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1、第七章 数模和模数转换本讲稿第一页，共二十五页 自然界中存在的物理量大都是模拟量，如温度、自然界中存在的物理量大都是模拟量，如温度、时间、角度、速度等。随着数字技术的迅速发展，时间、角度、速度等。随着数字技术的迅速发展，尤其是计算机的广泛应用，用数字电路处理模拟信尤其是计算机的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非常普遍。号的情况非常普遍。模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量A/DA/D转换（转换（Analog to DigitalAnalog to Digital）数字量变换为模拟量数字量变换为模拟量D/AD/A转换（转换（Digital to AnalogDigital to Analo
2、g）衡量衡量A/DA/D和和D/AD/A转换器性能的两个主要指标转换器性能的两个主要指标转换精度转换精度转换速度转换速度1-1导论导论本讲稿第二页，共二十五页 7-2 D/A转换器 D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数D转换为与之成比例的模拟量，n位二进制数D可以写成:而输出应当是与输入的数字量成比例的模拟量A A=KD=KK为一个常量，单位为伏特。电阻解码网络为D/A转换器的主要组成部分。本讲稿第三页，共二十五页 一、一、权电阻解码网络权电阻解码网络 D/A转换器权由电阻解码网络电子开关和运算放大器组成。Sn-1S0是n个电子开关，受输入代码d n-1d 0控制，当该位的值为“1
3、”时，开关将电阻接至参考电压源VREF；当该位为“0”时，开关将电阻接地。D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关，将二进制数D转换为与之成比例的模拟量，n位二进制数D可以写成：本讲稿第四页，共二十五页 K为一个常量，单位为伏特。电阻解码网络为D/A转换器的主要组成部分。优点：所用的电阻数少；缺点：阻值分散，集成电路制作困难。本讲稿第五页，共二十五页二、二、倒倒T型电阻解码网络型电阻解码网络 倒T型电阻网络是集成D/A转换器中采用最多的一种 从每一个节点向左看，等效电阻均为2R，所以各支路电流如图中所标注，于是输出电压 与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。本讲稿第六页，共二十五页三、三
4、、集成集成D/A转换器转换器 AD7524 AD7524是CMOS低功耗8位D/A转换器。内部采用倒T型电阻网络结构。电源VDD为+5V+15V D0D7为输入数据 写入信号 VREF为参考电源 IOUT1和IOUT2是模拟电流输出 使用内部反馈电阻RFB时输出电压：片选信号本讲稿第七页，共二十五页四、四、转换精度与转换速度转换精度与转换速度转换精度1.分辨率当输入数字量的最低位（LSB）发生变化引起的输出电压的变化量。常用输入数字量的位数表示分辨率2.转换误差转换器实际能达到的转换精度。转换误差用LSB的倍数表示。转换误差分静态误差和动态误差。转换速度 1建立时间tset 它是在输入数字量各
5、位由全0变为全1，或由全1变为全0，输出电压达到某一规定值所需要的时间2转换速率SR 即输入数字量的各位由全0变为全1，或由全1变为0时，输出电压uo的变化率。这个参数与运算放大器的压摆率类似。本讲稿第八页，共二十五页7-2 A/D转换器一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 A/D转换一般包括采样、保持、量化、编码四个步骤。采样保持完成对模拟信号时间上的离散化 采样频率的选择应满足采样定理：fs2 fi(max)本讲稿第九页，共二十五页典型的采样保持电路LF198 本讲稿第十页，共二十五页量化与编码的概念 对模拟信号幅值的离散化量化：用最小数量单位度量模拟信号。量化单位，也就是最低有效位
6、（LSB）所代表数值。把量化的结果用代码（二进制码或其他编码）表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的结果。量化过程不可避免地会引入误差量化误差。位数越多，量化误差越小；同时也与量化方法有关。本讲稿第十一页，共二十五页本讲稿第十二页，共二十五页第一 6.2.2 A/D6.2.2 A/D转换器的分类转换器的分类 A/D转换器的技术指标转换精度与转换速度 本讲稿第十三页，共二十五页7-3 并行比较型A/D转换器 速度最快；电路复杂，n位转换器，所用的比较器的个数为2n-1个。本讲稿第十四页，共二十五页ui（VREF）比较器输出数字输出C07 C06 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1 D2
7、 D1 D00ui1/150 0 0 0 0 0 0 0 0 01/15ui3/150 0 0 0 0 0 10 0 1 3/15ui5/150 0 0 0 0 1 10 1 05/15ui7/150 0 0 0 1 1 10 1 17/15ui9/150 0 0 1 1 1 11 0 09/15ui11/150 0 1 1 1 1 11 0 111/15ui13/150 1 1 1 1 1 11 1 013/15ui11 1 1 1 1 1 11 1 1 并行比较型A/D转换器的输入输出关系本讲稿第十五页，共二十五页7-4 逐次逼近型A/D转换器 转换控制信号uL为高电平时开始转换，此时送出
8、一个800mV的电压砝码与输入电压比较，由于ui800mV，将800mV的电压砝码去掉，加400mV的电压砝码，ui400mV，于是保留400mV的电压砝码。再加200mV的砝码，ui400mV+200mV，200mV的电压砝码保留，如此一直进行下去，可获得一组二进制码 0110 0111 0011按照BCD8421码划分，相当673mV。一、工作原理 本讲稿第十六页，共二十五页本讲稿第十七页，共二十五页工作时序输入输出对应关系 本讲稿第十八页，共二十五页二、逐次逼近型集成A/DADC0809 本讲稿第十九页，共二十五页7-5 双积分型A/D转换器 一、一、工作原理工作原理 采样阶段定时积分阶
9、段：比较转换阶段定电压积分阶段：本讲稿第二十页，共二十五页采样阶段定时积分阶段：比较转换阶段定电压积分阶段：电路结构简单，工作稳定，抗干扰能力强,精度高。但其转换速度较慢，转换时间在几十毫秒（ms）。逐次逼近型A/D的转换时间一般小于100微秒。本讲稿第二十一页，共二十五页二、集成双积分型A/D转换器本讲稿第二十二页，共二十五页位A/D转换器的含义：3 表示BCD码有完整的三位，即包含09；最大显示为1999。分母2表示最高位只有二位数，即0和1，4 表示BCD码有完整的四位，即包含09；又如 位A/D转换器的含义：分母5表示最高位只有五位数，即04，最大显示为 49999。本讲稿第二十三页，共二十五页第一 7-6 多路模拟开关 模拟开关是通过数字变量来控制传输门（TG）的接通和断开以传输数字或模拟信号的开关，由CMOS传输门构成。相应的芯片种类较多。CD4066管脚图 CD4051管脚图 本讲稿第二十四页，共二十五页第一 各种模拟开关的连接方式本讲稿第二十五页，共二十五页