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1、数模转换与模数转换第1页，共24页，编辑于2022年，星期六9-1 概述概述一、定义一、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转换转换器或器或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转换转换器或器或DAC。ADC和和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。间的接口。二、性能指标二、性能指标转换精度和转换速度转换精度和转换速度是衡量是衡量ADC和和DAC转换性能的主要指标。转换性能的主要指
2、标。第2页，共24页，编辑于2022年，星期六将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应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。模拟量的转换。基基基基本本本本原原原原理理理理一、一、DAC的转换原理和转换特性的转换原理和转换特性9-2 D/A转换器转换器第3页，共24页，编辑于2022年，星期六 理理想想的的D/A转转换换器器的的转转换换特特性性，应应是是输输出出模模拟拟量量与输入数字量成
3、正比。即：与输入数字量成正比。即：输出模拟电压输出模拟电压 uo=KuD 或输出模拟电流或输出模拟电流io=KiD 其其中中Ku或或Ki为为电电压压或或电电流流转转换换比比例例系系数数，D为为输输入入二进制数所代表的十进制数。二进制数所代表的十进制数。第4页，共24页，编辑于2022年，星期六二、二、DAC的类型的类型 在常见的在常见的DAC中，主要有如下几种类型：中，主要有如下几种类型：权电阻网络权电阻网络DAC；2.倒梯形（倒梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DAC；3.权电流型权电流型DAC；4.开关树型开关树型DAC等；等；5.权电容网络权电容网络DAC。第5页，共24页，编辑于2022
4、年，星期六三、典型三、典型DAC电路的结构及工作原理电路的结构及工作原理 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC输入数字量输入数字量电流值？电流值？第6页，共24页，编辑于2022年，星期六计算倒计算倒T型电阻网络支路电流的等效电路型电阻网络支路电流的等效电路分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻都是处向左看的二端网络等效电阻都是R。不不论论模模拟拟开开关关接接到到运运算算放放大大器器的的反反相相输输入入端端（虚虚地地）还还是是接接到到地地，也也就是不论输入数字信号是就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。第7页，共24页，编辑于2022年，星
5、期六第8页，共24页，编辑于2022年，星期六 权电流型权电流型DAC（克服模拟开关引起的误差）（克服模拟开关引起的误差）第9页，共24页，编辑于2022年，星期六四、四、DAC的主要性能指标（转换精度和转换速度）的主要性能指标（转换精度和转换速度）（1）分辨率）分辨率用用输输入入二二进进制制数数的的有有效效位位数数表表示示。在在分分辨辨率率为为n位位的的D/A转转换换器器中中，输输出出电电压压能能区区分分2n个个不不同同的的输输入入二二进进制制代代码码状状态态，能能给给出出2n个个不不同同等级的输出模拟电压。等级的输出模拟电压。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
6、输出出电电压压的的比比值值来来表表示示。10位位D/A转换器的分辨率为：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。）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：有各种因素引起：VREF波动波动比例系数误差；比例系数误差；运放零点漂移运放零点漂移漂移误差；漂移误差；模拟开关、电阻、三极管等不对称模拟开关、电阻、三极管等不对称非线形误差等。非线形误差等。转换精度转换精度第10页，共24页，编辑于2022年，星期六2.转换速度：转换速度：即建立时间即建立时间tset，指指从输入数字量发生突变起，到输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
7、相差出电压或电流进入与稳态值相差LSB范围以内所需要的时间。范围以内所需要的时间。用最低有效位的倍数表示。用最低有效位的倍数表示。例例如如：1LSB，指指输输出出模模拟拟电电压压与与理理想想值值之之间间的的绝绝对对误误差差小小于于等于当输入为等于当输入为001时的输出电压）时的输出电压）用输出电压满刻度用输出电压满刻度FSR的百分数表示。的百分数表示。第11页，共24页，编辑于2022年，星期六一、一、A/D转换器的基本概念转换器的基本概念二、典型二、典型ADC电路电路1、逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器2、双积分式、双积分式A/D转换器转换器 三、三、A/D转换器的主要技术指标转换器的
8、主要技术指标 9-3 A/D 转换器转换器第12页，共24页，编辑于2022年，星期六 A/D转转换换器器要要将将时时间间上上连连续续，幅幅值值也也连连续续的的模模拟拟量量转转换换为为时时间间上上离离散散，幅幅值值也也离离散散的的数数字字信信号号，它它一一般般要要包包括括采采样样，保保持持，量量化化及编码及编码4个过程。个过程。ADCDnD0输出数字量输出数字量输入模拟电压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。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能功能:一、A/D转换器的基本概念转换器的基本概念第13页，共24页，编辑于2022年，星期六 A/D转换的一般工作过程
9、转换的一般工作过程 采样与保持采样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟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。量转换为在时间离散的模拟量。采样信号采样信号S(t)S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复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现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。定理确定。采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S S(t t)的频的频率为率为f fs s，输入模拟信号，输入模拟信号 I I(t t)的最高的最高频率分量的频率为频率分量的频率为f fimaximax，则则 f fs s 2 2f fim
10、aximax第14页，共24页，编辑于2022年，星期六量化与编码量化与编码量化：量化：为将模拟信号转换为数字量，在为将模拟信号转换为数字量，在A/DA/D转换过程中，必须将采样转换过程中，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。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。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。能是某个规定的最小数量单位的整数倍。编码：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。量化后的数值最后
11、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经编码后得到的代码就是A/DA/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。第15页，共24页，编辑于2022年，星期六量化及量化误差量化及量化误差量化过程中所取量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用最小数量单位称为量化单位用 表示表示。它是数字信号。它是数字信号最低位为最低位为1时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能。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。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
12、避免整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用量化误差，用 表示表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。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。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：两种近似量化方式：A：只舍不入量化方式：只舍不入量化方式 B：四舍五入的量化方式。：四舍五入的量化方式。第16页，共24页，编辑于2022年，星期六两种量化方式及量化误差比较两种量化方式及量化误差比较图图A A量化误差为量化误差为1LSB=11LSB=1；图图B B
13、量化误差为量化误差为LSB/2=/2LSB/2=/2；第17页，共24页，编辑于2022年，星期六 A/DA/D转换器分类转换器分类（一）直接（一）直接ADCADC：把输入的模拟电压直接转换为输出的数：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；字量，而不需要经过中间变量；（1 1）并联比较型）并联比较型ADCADC（2 2）反馈比较型）反馈比较型ADCADC 逐次渐近型逐次渐近型ADCADC（二）间接（二）间接ADCADC：把输入的模拟电压先转换为某中间变量，：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。然后再转换为数字量。（1 1）V-TV-T型（双积分型）型
14、（双积分型）（2 2）V-FV-F型型第18页，共24页，编辑于2022年，星期六1 1、逐次渐近（逼近）型、逐次渐近（逼近）型A/DA/D转换器转换器所加砝码重所加砝码重量量第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，8克砝码保留克砝码保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，2克砝码撤除克砝码撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，1克砝码保留克砝码保留 结果结果8 克克12 克克12 克克13 克克 （1）转换原理转换原理 逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平
15、称物重非常相似。所用砝码重量：所用砝码重量：8克克、4克克、2克克和和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx=13克。克。称重过程称重过程 二、典型二、典型ADC电路电路第19页，共24页，编辑于2022年，星期六（2）逐逐次次渐渐近近型型ADC电电路路框框图图转换开始前先将所有转换开始前先将所有寄存器清零。寄存器清零。转换开始后，控制逻辑转换开始后，控制逻辑将寄存器的最高位置为将寄存器的最高位置为1，这个数码被这个数码被D/AD/A转换转换器转换成相应的模拟器转换成相应的模拟电压电压v vo o ，送到比较器中，送到比较器中与与i i进行比较。若进行比较。若i i o o ，说明数字过大，说明数
16、字过大了，故将最高位的了，故将最高位的1 1清清除；若除；若i i o o，说明，说明数字还不够大，应将这一数字还不够大，应将这一位保留。位保留。依次类推将下一位置依次类推将下一位置1进行比较，进行比较，一直一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。的状态就是所要求的数字量输出。第20页，共24页，编辑于2022年，星期六（1 1 1 1）基本原理）基本原理）基本原理）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入模拟电压进行固定时间T T1 1的积分；然后对
17、基准电压进行积分，积的积分；然后对基准电压进行积分，积到比较器输出为到比较器输出为0 0为止，此段积分时间为为止，此段积分时间为T T2 2，则，则I I与与T T2 2成正比；在成正比；在T T2 2里里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于I I的数字信号。的数字信号。原理电路原理电路原理电路原理电路2 2、双积分型、双积分型ADCADC计数器中所计计数器中所计的数为：的数为：第21页，共24页，编辑于2022年，星期六（2）电压波形图）电压波形图转换前，转换前，VL=0，先将计数器清，先将计数器清零，接通开关零，接通开关S0，电容，电
18、容C完全完全放电。放电。VL=1开始转换：开始转换：S1合到合到VI一侧，一侧，积分器对积分器对VI进行固定时间进行固定时间T1的积的积分，一般取分，一般取T1=2nTCP。S1合到合到VREF一侧，积分器反向积一侧，积分器反向积分，直到分，直到vO=0，积分时间为，积分时间为T2，T2所包含的时钟个数即位输出数字所包含的时钟个数即位输出数字量量。最长转换时间最长转换时间 T=22nTCP=2n+1TCP第22页，共24页，编辑于2022年，星期六1 1、转换精度、转换精度 三、三、A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1 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
19、。通常以输转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制出二进制(或十进制或十进制)数的位数表示。数的位数表示。转换误差：转换误差：表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字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，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。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例：输入模拟电压的变化范围为05V，输出，输出8位二进制数可以分辨的最小位二进制数可以分辨的最小模拟电压为模拟电压为5V2820mV；而输出；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟位二进制数可以分辨的最小
20、模拟电压为电压为5V2121.22mV例：一例：一ADC的转换误差小于的转换误差小于LSB，表明实际输出的数字量和理论，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。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，共24页，编辑于2022年，星期六2 2、转换时间、转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高,逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器次之,间接间接A/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)的速度最慢。的速度最慢。并联比较型并联比较型A/D转换器转换器(8位位)逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 间接间接A/D转换器转换器10100 s50ns10ms1000ms第24页，共24页，编辑于2022年，星期六