图15－2D/A原理框图

2．倒T形电阻网络D/A转换器

D/A转换器的种类很多，其中最为常用的是倒T形电阻网络D/A转换器。四位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如图15－3所示。S0～S3为模拟开关，R－2R电阻译码网络呈倒

T形，运算放大器A构成求和电路。图15－3倒T形电阻网络D/A转换器

可以求出倒T形电阻网络D/A中流入求和放大器输入端的电流IΣ为

设求和放大器反馈电阻Rf=R，则输出电压uo为将输入数字量扩展到n位，可得n位倒T形电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式如下：

【例15－1】

已知8位二进制DAC，当输入数字量D1=(01111111)2时，电路输出模拟电压为Uo1=4.6V。若输入数字量D2=(10101010)2，则电路输出模拟电压Uo2是多少？

解由于DAC输出的模拟量与输入的数字信号成正比，且D1=(01111111)2=127，D2=(10101010)2=170，所以

得Uo2=6.16V。

3．DAC的主要性能指标

1)分辨率

分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率定义为最小输出电压与最大输出电压之比。

DAC的分辨率与其位数n有关，随输入数字信号位数的增多，DAC的分辨率相应提高。

2)转换精度

D/A转换器的转换精度分绝对精度和相对精度。绝对精度是指实际输出模拟电压值与理论计算值之差，通常用最小分辨电压的倍数表示。相对精度是绝对精度与满刻度输出电压(或电流)之比，通常用百分数表示。

3)转换时间

D/A转换器从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值时所需要的时间，称为转换时间。它决定了D/A转换器的转换速度。

4．集成D/A转换器

常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有DAC0832(8位)、AD7520(10位)、DAC1210(12位)和AK7546(16位高精度)等。现以D/A转换典型芯片DAC0832

芯片为例，介绍其结构、特性及应用方面的问题。图15－4DAC0832的逻辑框图及引脚排列

1．A/D转换原理

将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码四个过程，如图15－5所示。15.3模/数转换器图15－5A/D转换原理图

1)采样和保持

采样是将时间连续的模拟量转换为时间上离散的模拟量，即获得某时间点(离散时间)的模拟量值。

为使采样后的信号能够还原为模拟信号，根据取样定理，采样频率fS必须大于或等于2倍输入模拟信号的最高频率fimax，即

fS≥2fimax

即两次采样时间间隔不能大于1/fS，否则将失去模拟输入的某些特征。

图15－6给出了采样－保持电路的原理图和经采样、保持后的输出波形。图中采样电子开关S受采样信号S(t)控制，定时地合上S，对保持电容CH充放电，因A1、A2接成电压跟随器，此时uo=ui。S打开时，保持电容CH因无放电回路而保持釆样所获得的输入电压，输出电压亦保持不变。图15－6采样－保持电路及输入/输出波形

2)量化与编码

数字信号取值在时间上、幅度上均是离散变化的，所以数字信号的值必须是某个规定的最小数字单位的整数倍。为了将取样保持后的模拟信号转换成数字信号，还需对其进行量化与编码。量化方法有两种：只舍不入法和有舍有入法。

(1)只舍不入法。

当0≤uS＜Δ时，uS的量化值取0；

当Δ≤uS＜2Δ时，uS的量化值取Δ；

当2Δ≤uS＜3Δ时，uS的量化值取2Δ；依此类推。

可见采用只舍不入的量化方法，最大量化误差近似为一个最小量化单位Δ。

(2)有舍有入法。

当0≤uS＜Δ时，uS的量化值取0；

当Δ≤uS＜Δ时，uS的量化值取Δ；

当Δ≤uS＜Δ时，uS的量化值取2Δ；

依此类推。

2．逐次逼近型ADC

A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。

4位逐次逼近型A/D转换器的逻辑电路如图15－7所示。图15－7逐次逼近型A/D转换器的逻辑电路示意图

【例15－2】

在4位逐次逼近型模数转换器中，D/A转换器的基准电压UR=10V，输入的模拟电压ui=7.2V，试说明逐次比较的过程，并求出最后的转换结果。

解逐次比较过程可列表如表15－1所示。表15－1比较过程表

3．集成模数转换芯片ADC0809

常用的集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列(8)位、AD575(10位)、AD574A(12位)等，读者可根据自己的要求参阅手册进行选择。这里只介绍最常见的一种

集成模数转换器ADC0809。

ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位8通道单片A/D转换器，采用逐次比较型ADC，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。其引脚排列图如图15－8所示，地址译码器真值表见表15－2。图15－8ADC0809引脚排列图

表15－2ADC0809地址译码器真值表

4．ADC的主要指标

1)分辨率

分辨率是指引起输出二进制数字量最低有效位变动一个数码时，对应输入模拟量的最小变化量。小于此最小变化量的输入模拟电压，不会引起输出数字量的变化。

2)相对精度

在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。

3)转换速度

转换速度是指A/D转换器完成一次从模拟量到数字量转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。

【例15－3】

某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片对热电偶的输出电压进行A/D转换。已知热电偶输出电压的范围为0～0.025V(对应于0～500℃温度范围)，需要分辨的温度为0.1℃，试问应选择多少位的A/D转换器？

解对于0～500℃的温度范围，信号电压范围为0～0.025V，分辨的温度为0.1℃，这相当于的分辨率。12位A/D转换器的分辨率为，所以必须选用13位的A/D转换器。

5.选用原则

(1)类型合理：根据A/D转换器在系统中的作用以及与系统中其他电路的关系进行选择，不但可以减少电路的辅助环节，还可以避免出现一些不易发现的逻辑与时序错误。

(2)转换速度：三种应用最广泛的产品——并行型A/D转换器的速度最高；逐次逼近型A/D转换器的速度次之；双积分型A/D转换器的速度最慢，可根据系统的要求进行选取。

(3)精度选择：在精度要求不高的场合，选用8位A/D转换器即可满足要求，而不必选用更高分辨率的产品。

(4)功能选择：尽量选用恰好符合要求的产品。多余的功能不但无用，还有可能造成意想不到的故障。

(1)D/A转换器和A/D转换器是现代数字系统中的重要组成部分，在计算机控制、快速检测和信号处理等系统中的应用日益广泛。数字系统所能达到的精度和速度最终取决于

模/数转换器和数/模转换器的转换精度和转换速度。因此，转换精度和转换速度是模/数转换器和数/模转换器的两个最重要的指标。小结

D/A转换器的分辨率用输入二进制数的位数n表示，或者用最小输出电压(对应的输入二进制数只有最低位为1)与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)的比值

来表示。所以，D/A转换器的分辨率说明了对输出电压微小变化的敏感程度。

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数n表示，能分辨的最小模拟电压是最大输入模拟电压的。所以，A/D转换器的分辨率说明了转换精度的高低。

(2)D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。

(3)A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的模/数转换方式具有各自的特点，在不同的应用场合，可选用不同类型的A/D转换器。逐次逼近型模/数转换器还具有分辨率较高、转换误差较低、转换速度较快等特点。

(4)不论是A/D转换还是D/A转换，基准电压Vref都是一个很重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在A/D转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。一般应按器

件手册给出的电压范围取用，并且保证输入的模拟电压最大值不能大于基准电压值。15－1填空题：

(1)ADC是将

量转换成

量的器件，DAC是将

量转换成

量的器件。

(2)A/D转换的一般步骤包括

、

、

、

。(3)就逐次逼近型和双积分型两种A/D转换器而言，

的干扰能力强，

的转换速度快。

(4)DAC的主要参数有

，ADC的主要参数有

。习题15－2选择题：

(1)D／A转换器的分辨率取决于()。

A.输入数字量的位数B.输出模拟电压uo的大小

C.基准电压Vref的大小D.输出数字量的位数

(2)A/D转换器中转换速度最高的是()。

A.双积分型B.逐次逼近型C.并联比较型

(3)D／A转换电路N=8，基准电压Vref=5V，其最大输出电压约为()。

A.4.98VB.5.98V