数字电子技术 第八章 数模转换 学习课件

第8章数模和模数转换8.1概

述8.2D/A转换器8.3A/D转换器第8章数模和模数转换教学基本要求：理解：A/D、D/A转换器的概念及主要性能指标。了解：D/A、A/D转换器的工作原理。

8.1概述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(analog/digitalconversion)；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。物理过程微机传感器A/DD/A执行机构物理过程v/iv/iDataData过程控制示意图如：温度、压力、流量速度、位移等等8.2D/A转换器8.2.1D/A转换器的基本原理

8.2.2D/A转换器的构成8.2.3集成D/A转换器及其应用8.2.1D/A转换器的基本原理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。基本原理转换特性

D/A转换器的转换特性，是指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。Ku为电压或电流的转换比例系数，如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：理想特性数字信号实际特性

1)分辨率分辨率是指对输出电压的分辨能力。当D/A转换器输入相邻两个数码时所对应的输出电压之差为最小可分辨电压。分辨率的定义为最小可分辨电压与最大输出电压之比。分辨率的数值与转换器输入数字量的有效位数成反比，即数字量的有效位数越多，分辨率的数值越小，分辨力越强。因此在实际中常用输入数字量的有效位数来表示分辨率，如12位D/A的分辨率为12位。

2)转换精度转换精度分绝对精度和相对精度。D/A转换器的实际输出值与理论计算值之差称为绝对精度，通常用最小分辨电压的倍数表示，如（1/2）ULSB就表示输出值与理论值的误差为最小可分辨电压的一半。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转换器从接收数字量开始到输出电压或电流达到规定误差范围所需要的时间称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。8.2.2D/A转换器的构成无论模拟开关接到运放的反相输入端（虚地）还是接地（无论输入数字信号是1还是0），各支路的电流均不变。01010101高位低位设RF=R/2缺点：需要多种阻值的电阻(R,2R,4R,…)，不利于集成。01010101高位低位电路构成电子开关：d＝1→接“VR”;d=0→接“地”T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻(R;2R)，因此最适合于集成工艺。缺点：①开关在电阻网络和VR之间。②当Si由地→VR时，需建立起相应的VD，影响工作速度。③各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲。如：1000→0111的转换：可能为1000→0000→0100→0110→0111①从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。②无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（无论输入数字信号是1还是0），各支路的电流均不变。01010101高位低位01010101高位低位01010101高位低位倒T形电阻网络D/A转换器（2）图7-2倒T形电阻网络原理图8.2.3集成D/A转换器及其应用RF本节小结：

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。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型、倒T型电阻网络D/A转换器三大类。

T型和倒T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺。尤以倒T形电阻网络应用较广，由于其支路电流流向运放反向端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：8.3A/D转换器8.3.1A/D转换器的基本原理

8.3.2A/D转换器的构成8.3.3集成A/D转换器及其应用8.3.1A/D转换器的基本原理

1.采样保持模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。采样阶段：t0时刻S闭合，CH被迅速充电。两个运放放大器为电压跟随器，增益为1，因此t0－

t1阶段uo＝ui。保持阶段：t1时刻采样阶段结束，S断开，A2的输入阻抗为无穷大，CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，因此t1－

t2阶段uo维持不变。缓冲器

量化将采样保持电路的采样电平归化到与之相接近的离散数字电平的过程。

量化阶梯比较电平2.量化与编码

编码将量化的数值用二进制数码表示。以输出为三位数字量为例,如左图。（1）分辨率

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，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。（2）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）转换速度指完成一次转换所需的时间。从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

4量化编码部分的分类

直接比较型：输入模拟信号直接与作为标准的参考电压进行比较得到按数字编码的数字量或直接得到数字量。这种类型有反馈式、逐次比较式、电压比较式。

间接比较型：不直接将输入模拟信号与参考电压进行比较，而是将两者都变为某种物理量再进行比较，然后将比较所得的时间（T）或频率（f）进行数字编码。这种类型有双积分式、电压频率变换式。1.双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器(a)原理框图;(b)工作波形8.3.2A/D转换器的构成定时器基本原理：对输入模拟电压ui和基准电压VREF进行两次积分。下面结合波形讨论工作原理。

t=t0时，控制器将转换开关打到上面，积分器对模拟电压ui进行积分。此时，积分器输出uo小于零，过零比较器输出ub为1，计数器开始对CP脉冲计数。

t=t1时，计数器输入N1个脉冲后，满容量溢出，计数器回零。同时，控制器将转换开关打到下面，积分器对基准电压-VREF进行反方向积分，计数器重新计数。

t=t2时，积分器输出uo等于零，过零比较器输出ub为0，计数器停止计数。此时将计数器中的数N2输出到寄存器，完成一次转换。双积分型A/D转换器在一次转换过程中要进行两次积分。第一次积分为采样阶段。控制器使开关S1接至模拟电压ui，是在固定时间T1内进行积分，积分器输出为（7-1）式中，Ui是输入模拟电压Ui在0～T1时刻的平均值。第二次积分为比较阶段。积分器对基准电压-VREF进行反向积分。积分器输出为（7-2）在第二次积分结束时，有（7-3）设CP脉冲的周期为TC，则式（7-3）可变为（7-4）即（7-5）7.2.3集成A/D转换器及其应用1.ADC0804A/D转换器图7-13ADC0804外引线图

ADC0804的典型应用电路转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，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。原理框图基本原理类似用天平称重量3位逐次逼近型A/D转换器转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若ui＜uo时，比较器输出uc=1；当ui≥uo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理8.3.3集成A/D转换器及应用

4集成ADC举例

1）MC14433(位双积分