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1、第八章数模与模数转换器第1页，共49页，编辑于2022年，星期三数模与模数转换器数模与模数转换器第2页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器1 1 数模转换器的工作原理数模转换器的工作原理 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，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，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。这样便实现了从数字量到模拟量的转换。数模转换器的基本知识数模转换器的基本知识第3页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转
2、换器数模转换器 D/AD/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。转换关系。数模转换器的基本知识数模转换器的基本知识2 2 数模转换器的转换特性数模转换器的转换特性第4页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器 理想的理想的D/AD/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。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：输出模拟电压即：输出模拟电压 u uo o=K Ku uD D或输出模拟电流或输出模拟电流i iO O=K Ki iDD。D/AD/A转换器的转换特性，是指其输出模
3、拟量和输入数字量之间的转换转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。关系。数模转换器的基本知识数模转换器的基本知识2 2 数模转换器的转换特性数模转换器的转换特性第5页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器 一个一个n n位位D/AD/A转换电路主要由输入数码寄存器、数控模拟开关、电阻转换电路主要由输入数码寄存器、数控模拟开关、电阻解码网络、求和电路、参考电压及逻辑控制电路组成。解码网络、求和电路、参考电压及逻辑控制电路组成。数模转换器的基本知识数模转换器的基本知识3 3 数模转换器的组成数模转换器的组成第6页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器
4、数模转换器数模转换器的基本知识数模转换器的基本知识3 3 数模转换器的组成数模转换器的组成第7页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术1 1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的工作原理如下：在反相加法运算放大器转换器的工作原理如下：在反相加法运算放大器的各输入支路中接入不同的权电阻，使其在运算放大器输入端叠加而的各输入支路中接入不同的权电阻，使其在运算放大器输入端叠加而成的电流与相应的数字量成正比，然后利用运算放大器能将电流转换成的电流与相应的数字量成正比，然后利用运算放大器能将电流转换成电压
5、的原理，在其输出端得到一个与相应数字量成正比的电压。成电压的原理，在其输出端得到一个与相应数字量成正比的电压。第8页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术1 1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器第9页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器第10页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术1 1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器流入运放电路的总电流为流入运放电路的总电流为 第11页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模
6、转换技术1 1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器则输出电压则输出电压u uo o为：为：推广到推广到n n位权电路网络，有位权电路网络，有:第12页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术1 1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器当反馈电阻当反馈电阻R Rf f=R/2=R/2时，可得时，可得第13页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术1 1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器优点：优点：结构简单，所用电阻数目少结构简单，所用电阻数目少缺点：缺点：电阻取值范围太大
7、，当输入数字量的位数为电阻取值范围太大，当输入数字量的位数为12位时，最大位时，最大电阻与最小电阻之间的比例达到电阻与最小电阻之间的比例达到2048:1，要在如此大的范，要在如此大的范围内保证电阻的精度，对于集成围内保证电阻的精度，对于集成DAC的制造是十分困难的制造是十分困难的。的。第14页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术2 2 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器第15页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器各支路电流：各支路电流：流入运放电路的总电流：流入运放电路的总电流：第16页，共49页，编辑
8、于2022年，星期三数模转换器数模转换器输出电压：输出电压：推广到推广到n位为：位为：第17页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器常用数模转换技术常用数模转换技术3 3 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器第18页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器数模转换器的性能指标数模转换器的性能指标1 1 分辨率分辨率 说明分辨输出最小电压的能力。是指最小输出电压说明分辨输出最小电压的能力。是指最小输出电压(对应输入数字量对应输入数字量只有最低有效位为只有最低有效位为1)与最大输出电压与最大输出电压(对应输入数字量所有的有效对应输入数字量所有的有效位全为位全为
9、1)之比。该参数是由之比。该参数是由D/A转换器数字量的位数决定的。转换器数字量的位数决定的。第19页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器数模转换器的性能指标数模转换器的性能指标1 1 分辨率分辨率10位位DAC分辨率分辨率:如输出模拟电压满量程为如输出模拟电压满量程为10V10位位DAC能够分辨的最小电压能够分辨的最小电压:8位位DAC能够分辨的最小电压能够分辨的最小电压:第20页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器数模转换器的性能指标数模转换器的性能指标1 1 分辨率分辨率 已知已知8位位D/A转换器的最大输出电压为转换器的最大输出电压为9.945V
10、，当输入代码为，当输入代码为10100101时，输出电压是多少。时，输出电压是多少。由题意可知该转换器可以分辨的最小电压为：由题意可知该转换器可以分辨的最小电压为：令所求输出电压为令所求输出电压为X：则：则：第21页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器数模转换器的性能指标数模转换器的性能指标2 2 精度精度 在输入端加有最大数值量时，在输入端加有最大数值量时，D/A转换器的实际输出值和理论计转换器的实际输出值和理论计算值之差。算值之差。精度是一个综合误差，与精度是一个综合误差，与参考电源参考电源、运算放大器的稳定性运算放大器的稳定性及及模拟模拟开关开关等有关，一般不低于等有
11、关，一般不低于第22页，共49页，编辑于2022年，星期三数模转换器数模转换器数模转换器的性能指标数模转换器的性能指标3 3 建立时间建立时间 D/A转换器的输入变化为满刻度时，其输出达到稳定值的时转换器的输入变化为满刻度时，其输出达到稳定值的时间。间。建立时间的大小决定了转换速度建立时间的大小决定了转换速度。第23页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器 将时间和幅值连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字将时间和幅值连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号。信号。第24页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器 模数转换一般包括采样、保持、
12、量化、编码四个过程。模数转换一般包括采样、保持、量化、编码四个过程。1 1 采样采样 将随时间连续变化的模拟量转换成在时间离散的模拟量。即按将随时间连续变化的模拟量转换成在时间离散的模拟量。即按一定的时间间隔抽取模拟电压值。抽样后的信号是时间上离散的模一定的时间间隔抽取模拟电压值。抽样后的信号是时间上离散的模拟量，即一连串周期一定的脉冲，其幅值取决于抽样时间输入模拟拟量，即一连串周期一定的脉冲，其幅值取决于抽样时间输入模拟量的大小。量的大小。第25页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器1 1 采样采样 设抽样周期为设抽样周期为Ts，抽样持续时间为，抽样持续时间为 ，则在抽样
13、时间，则在抽样时间 内，抽样电内，抽样电路输出等于模拟量的瞬时值。其他时间输出为零。路输出等于模拟量的瞬时值。其他时间输出为零。为了能不失真的恢复原来的输入信号。一个频率有限的模拟为了能不失真的恢复原来的输入信号。一个频率有限的模拟信号，其抽样频率信号，其抽样频率fs必须大于等于输入模拟信号频率中最高频率必须大于等于输入模拟信号频率中最高频率fmax的的两倍。两倍。第26页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器1 1 采样采样第27页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器2 2 保持保持 模拟信号经抽样后，得到一系列窄脉冲，脉冲宽度是很短暂的，模拟信号经抽样
14、后，得到一系列窄脉冲，脉冲宽度是很短暂的，而每次将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，因此，在下一个而每次将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，因此，在下一个抽样脉冲没有到来之前，要暂时保持，以便为量化编码提供一个稳定抽样脉冲没有到来之前，要暂时保持，以便为量化编码提供一个稳定的值。的值。第28页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器2 2 保持保持第29页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器3 3 量化量化 模拟信号经抽样保持后，得到的是阶梯波。阶梯的幅度是任意的，模拟信号经抽样保持后，得到的是阶梯波。阶梯的幅度是任意的，它仍是一个可以连续取值的模拟
15、量。而数字量的位数是有限的，只能它仍是一个可以连续取值的模拟量。而数字量的位数是有限的，只能表示有限个数值，为了能够表示数字量，必须将样值电平归化到与之表示有限个数值，为了能够表示数字量，必须将样值电平归化到与之接近的离散电平上，类似于四舍五入的近似问题。接近的离散电平上，类似于四舍五入的近似问题。第30页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器3 3 量化量化 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在取值上也不连续。数字信号不仅在时间上是离散的，而且在取值上也不连续。数字信号数字信号的取值必须为某个规定的最小数量单位的整数倍的取值必须为某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中
16、，量。在量化过程中，量化结果都是其中一个最小离散电平化结果都是其中一个最小离散电平(数字量的最低有效位数字量的最低有效位1所代表所代表的模拟电压值的模拟电压值)的整数倍，而采样保持输出的信号在取值上是连续的整数倍，而采样保持输出的信号在取值上是连续的，不可能所有的采样值都恰好为量化单位的整数倍，因此，量的，不可能所有的采样值都恰好为量化单位的整数倍，因此，量化前后，存在量化误差。化前后，存在量化误差。第31页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器4 4 编码编码 量化后的信号电平，虽然是一个离散量，但为了数字系统能够量化后的信号电平，虽然是一个离散量，但为了数字系统能够进行传
17、输和处理，必须用二进制代码来表示。一般只要二进制代码进行传输和处理，必须用二进制代码来表示。一般只要二进制代码的位数足够，编码过程本身是不会产生误差的。的位数足够，编码过程本身是不会产生误差的。5 5 模数转换分类模数转换分类直接转换直接转换:并行比较、逐次逼近并行比较、逐次逼近间接转换间接转换:双积分、电压双积分、电压-频率转换频率转换第32页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术1 1 并行比较并行比较由分压器、比较器、寄存器和编码器组成。由分压器、比较器、寄存器和编码器组成。第33页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器
18、常用模数转换技术常用模数转换技术1 1 并行比较并行比较第34页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术1 1 并行比较并行比较 各位数码转换同时进行，转换速度快。比较器和触发器同时各位数码转换同时进行，转换速度快。比较器和触发器同时兼有采样和保持，不需要采样和保持电路。兼有采样和保持，不需要采样和保持电路。转换精度不易做得很高，如要提高精度，则需减小转换精度不易做得很高，如要提高精度，则需减小“最小量化单最小量化单位位”，增加分压器的电阻个数，相应输出的数字信号位数增多，使得，增加分压器的电阻个数，相应输出的数字信号位数增多，使得电路更加复杂。
19、电路更加复杂。第35页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术2 2 逐次逼近型逐次逼近型ADCADC 适合于对转换精度要求高，对转换速度要求不太高的场合。适合于对转换精度要求高，对转换速度要求不太高的场合。D/A转换器：转换器：根据逐次逼近寄存器输出的数字量，产生不同的根据逐次逼近寄存器输出的数字量，产生不同的参考电压并送电压比较器与输入模拟信号进行比较。参考电压并送电压比较器与输入模拟信号进行比较。逐次逼近寄存器：逐次逼近寄存器：产生不同的数字量。产生不同的数字量。数据寄存器：数据寄存器：寄存和输出相应的数字量。寄存和输出相应的数字量。第36
20、页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术2 2 逐次逼近型逐次逼近型ADCADC 电压比较器：电压比较器：D/A转换器输出的参考电压和采样保持地哪路输出转换器输出的参考电压和采样保持地哪路输出的电压进行比较。的电压进行比较。控制逻辑电路：控制逻辑电路：在时钟脉冲在时钟脉冲CP作用下产生转换控制信号作用下产生转换控制信号。第37页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器第38页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术2 2 逐次逼近型逐次逼近型ADCADC例：若基准电压例：若基准电压
21、VREF=-8v，n=3。当采样与保持电路输出电压。当采样与保持电路输出电压uS=4.9V，列表说明逐次逼近，列表说明逐次逼近ADC电路的电路的A/D转换过程。转换过程。第39页，共49页，编辑于2022年，星期三11004V4.9V3.5V0保留21106V4.9V5.5V1清除31015V4.9V4.5V0保留41015V(采样)输出CPSAR比较器输入比较器输入比较器输出比较器输出操作操作uSDAC输出输出uOuO=uO-/2Q2Q1Q0当当uS=4.9V第40页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型ADCADC
22、双积分型双积分型ADCADC是一种间接是一种间接A/DA/D转换器。它的转换原理是转换器。它的转换原理是先把模拟电先把模拟电压转换成与之成正比的时间变量压转换成与之成正比的时间变量T T，然后在时间，然后在时间T T内对固定频率的时钟脉内对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于模拟电压的数字量。冲计数，计数的结果就是正比于模拟电压的数字量。第41页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型ADCADC第42页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型
23、ADCADC第一次积分第一次积分第43页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型ADCADC第二次积分第二次积分第44页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型ADCADC例：若基准电压例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数，计数器的位数n=10。时钟脉冲的频率为。时钟脉冲的频率为10KHz完成一次转换最长需要多长时间？完成一次转换最长需要多长时间？若输入的模拟电压若输入的模拟电压u ui i=5V=5V，求转换时间和输出的数字量，求转换时间和
24、输出的数字量D D各为多少各为多少？第45页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型ADCADC例：若基准电压例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数，计数器的位数n=10。时钟脉冲的频率为。时钟脉冲的频率为10KHz完成一次转换最长需要多长时间？完成一次转换最长需要多长时间？第46页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器常用模数转换技术常用模数转换技术3 3 双积分型双积分型ADCADC例：若基准电压例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数，计数器的位数n=10。时钟脉冲的频率为。时钟脉冲的
25、频率为10KHz若输入的模拟电压若输入的模拟电压u ui i=5V=5V，求转换时间和输出的数字量，求转换时间和输出的数字量D D各为各为多少？多少？第47页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标1 1 分辨率分辨率 ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的输入模拟量需的分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的输入模拟量需要变化的量。位数越多，量化的阶梯越小，分辨率越好。要变化的量。位数越多，量化的阶梯越小，分辨率越好。2 2 转换误差转换误差 表示实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别表示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给出，常用最低有效位的倍数表示。通常以输出误差的最大值给出，常用最低有效位的倍数表示。第48页，共49页，编辑于2022年，星期三模数转换器模数转换器模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标3 3 转换速度转换速度 转换速度是指完成一次转换所需要的时间转换速度是指完成一次转换所需要的时间。转换时间是指从接到。转换时间是指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时间。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时间。第49页，共49页，编辑于2022年，星期三