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1、第8章模拟量和数字量的转换本讲稿第一页，共三十四页2第第8章章模拟量和模拟量和数字量的转换数字量的转换8.1D/A转换器8.2A/D转换器本讲稿第二页，共三十四页3第第8章章模拟量和模拟量和数字量的转换数字量的转换什么是什么是D/A转换器转换器数模转换是把输入的数字信号转换成模拟信号输出，数模转换是把输入的数字信号转换成模拟信号输出，也称为也称为D/AD/A转换，把实现转换，把实现D/AD/A转换的电路称为转换的电路称为D/AD/A转换器，转换器，或写成或写成DACDAC（Digital Analog ConverterDigital Analog Converter）。）。D/AD/A转换器
2、转换器将输入的二进制数字量离散信号将输入的二进制数字量离散信号转换成以标准量（或参考转换成以标准量（或参考量）为基准的模拟量，以电压或电流的形式输出。量）为基准的模拟量，以电压或电流的形式输出。本讲稿第三页，共三十四页4第第8章章模拟量和模拟量和数字量的转换数字量的转换D/A转换所采用的基本方法转换所采用的基本方法将输入的每一位二进制代码按其权值大将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数的模拟量相加，则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字量成正比，这样便实现了从数字量到模
3、拟量的转换。拟量的转换。本讲稿第四页，共三十四页58.1D/A转换器转换器8.1.1倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器1电路组成电路组成图图8.1.1倒倒T形形电电阻网阻网络络D/A转换转换器器倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转转换器由换器由4部分组成。部分组成。n参考电压参考电压UREFn电子模拟开关电子模拟开关S0S3n倒倒T形电阻形电阻解码网络解码网络n反相比例反相比例加法电路加法电路本讲稿第五页，共三十四页62工作原理工作原理8.1D/A转换器转换器模拟开关模拟开关S0S1的状态分别受输入代码的状态分别受输入代码D0D3的取值控制，代码为的取值控制，代码为1时，时，将该位的将
4、该位的2R电阻接到集成运放的反相输入端，代码为电阻接到集成运放的反相输入端，代码为0时，则将时，则将2R电阻接地。电阻接地。由于运算放大器由于运算放大器A同相输入端接地、反相输入端虚地，所以不论数码同相输入端接地、反相输入端虚地，所以不论数码D0、D1、D2、D3是是0还是还是1，电子开关，电子开关S0、S1、S2、S3都相当于接地都相当于接地同相接地同相接地本讲稿第六页，共三十四页78.1D/A转换器转换器R-2R倒形电阻网络具有一种倒形电阻网络具有一种特殊性质特殊性质无无论论a、b、c、d这这4个个节节点中的任何一个，其左点中的任何一个，其左边边的的电电阻网阻网络络的等效的等效电电阻都等于
5、阻都等于R，所以，所以总电总电流流I=UREF/R，而流入各，而流入各2R支路的支路的电电流从右流从右到到左依次左依次为为：I/2，I/4，I/8，I/16和和I/16。本讲稿第七页，共三十四页88.1D/A转换器转换器n流入运算放大器反相端的电流流入运算放大器反相端的电流n根据反相加法器的计算公式可得运算放大器的根据反相加法器的计算公式可得运算放大器的输出电压输出电压为为I本讲稿第八页，共三十四页98.1D/A转换器转换器n若若Rf=R，并将，并将I=UREF/R代入式（代入式（8.1.1），），则则有有n推广到推广到n位位D/A转换器的输出为转换器的输出为由式（由式（8.1.3）可）可见见
6、，D/A转换转换器器输输出的模出的模拟拟量与量与输输入的数字量成正比，例如，用入的数字量成正比，例如，用D/A转转换换器将器将8位二位二进进制制10101010转换为转换为模模拟拟量，量，设设UREF=10V，则则其其转换转换的的结结果果为为在参考电压在参考电压UREF为正时，输出电压为正时，输出电压uo始终为负值，要想得到正的输出电压，可以始终为负值，要想得到正的输出电压，可以将将UREF取负值。取负值。本讲稿第九页，共三十四页108.1D/A转换器转换器8.1.2D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1分辨率分辨率电电路路输输出的最小出的最小电压电压（输输入的二入的二进进制数最低位
7、制数最低位为为“1”，其余位均，其余位均为为“0”时时的的输输出出电压电压）与）与电电路路输输出的最大出的最大电压电压（输输入的二入的二进进制数全制数全为为“1”时时的的输输出出电压电压）之比称）之比称为为分辨率，即分辨率，即分辨率分辨率分辨率反映了分辨率反映了D/A转换转换器器对对微小模微小模拟拟量量变变化的敏感程度和分辨能力，它是最低有效位化的敏感程度和分辨能力，它是最低有效位（LSB）所）所对应对应的模的模拟拟量，它确定了能由量，它确定了能由D/A产产生的最小模生的最小模拟拟量的量的变变化。分辨率越高，化。分辨率越高，转换转换时对输时对输入量的微小入量的微小变变化的反化的反应应越灵敏，分
8、辨率与越灵敏，分辨率与输输入数字量的位数有关，入数字量的位数有关，n越大，分辨越大，分辨率越高，率越高，转换转换的精度也就越高。的精度也就越高。本讲稿第十页，共三十四页118.1D/A转换器转换器2转换精度转换精度转换精度是指输入满刻度数字量时，转换精度是指输入满刻度数字量时，D/A转换器的实际输出模拟电压值与转换器的实际输出模拟电压值与理论值之间的偏差，即最大静态转换误差。该偏差用最低有效位理论值之间的偏差，即最大静态转换误差。该偏差用最低有效位LSB的分数来的分数来表示，如表示，如1/2LSB或或LSB。产生的误差主要与参考电压。产生的误差主要与参考电压UREF的波动、的波动、运算放大器的
9、零点漂移、电阻网络电阻值的偏差及模拟开关的导通电阻和导通运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差及模拟开关的导通电阻和导通电压的变化等有关。电压的变化等有关。3建立时间和转换速度建立时间和转换速度建立时间又称转换时间，是从输入的数字量发生满量程变化（由全建立时间又称转换时间，是从输入的数字量发生满量程变化（由全1变为全变为全0或由全或由全0变为全变为全1）开始，到输出电压进入与稳态值相差）开始，到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围内所需要的时间。通常用建立时间来定量描述范围内所需要的时间。通常用建立时间来定量描述D/A转换器转换器的转换速度。的转换速度。本讲稿第十一页，共三十四页128
10、.1D/A转换器转换器【例例8.1.1】若若DAC的最大的最大输输出出电压为电压为10V，要想使，要想使转换误转换误差在差在10mV以内，以内，应选应选多少位的多少位的DAC？解：要想解：要想转换误转换误差在差在10mV以内，就必以内，就必须须能分辨出能分辨出10mV电压电压。本。本题题中，最小中，最小输输出出电压为电压为10mV，最大，最大输输出出电压为电压为10V，由式（，由式（8.1.3）可以）可以写出写出根据分辨率的定义，由式（根据分辨率的定义，由式（8.1.4）可求出，）可求出，n=10，所以至少需要，所以至少需要10位位DAC。本讲稿第十二页，共三十四页138.1D/A转换器转换器
11、8.1.3 8.1.3 集成集成D/AD/A转换器转换器将将T形网络、电子开关等集成在一块芯片上，再根据实际应用的需要，附加一些形网络、电子开关等集成在一块芯片上，再根据实际应用的需要，附加一些功能电路，能够形成各种特性的不同型号的功能电路，能够形成各种特性的不同型号的D/A转换芯片。转换芯片。AD7520是是单单片式、精度高、片式、精度高、10位分辨率数模位分辨率数模转换转换器，其器，其电电路和路和图图8.1.1所示所示电电路相似，路相似，采用倒采用倒T形形电电阻网阻网络络。模。模拟拟开开关是关是CMOS型的，也同型的，也同时时集集成在芯片上，但运算放大器成在芯片上，但运算放大器是外接的。是
12、外接的。AD7520的引脚排的引脚排列及其列及其连连接接电电路如路如图图8.1.2所所示。示。图图8.1.2AD7520的引脚排列及与外部的接线的引脚排列及与外部的接线本讲稿第十三页，共三十四页148.1D/A转换器转换器AD7520共有共有16个引脚，各引脚的功能如下。个引脚，各引脚的功能如下。（1）1脚为模拟电流输出端脚为模拟电流输出端IO1，接到运算放大器的反相输入端；，接到运算放大器的反相输入端；2脚为模拟电流输出端脚为模拟电流输出端IO2，一般接一般接“地地”。（2）413脚脚为为10位数字量的位数字量的输输入端入端D0D9。（3）14脚脚为为CMOS模模拟拟开关的开关的+VDD电电
13、源接源接线线端。端。3脚脚为为接接“地地”端端GND。（4）15脚脚为为参考参考电压电电压电源接源接线线端端UREF，可，可为为正正值值或或负值负值。（5）16脚脚为为芯片内部一个芯片内部一个电电阻阻R的引出端，的引出端，该电该电阻作阻作为为运算放大器的反运算放大器的反馈电馈电阻阻Rf，它的另一端，它的另一端在芯片内部。在芯片内部。本讲稿第十四页，共三十四页158.2A/D转换器转换器把把输输入的模入的模拟拟信号信号转换转换成数字信号成数字信号输输出，也称出，也称为为A/D转换转换，是将，是将连续连续的的模模拟拟量（如量（如电压电压、电电流流等）通等）通过过取取样转换样转换成离散的数字量。把成
14、离散的数字量。把实现实现A/D转换转换的的电电路称路称为为A/D转换转换器，或写成器，或写成ADC（AnalogDigitalConverter）。）。模数模数转换转换模拟量在时间和数值上都是连续的，数字量在时间和数值上都是离散的，模拟量在时间和数值上都是连续的，数字量在时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般化），一般A/D转换通过取样、保持、量化和编码转换通过取样、保持、量化和编码4个步骤。个步骤。A/D转换器实质上是一个转换器实质上是一个编码器。编码器。本讲稿
15、第十五页，共三十四页168.2A/D转换器转换器1采样采样-保持保持采样就是在一个控制信号的作用下，将模拟量每隔一定时间间隔抽取一次样值，采样就是在一个控制信号的作用下，将模拟量每隔一定时间间隔抽取一次样值，把时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的信号。把时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的信号。采样定理采样定理fS：采样脉冲的频率：采样脉冲的频率：输入信号：输入信号ui的最高频率分量的最高频率分量fmax本讲稿第十六页，共三十四页178.2A/D转换器转换器图图8.2.1采采样样-保持保持电电路及波形路及波形在在t=t0时时刻，控制信号使得刻，控制信号使得电电子开关子开关S闭闭合，
16、采合，采样样开始，开始，输输入的模入的模拟拟信号通信号通过电过电阻阻R对对电电容充容充电电并迅速达到并迅速达到输输入入电压值电压值，t0t1的的间间隔隔为为采采样阶样阶段。在段。在t=t1时时刻，刻，S断开，若运断开，若运放和开关放和开关S均均为为理想的，理想的，则电则电容容C没有放没有放电电回路，其两端回路，其两端电压电压保持不保持不变变直至下一个采直至下一个采样样脉冲到脉冲到来，具体波形来，具体波形为图为图8.2.1(b)所示的波形所示的波形图图。本讲稿第十七页，共三十四页188.2A/D转换器转换器2量化量化-编码编码采样保持得到的阶梯样值电压在时间上是采样保持得到的阶梯样值电压在时间上
17、是离散离散的，但其幅值仍是一的，但其幅值仍是一个可以连续取值的个可以连续取值的模拟量模拟量。为了用数字量来表示采样得到的电压，就必须。为了用数字量来表示采样得到的电压，就必须把这些数字化为某个最小单位（用把这些数字化为某个最小单位（用 表示）的整数倍，而不能是小数，这就称表示）的整数倍，而不能是小数，这就称为对采样值的量化。量化后用二进制数表示此整数就叫为对采样值的量化。量化后用二进制数表示此整数就叫编码编码。量化过程只是把量化过程只是把模拟信号模拟信号按量化单位做了取整处理，只有用代码表按量化单位做了取整处理，只有用代码表示量化后的值，才能得到数字量，量化后用二进制数表示此整数就叫编示量化后
18、的值，才能得到数字量，量化后用二进制数表示此整数就叫编码。码。本讲稿第十八页，共三十四页198.2A/D转换器转换器量化的方法有两种量化的方法有两种舍尾取整法舍尾取整法四舍五入法四舍五入法若采样电压的尾数不足最小单位的一半（若采样电压的尾数不足最小单位的一半（/2）时，则舍尾）时，则舍尾取整；当采样电压的尾数等于或大于最小单位的一半时，则四舍取整；当采样电压的尾数等于或大于最小单位的一半时，则四舍五入，在原整数上加五入，在原整数上加1。本讲稿第十九页，共三十四页208.2A/D转换器转换器8.2.1逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型A/D转换原理与天平称物体质量的原理类
19、似。转换原理与天平称物体质量的原理类似。天平称重从最重砝码开始试放，与物重开始比较，若物体的质天平称重从最重砝码开始试放，与物重开始比较，若物体的质量大于该砝码的质量，则该砝码保留，否则去掉。各砝码的质量大于该砝码的质量，则该砝码保留，否则去掉。各砝码的质量一个比一个小一半。这样由物体的质量是否大于砝码的质量量一个比一个小一半。这样由物体的质量是否大于砝码的质量来决定砝码的去留，一直到天平平衡为止，留下的砝码的质量来决定砝码的去留，一直到天平平衡为止，留下的砝码的质量即为物体的质量。即为物体的质量。本讲稿第二十页，共三十四页218.2A/D转换器转换器图图8.2.2逐次逼近型逐次逼近型A/D转
20、换转换器的原理框器的原理框图图转换转换开始开始前前，先将所有寄存器清，先将所有寄存器清0。开始开始转换转换后后，时钟时钟脉冲首先将寄存器的最高位置脉冲首先将寄存器的最高位置1，使其，使其输输出出为为100000。这这个数个数码码被被D/A转换转换器器转换转换成相成相应应的模的模拟电压拟电压uo，送至，送至电压电压比比较较器与器与输输入入ui进进行比行比较较。本讲稿第二十一页，共三十四页228.2A/D转换器转换器若若uoui，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为0（去码），同时将次高位（去码），同时将次高位置置1，使其输出为，使其输出为010000
21、的形式；的形式；若若uoui，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，除了将最高位设置的，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，除了将最高位设置的1保留（加码）保留（加码）外，还需将次高位也设置为外，还需将次高位也设置为1，使其输出为，使其输出为110000的形式。的形式。然后，再按上面同然后，再按上面同样样的方法的方法继续进继续进行比行比较较，确定次高位的，确定次高位的1是去是去码还码还是加是加码码。这样这样逐位比逐位比较较下去，直到最低位下去，直到最低位为为止，比止，比较较完完毕毕后，寄存器中的状后，寄存器中的状态态就是就是转换转换后的数字后的数字输输出。出。本讲稿第二十二页，共三十四页238.
22、2A/D转换器转换器图图8.2.3A/D转换转换器中的器中的电压电压比比较较器器通通过过一个具体的一个具体的转换说转换说明逐次逼近型明逐次逼近型A/D转换转换器的工作原理。其中的器的工作原理。其中的电压电压比比较较器按器按图图8.2.3所示所示连连接，被接，被转换转换的的电压电压ui=5.6V，用，用4位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换转换器将其器将其转换为转换为数字量的数字量的过过程如下。程如下。本讲稿第二十三页，共三十四页248.2A/D转换器转换器（1）在第一个）在第一个CP到来到来时时，将逐次逼近寄存器，将逐次逼近寄存器进进行第一次置数，将行第一次置数，将4位位二二进进制数的最高位置制
23、数的最高位置1，其余位数，其余位数为为0，即置数，即置数为为1000，1000经经D/A转换转换输输出模出模拟电压拟电压，设设Rf=R，D/A转换转换器的参考器的参考电压电压UREF=-8V，由式，由式（8.1.2）可得）可得由于由于uoui所以比所以比较较器器输输出高出高电电平，同平，同时时次高位所置的次高位所置的1应该应该去掉。去掉。本讲稿第二十五页，共三十四页268.2A/D转换器转换器（3）第）第3个个CP到来到来时时，比，比较较器器输输出的高出的高电电平使逐次逼近寄存器置数平使逐次逼近寄存器置数为为1010，1010经经D/A转换输转换输出的模出的模拟电压为拟电压为。由于由于uoui
24、，所以比，所以比较较器器输输出低出低电电平，同平，同时时置置1的位的位应该应该保留。保留。本讲稿第二十六页，共三十四页278.2A/D转换器转换器（4）第）第4个个CP到来到来时时，比，比较较器器输输出的低出的低电电平使逐次逼近寄存器置数平使逐次逼近寄存器置数为为1011，1011经经D/A转换输转换输出的模出的模拟电压为拟电压为经过经过4个时钟脉冲，输入的模拟电压被转换成个时钟脉冲，输入的模拟电压被转换成1011。1011与与5.6V的模拟电压相的模拟电压相对应，所以转换误差是对应，所以转换误差是0.1V。显然，如果。显然，如果A/D转换器中逐次逼近寄存器的二进制位数更转换器中逐次逼近寄存器
25、的二进制位数更多些，误差会更小。多些，误差会更小。本讲稿第二十七页，共三十四页288.2A/D转换器转换器8.2.2A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1分辨率分辨率分辨率定义为转换器所能够分辨的输入信号的最小变化量，它表明了分辨率定义为转换器所能够分辨的输入信号的最小变化量，它表明了A/D转换器对转换器对输入信号的分辨能力。输入信号的分辨能力。n位二进制数，能区分位二进制数，能区分2n个不同等级的输入模拟电压。个不同等级的输入模拟电压。例如，例如，A/D转换器输出的数字量是转换器输出的数字量是8位二进制数位二进制数，最大输入模拟电压是，最大输入模拟电压是5V，那么这个，那么这个转换
26、器输出的数字量应能区分出输入模拟电压的最小电压为转换器输出的数字量应能区分出输入模拟电压的最小电压为5/28=19.53mV。若用。若用10位位A/D转换器，对同样的输入电压，则能分辨的输入电压为转换器，对同样的输入电压，则能分辨的输入电压为5/210=4.88mV。可见，在。可见，在最大输入电压相同的情况下，最大输入电压相同的情况下，A/D转换器的位数越多，其分辨率越高。转换器的位数越多，其分辨率越高。本讲稿第二十八页，共三十四页298.2A/D转换器转换器2转换误差转换误差转换误差是指转换误差是指A/D转换器转换器转换后所得数字量代表的模拟输入电压值与实际的模拟输入转换后所得数字量代表的模
27、拟输入电压值与实际的模拟输入电压值之差。通常以数字量最低位所代表的模拟输入电压值作为衡量单位。电压值之差。通常以数字量最低位所代表的模拟输入电压值作为衡量单位。3转换时间和转换速率转换时间和转换速率转换时间是指完成一次转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，是从接到转换启动信号开始，到输转换所需的时间，是从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。转换时间越短，意味着出端获得稳定的数字信号所经过的时间。转换时间越短，意味着A/D转换器的转换速转换器的转换速度越快，常见有高速（度越快，常见有高速（转换时间转换时间1s）、中速（转换时间）、中速（转换时间1ms）和低速（转换时
28、间）和低速（转换时间100ns。EOC为转换结束信号输出线，高电平表示为转换结束信号输出线，高电平表示转换已经结束，数字量已锁入三态输出锁存器。转换已经结束，数字量已锁入三态输出锁存器。D0D7为为8位数字量输出端。位数字量输出端。OE为输出使能端，高电为输出使能端，高电平有效。平有效。（4）电源线及其他：）电源线及其他：CLK为时钟脉冲输入端，为时钟脉冲输入端，用于为用于为ADC0809提供逐次逼近比较所需的时钟提供逐次逼近比较所需的时钟频率不高于频率不高于640kHz的时钟脉冲序列。的时钟脉冲序列。+VCC为为+5V电源接线端。电源接线端。UREF+和和UREF-为参考电压输为参考电压输入端，用于给电阻阶梯网络提供标准电压，入端，用于给电阻阶梯网络提供标准电压，UREF+常和常和VCC相连，相连，UREF-常接地。常接地。本讲稿第三十四页，共三十四页