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1、第九章数模与模数转换电路第九章数模与模数转换电路本讲稿第一页，共二十六页n我们把模拟量转换为数字量的过程称为我们把模拟量转换为数字量的过程称为模拟模拟数字转换数字转换，把完成这种转换的装置称为把完成这种转换的装置称为模拟模拟数字转换器数字转换器(Analog to Digital Converter)(Analog to Digital Converter)，简称为，简称为模数转换模数转换器器或或ADCADC。n把数字量转换为模拟量的过程称为把数字量转换为模拟量的过程称为数字数字模拟转换模拟转换，把完成这种转换的装置称为把完成这种转换的装置称为数字数字模拟转换器模拟转换器(Digital to
2、 Analog Converter)(Digital to Analog Converter)，简称，简称为数模转为数模转换器换器或或DACDAC。本讲稿第二页，共二十六页10.1 D/A转换器转换器一一 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟对于有权码，先将每位代码按其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，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，从而实现了数字量，从而实现了数字/模拟转换。模拟转换。本讲稿第三页，共二十六页二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4
3、位）位）图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，本讲稿第四页，共二十六页可算出，基准电流可算出，基准电流 I=VREF/R，本讲稿第五页，共二十六页本讲稿第六页，共二十六页将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 其中：其中：K=本讲稿第七页，共二十六页三三 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。本讲稿第八页，共二十六页采用具有电流负反馈的采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流恒流源电路的权电
4、流D/A转换器：转换器：本讲稿第九页，共二十六页由倒由倒T形电阻网络分析可知，形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为于是可得输出电压为可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：基准电流：基准电流：本讲稿第十页，共二十六页四四 D/A转换器应用举例转换器应用举例DAC0808是是8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。用用这这类类器器件件构构成成的的D/A转转换换器器时时，需需要要外外接接运运算算放放大大器器和和产产生生基基准准电电流流用用
5、的的电电阻阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：本讲稿第十一页，共二十六页DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）本讲稿第十二页，共二十六页1.转换精度转换精度 五五 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）转换误差）转换误差此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压之之比比来来表表示示分分辨辨率率，N位位D/A转转换换器器的分辨率可表示为的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3.温温度度系系数数在在输输入入不不
6、变变的的情情况况下下，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量。一一般般用用满刻度输出条件下温度每升高满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。，输出电压变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常常用用字字量量的的位位数数表表示示D/A转换器的分辨率。转换器的
7、分辨率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电电压压变变化化到到相相应应稳稳定定电电压压值值所需时间。最短可达所需时间。最短可达0.1S。本讲稿第十三页，共二十六页9.2 A/D9.2 A/D转换器转换器一一A/D转换的一般步骤和取样定理转换的一般步骤和取样定理由由于于输输入入的的模模拟拟信信号号在在时时间间上上是是连连续续量量，所所以以一一般般的的A/D转转换换过过程程为为：取取样样、保保持持、量量化化和编码。和编码。本讲稿第十四页，共二十六页 取样定理：取样定理：因因为为每每次次把把取取样样电电压压转转换换为为相相应应的的数数字字量量
8、都都需需要要一一定定的的时时间间，所所以以在在每每次次取取样样以以后后，必必须须把把取取样样电电压压保保持持一一段段时时间间。可可见见，进进行行A/D转转换换时时所所用用的的输输入入电电压压，实实际际上上是是每每次取样结束时的次取样结束时的vI值。值。式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高频率分量的频率。的最高频率分量的频率。本讲稿第十五页，共二十六页二二 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当控制信号当控制信号vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经电阻经电阻Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。则充
9、电结束后则充电结束后 vO=vI=vC。N沟道沟道MOS管管T作为开关用。作为开关用。当控制信号返回低电平后，当控制信号返回低电平后，T截止。截止。Ch无放电回路，所以无放电回路，所以vO的数值的数值 可被保存下来。可被保存下来。本讲稿第十六页，共二十六页三三 并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）本讲稿第十七页，共二十六页 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表本讲稿第十八页，共二十六页1 转换原理：转换原理：四四 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器本讲稿第十九页，共二十六页 2 逻辑电路逻辑电路本讲稿第二十页，共二十六页五双积分型五双积分型A/D转换器转换器它
10、由积分器、过零比较器（它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、）和定时器、计数器（计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。本讲稿第二十一页，共二十六页（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电，vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：本讲稿第二十二页，共二十六页由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，计数停
11、止。被关闭，计数停止。本讲稿第二十三页，共二十六页在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写为：的表达式可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输入电内输入电压的平均值压的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。，转换器就能将输入电压转换
12、为数字量。T2=TC 本讲稿第二十四页，共二十六页六六 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。一一般般以以输输出出二二进进制制（或或十十进进制制）数数的的位位数数表表示示。因因为为，在在最最大大输输入入电电压压一一定定时时，输输出出位位数数愈愈多多，量量化单位愈小，分辨率愈高。化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例例如如，相相对对误误差差LSB/2，就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到到的的输输出出数数字字量量之间的误差小于最低位的半个字。之间的误差小于最
13、低位的半个字。（2）转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出出数数字字量量之之间间的的差差别别。常常用用最低有效位的倍数表示。最低有效位的倍数表示。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字信信号号所所经经过过的时间。的时间。并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换换器器次次之之；间间接接A/D转转换换器器的速度最慢。的速度最慢。本讲稿第二十五页，共二十六页本章小结本章小结1 1A/DA/D和和D/AD/A转
14、换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器的的主主要要技技术术参参数数是是转转换换精精度度和和转转换换速速度度，在在与与系系统统连连接接后后，转转换换器器的的这这两两项项指指标标决决定定了了系系统统的的精精度度与与速速度度。目目前前，A/DA/D与与D/AD/A转转换换器器的的发发展展趋趋势势是是高高速速度度、高高分分辨辨率率及及易易于于与与微微型型计计算算机机接接口口，用用以以满满足足各各个个应用领域对信号处理的要求。应用领域对信号处理的要求。2 2倒倒T T型型电电阻阻网网络络D/AD
15、/A转转换换器器中中电电阻阻网网络络阻阻值值仅仅有有R R和和2 2R R两两种种，各各2R2R支支路路电电流流I Ii i与与D Di i数数码码状状态态无无关关，是是一一定定值值。由由于于支支路路电电流流流流向向运运放放反反相相端端时时不不存存在在传传输输时时间间，因因而而具具有较高的转换速度。有较高的转换速度。3 3在在权权电电流流型型D/AD/A转转换换器器中中，由由于于恒恒流流源源电电路路和和高高速速模模拟拟开开关关的的运运用用使使其其具具有有精精度度高高、转转换快的优点，双极型单片集成换快的优点，双极型单片集成D/AD/A转换器多采用此种类型电路。转换器多采用此种类型电路。4 4不不同同的的A/DA/D转转换换方方式式具具有有各各自自的的特特点点，并并行行A/DA/D转转换换器器速速度度高高；双双积积分分A/DA/D转转换换器器精精度度高高；逐逐次次比比较较型型A/DA/D转转换换器器在在一一定定程程度度上上兼兼有有以以上上两两种种转转换换器器的的优优点点，因因此此得得到到普遍应用。普遍应用。本讲稿第二十六页，共二十六页