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1、第14章数模与模数转换本讲稿第一页，共八十一页主菜单回 退前 进最 后返 回退 出 第第14章章 数模与模数转换数模与模数转换开 始作？业 在实际工作中，检测电路所得的信号通常是在实际工作中，检测电路所得的信号通常是模拟信号，一般需要进行模模拟信号，一般需要进行模/数转换（数转换（A/D转转换）换）,即将模拟信号转换为相应的数字信号，即将模拟信号转换为相应的数字信号，以送入计算机处理。经计算机处理后的数字以送入计算机处理。经计算机处理后的数字信号又必须通过数信号又必须通过数/模转换（模转换（D/A转换），还转换），还原为相应的模拟信号去控制被控对象。原为相应的模拟信号去控制被控对象。本讲稿第二
2、页，共八十一页14.1数模转换器数模转换器主菜单回 退前 进最 后返 回作？业退 出开 始 下面我们看一个下面我们看一个D/A转换数字量与模拟量转换数字量与模拟量对应坐标图。对应坐标图。图图14.1.1所示是所示是 一个双极性输一个双极性输出型出型,有有3位有效数字量输入的位有效数字量输入的D/A转换器转换器的转换特性图。的转换特性图。图中输入数字信息最高位图中输入数字信息最高位(MSB)为符号位，为符号位，1表示负值，表示负值，0表示正值。表示正值。本讲稿第三页，共八十一页14.1数模转换器数模转换器主菜单回 退前 进最 后返 回作？业退 出开 始本讲稿第四页，共八十一页 14.1.1倒倒
3、T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作？业主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 在单片集成在单片集成D/A转换器中，使用最多的转换器中，使用最多的是倒是倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器。下面以转换器。下面以4位位D/A转换器为例说明其工作原理，其原理图转换器为例说明其工作原理，其原理图如图如图14.1.2所示。所示。本讲稿第五页，共八十一页 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作？业主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 倒倒T形电阻网络的基本单元是电阻分形电阻网络的基本单元是电阻分压器，一级倒压器，一级倒T形电阻网络如图形电阻网络如图14.1.3所
4、所示。当权系数为示。当权系数为2的次幂时，网络分压的次幂时，网络分压系数系数Q=u2/u1=0.5，输入电阻，输入电阻Ri=2R，倒，倒T形电阻网络中仅形电阻网络中仅有有R和和2R两种阻值两种阻值的电阻。的电阻。本讲稿第六页，共八十一页 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作？业主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 倒倒T形电阻网络输出的总电流形电阻网络输出的总电流i为为（基于（基于叠加原理）叠加原理）上式表明，输入的数字量被转换成与其成上式表明，输入的数字量被转换成与其成正比的模拟电压正比的模拟电压u0。本讲稿第七页，共八十一页 14.1.1倒倒 T 形电阻网络
5、形电阻网络D/A转换器转换器退 出作？业主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 图图14.1.3所示的电阻网络可以扩展为所示的电阻网络可以扩展为n位，位，其输出模拟电压与输入数字量其输出模拟电压与输入数字量Dn之间的一般之间的一般表达式为表达式为本讲稿第八页，共八十一页 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作？业主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 下面我们通过动画再来看一下下面我们通过动画再来看一下4位道位道T形形电阻网络电阻网络D/A转换器的工作原理。转换器的工作原理。倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器本讲稿第九页，共八十一页 14.1.1倒倒 T 形
6、电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作？业主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 网络中电阻种类很少，便于集成和提高网络中电阻种类很少，便于集成和提高精度。精度。各支路各支路电电流直接流入运放流直接流入运放输输入端，不存在入端，不存在传输时间传输时间差，提高了差，提高了转换转换速度。速度。倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的特点有：转换器的特点有：无论模拟开关状态如何变化，各支路电流无论模拟开关状态如何变化，各支路电流始终不变，因此不需要电流建立时间。始终不变，因此不需要电流建立时间。本讲稿第十页，共八十一页1、转换精度、转换精度 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作
7、？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回（1）分辨率）分辨率 在在D/A转换器中，一般用分辨率和转换转换器中，一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。输入数字量的位误差来描述转换精度。输入数字量的位数越多，转换器的分辨率越高、精度越数越多，转换器的分辨率越高、精度越高。高。本讲稿第十一页，共八十一页 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 例如：例如：8位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 此分辨率若用百分数表示，此分辨率若用百分数表示，则为则为0.4。分辨率是表示分辨率是表示D/A转换器在理论上可转换器在理论上可以达到的
8、精度。以达到的精度。本讲稿第十二页，共八十一页 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回（2）转换误差）转换误差 D/A转换器的转换误差是指转换器实际能达转换器的转换误差是指转换器实际能达到的转换精度。通常以输出电压满刻度（到的转换精度。通常以输出电压满刻度（FSR）的百分数来表示，也可以用最低位）的百分数来表示，也可以用最低位（LSB）的倍数表示。例如，如果转换误差）的倍数表示。例如，如果转换误差为为1/2LSB，这就表示输出模拟电压的绝对，这就表示输出模拟电压的绝对误差等于输入为最小时输出电压的一半。误差等于输入为最小时输出电压的
9、一半。本讲稿第十三页，共八十一页 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回2、转换速度、转换速度 通常以建立时间通常以建立时间tS表示表示D/A转换器的转化转换器的转化速度。建立时间速度。建立时间tS是指输入数字量从全是指输入数字量从全0变为变为全全1（反之，即输入变化为满度值）时起，到（反之，即输入变化为满度值）时起，到输出电压达到相对于最终值为输出电压达到相对于最终值为1/2LSB范围范围内的数值为止所需的时间，建立时间又称内的数值为止所需的时间，建立时间又称为转换时间。为转换时间。DAC0832的转换时间的转换时间tS小于小于5
10、00ns。本讲稿第十四页，共八十一页 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回3、电源抑制比、电源抑制比 在高质量的在高质量的D/A转换器中，要求模拟开转换器中，要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生变化关电路和运算放大器的电源电压发生变化时，对输出电压的影响非常小，输出电压时，对输出电压的影响非常小，输出电压的变化于对应的电源电压的变化之比，称的变化于对应的电源电压的变化之比，称为电源抑制比。为电源抑制比。本讲稿第十五页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 1、集成、集成D/A转换器转换器DAC0
11、832 目前，根据分辨率、转换速度及兼容性、接目前，根据分辨率、转换速度及兼容性、接口特性等性能的不同，集成口特性等性能的不同，集成DAC有多种不同类有多种不同类型、不同系列的产品。其中型、不同系列的产品。其中DAC0832是是CMOS单片集成电路。单片集成电路。DAC0832分辨率是分辨率是8位，它可与位，它可与CPLD、FPGA等多种可编程逻辑器件芯片直接连等多种可编程逻辑器件芯片直接连用，且接口电路简单，转换控制容易，在单片机及用，且接口电路简单，转换控制容易，在单片机及数字系统中也得到广泛应用。数字系统中也得到广泛应用。作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回本讲稿第十六页，共
12、八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始回 退前 进最 后返 回退 出 它采用它采用20脚双列脚双列直插式封装结构，直插式封装结构，图图14.1.4(a)所示是所示是其引脚排列图，其引脚排列图，(b)图所示为其电图所示为其电路原理方框图。路原理方框图。作？业本讲稿第十七页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始回 退前 进最 后返 回退 出该芯片有该芯片有5个输入信号控制端：个输入信号控制端：作？业 ILE：数据允许锁存信号，高电平：数据允许锁存信号，高电平有效。有效。：片选信号。低电平有效，：片选信号。低电平有效，当
13、该端是高电平时当该端是高电平时DAC芯片不能工芯片不能工作。作。：写入信号：写入信号1；输入寄存器；输入寄存器1的锁存信号的锁存信号 低电平有效，由低电平有效，由ILE、和和 的逻辑组合产生。的逻辑组合产生。本讲稿第十八页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始回 退前 进最 后返 回退 出 作？业:写入信号写入信号2。：数据传送控制信号，低电平：数据传送控制信号，低电平有效。当有效。当 时，若时，若 由由1变为变为0，则，则 锁存无效，即信号锁存无效，即信号 发生发生负跳变时，数据由寄存器负跳变时，数据由寄存器1送入寄存器送入寄存器2，且进入，且进入8
14、位位D/A转换部分进行转换。转换部分进行转换。当当 由由0变为变为1发生正跳变时，寄存器发生正跳变时，寄存器2将数据锁存。将数据锁存。本讲稿第十九页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始回 退前 进最 后返 回退 出 作？业其他各引脚功能如下：其他各引脚功能如下：（1）DI0DI7：8位输入数字信号。位输入数字信号。（2）Iout1、Iout2：电流输出端。：电流输出端。Iout1随随 DAC寄存器的内容线性变化，寄存器的内容线性变化，Iout2是将是将DAC内部开关的各个接地端接在一起作为内部开关的各个接地端接在一起作为第二个电流输出端，第二个电流输
15、出端，Iout1与与Iout2的和为常数的和为常数，使用时分别与集成运放的反相端和同，使用时分别与集成运放的反相端和同相端相连。相端相连。本讲稿第二十页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始回 退前 进最 后返 回退 出 作？业其他各引脚功能如下：其他各引脚功能如下：（3）RFB：反馈信号输入端。它外接运放输：反馈信号输入端。它外接运放输出端，且通过芯片内部电阻构成反馈支路；出端，且通过芯片内部电阻构成反馈支路；也可根据需要外接电阻构成反馈支路。也可根据需要外接电阻构成反馈支路。（4）UCC：电源输入端，电源电压可在：电源输入端，电源电压可在515V范
16、围内选择。范围内选择。（5）DGND：数字部分接地端。：数字部分接地端。本讲稿第二十一页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始回 退前 进最 后返 回退 出 作？业其他各引脚功能如下：其他各引脚功能如下：（6）RREF：基准电源（权电阻网络基准电压）：基准电源（权电阻网络基准电压）输入端，取值范围一般为输入端，取值范围一般为-1010V。（5）AGND：模拟部分接地端。：模拟部分接地端。在芯片内部数字地与模拟地是分开的，以在芯片内部数字地与模拟地是分开的，以避免两者之间的相互干扰。并可根据需要在避免两者之间的相互干扰。并可根据需要在芯片外部的适当部分将
17、两者地线相连。芯片外部的适当部分将两者地线相连。本讲稿第二十二页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用2、单极性输出应用电路、单极性输出应用电路作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 采用单极性输出方式时，数字输入量采用采用单极性输出方式时，数字输入量采用自然二进制码，自然二进制码，DAC0832单极性输出时，输单极性输出时，输出模拟量与输入数字量之间的关系如表出模拟量与输入数字量之间的关系如表14.1.1所示。当基准电源电压所示。当基准电源电压UREF为为5V（或（或5V）时，输出电压时，输出电压u0的范围是的范围是05V（或（或5V）；）；当当URE
18、F为为10V（或（或10V）时，）时，u0的范围是的范围是010V（或（或10V）。）。本讲稿第二十三页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 表表14.1.1 8位位D/A转换器在单极性输出时的转换器在单极性输出时的输出输出/输入关系输入关系本讲稿第二十四页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 图图14.1.5（a）所示是）所示是DAC0832只用于一只用于一路路D/A转换时，单极性输出应用电路的原转换时，单极性输出应用电路的原理电路。
19、由于理电路。由于 、端接地，均端接地，均为低电平。故芯片为低电平。故芯片内的两个寄存器直内的两个寄存器直接接通，数据接接通，数据D7D0可直接送入可直接送入寄存器寄存器2。本讲稿第二十五页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回3、双极性输出应用电路、双极性输出应用电路 在二进制算术运算中，通常都把带在二进制算术运算中，通常都把带有符号的二进制数表示为补码形式，有符号的二进制数表示为补码形式，因此希望因此希望D/A转换器能把输入的正、负转换器能把输入的正、负数的补码分别转换成正、负极性的模拟数的补码分别转换成正、负极性
20、的模拟电压。电压。DAC 0832双极性输出时，输出模双极性输出时，输出模拟量与输入数字量之间的关系如表拟量与输入数字量之间的关系如表14.1.2所示。所示。本讲稿第二十六页，共八十一页14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用表表14.1.2常用双极性输出时的输出常用双极性输出时的输出/输入关系输入关系 作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回本讲稿第二十七页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 然而，前面介绍的然而，前面介绍的D/A转换器电路输出电压转换器电路输出电压都是单极性的，得不到正、
21、负极性的输出电压。都是单极性的，得不到正、负极性的输出电压。为此，在图为此，在图14.1.6所示的所示的D/A转换电路中增设了转换电路中增设了由由UB和和RB组成的偏移电路。为了使输入代码为组成的偏移电路。为了使输入代码为10000000（80H）时的输出电压等于）时的输出电压等于0，只要使，只要使iB与此时的与此时的i大小相等即可。大小相等即可。本讲稿第二十八页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 图图14.1.6具有双极具有双极性输出的性输出的D/A转换器转换器 由图中不难看出由图中不难看出本讲稿第二十九页，共
22、八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 图图14.1.7所示是由所示是由DAC0832构成的一个实际的双构成的一个实际的双极性输出的极性输出的8位位D/A转换器的应用电路。转换器的应用电路。作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回本讲稿第三十页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 图图14.1.7所示是由所示是由DAC0832构成的一个实际的双极构成的一个实际的双极性输出的性输出的8位位D/A转换器的应用电路。转换器的应用电路。作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 在图中增加了由参考电压在图中增加了由参考电压UREF
23、经放大器经放大器A1组组成的反向器和电阻成的反向器和电阻R2形成的便宜电流形成的便宜电流iB。由于。由于8位位D/A转换器的转换器的ULSB为为本讲稿第三十一页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 因此总电流因此总电流作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回输出电压输出电压将总电流和输出电压的式子代入得将总电流和输出电压的式子代入得本讲稿第三十二页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 如果补偿电流由如果补偿电流由D/A转换器本身产生，转换器本身产生，就可获得较高得稳定性。为此
24、可采用如就可获得较高得稳定性。为此可采用如图图14.1.8所示得输出方式所示得输出方式,因为在这种转因为在这种转换器中可将开关的各个接地端接在一起换器中可将开关的各个接地端接在一起作为电流作为电流iK输输出端，再把它接到另一个放出端，再把它接到另一个放大器大器A1。第二引出端的。第二引出端的输输出出电电流流为为本讲稿第三十三页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 如果补偿电流由如果补偿电流由D/A转换器本身产生，转换器本身产生，就可获得较高得稳定性。为此可采用如就可获得较高得稳定性。为此可采用如图图14.1.8所示
25、得输出方式，因为在这种所示得输出方式，因为在这种转换器中可将开关的各个接地端接在一转换器中可将开关的各个接地端接在一起作为电流起作为电流iK输输出端，再把它接到另一出端，再把它接到另一个放大器个放大器A1。第二引出端的。第二引出端的输输出出电电流流为为本讲稿第三十四页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 图图14.1.8改善零点稳定性的双极性输出改善零点稳定性的双极性输出D/A转换器转换器本讲稿第三十五页，共八十一页 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返
26、 回 经放大器经放大器A1将此电流与一个单位电流将此电流与一个单位电流iLSB=IKmax/255相加并反号。因此求和放相加并反号。因此求和放大器大器A2的总电流为的总电流为转换器的输出电压为转换器的输出电压为本讲稿第三十六页，共八十一页 14.2模数转换器模数转换器14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 A/D转换是将时间和数值上都是连续的转换是将时间和数值上都是连续的模拟信号转换成时间上是离散的，数值模拟信号转换成时间上是离散的，数值大小的变化上也是离散的数字信号，即大小的变化上也是离散的数字信号，即必须在一系列的瞬间对输入的模拟信号必须在一系列的瞬间对输入的
27、模拟信号进行采样，然后再把这些采样值变换成进行采样，然后再把这些采样值变换成相应的数字量输出。相应的数字量输出。本讲稿第三十七页，共八十一页 14.2.1概述概述1、采样与保持、采样与保持 采样是在一系列选定的瞬间抽取采样是在一系列选定的瞬间抽取模拟信号模拟信号uI（t）的瞬间值作为样品，）的瞬间值作为样品，将时间上连续变化的模拟信号变换将时间上连续变化的模拟信号变换为时间上离散的信号为时间上离散的信号采样信号采样信号uS（t）。模拟信号的采样过程如图）。模拟信号的采样过程如图14.2.1所示，所示，作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回本讲稿第三十八页，共八十一页 14.2.1概述
28、概述 图图14.2.1模拟信号的模拟信号的采样采样作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 其中图其中图(a)表示表示模拟采样开关；模拟采样开关；图图(b)表示模拟表示模拟信号信号uI在采样脉在采样脉冲冲uL作用下，得作用下，得到采样信号到采样信号uS(t)的波形。的波形。本讲稿第三十九页，共八十一页 14.2.1概述概述 为了保证采样信号为了保证采样信号uS(t)能准确无误的表示模能准确无误的表示模拟信号拟信号uI(t)，对于一个频率有限的模拟信号，对于一个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频率可以由采样定理确定采样频率fS2fImax作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最
29、后返 回 式中，式中，fS为采样频率，为采样频率，fImax为输入的模拟信为输入的模拟信号频率的上限值，在实践中通常取号频率的上限值，在实践中通常取fS为为（2.53）fImax。即采样信号的频率一定要大于。即采样信号的频率一定要大于被采信号的频率被采信号的频率2.5倍以上。倍以上。本讲稿第四十页，共八十一页 14.2.1概述概述 图中运放图中运放A1和和A2接接成电压跟随器形式，成电压跟随器形式，利用其阻抗转换特性利用其阻抗转换特性作为隔离级；作为隔离级；NMOS管管T作为采样开关；作为采样开关；C为存储电容。为存储电容。作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回图图14.2.2采样保
30、持采样保持本讲稿第四十一页，共八十一页 14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 在采样脉冲持续时间在采样脉冲持续时间t0内，内，T导通，输入模导通，输入模拟电压拟电压uI经经T向电容向电容C充电。如果电路充电的时充电。如果电路充电的时间常数间常数(=RonC)，Ron为采样开关的导通电为采样开关的导通电阻）远小于阻）远小于t0，则电容器，则电容器C上充电电压在上充电电压在t0时时间内能跟随间内能跟随uI的变化，因而放大器输出电压的变化，因而放大器输出电压也跟随也跟随uI的变化，的变化，t0时间称为采样阶段。当采时间称为采样阶段。当采样脉冲结束时，样脉冲结束时，T截
31、止，如果电容器和场效截止，如果电容器和场效晶体管的漏电流以及运算放大器的输入电晶体管的漏电流以及运算放大器的输入电流均可忽略，则流均可忽略，则本讲稿第四十二页，共八十一页 14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 电容器电容器C上的充电电压将保持在上的充电电压将保持在T截至前截至前uI的的值，直到下一个采样脉冲到来为止，这段时值，直到下一个采样脉冲到来为止，这段时间为间为tH称为保持阶段。下一个采样脉冲到来，称为保持阶段。下一个采样脉冲到来，T重新导通，电容器重新导通，电容器C上的电压又跳变到该时上的电压又跳变到该时刻的输入电压值。刻的输入电压值。t0和和tH构成一
32、个采样周期构成一个采样周期TS，采样，采样保持电路的输出电压波形如图保持电路的输出电压波形如图14.2.2(b)所示。图所示。图14.2.3所示为三种常见的采所示为三种常见的采样样保持电路。保持电路。本讲稿第四十三页，共八十一页 14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回图图14.2.3常见的三种采样保持电路常见的三种采样保持电路本讲稿第四十四页，共八十一页14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回2、量化和编码、量化和编码 采样保持电路的输出信号虽然已经是采样保持电路的输出信号虽然已经是离散的，但是其幅值仍然是连续的，尚需离散的，但是其幅值
33、仍然是连续的，尚需转换成离散的数字量。任何一个数字量的转换成离散的数字量。任何一个数字量的大小，都是以某个规定的最小数量单位的大小，都是以某个规定的最小数量单位的整数倍来表示。通常将此最小数量单位称整数倍来表示。通常将此最小数量单位称为量化单位，用为量化单位，用表示。表示。本讲稿第四十五页，共八十一页14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 量化一般有两种方法：量化一般有两种方法：舍尾取整法。取最小量化单位舍尾取整法。取最小量化单位=Um/2n，Um为模拟信号电压的最大值，为模拟信号电压的最大值，n为数字代码的位数。当输入信号幅值为数字代码的位数。当输入信号幅值在在
34、0范围时，量化后的幅值为范围时，量化后的幅值为0 0；输；输入信号的幅值在入信号的幅值在2 时，量化后的幅时，量化后的幅值为值为，以此类推，这种量化方法使量，以此类推，这种量化方法使量化后的幅值只舍不入，量化误差值化后的幅值只舍不入，量化误差值。本讲稿第四十六页，共八十一页14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回四舍五入法。以量化级的中间值作为基准的四舍五入法。以量化级的中间值作为基准的量化方法。取量化方法。取=2Um/(2n+1-1)，当输入信号，当输入信号的幅值在的幅值在-/2+/2范围时，量化后幅值范围时，量化后幅值为为0；输入信号的幅值在；输入信号的幅值在/
35、233/2范围范围时，量化后的幅值为时，量化后的幅值为，以此类推，可见该，以此类推，可见该量化方法使量化后的幅值有舍有入，其量化量化方法使量化后的幅值有舍有入，其量化误差误差/2。从减少量化误差考虑，选择。从减少量化误差考虑，选择有舍有入的量化法为好。有舍有入的量化法为好。本讲稿第四十七页，共八十一页14.2.1概述概述作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 01V模拟信号转换成模拟信号转换成3位二进制代码，划位二进制代码，划分量化电平的两种方法如表分量化电平的两种方法如表14.2.1所示。所示。本讲稿第四十八页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型作？业退 出主菜单开 始回 退前
36、 进最 后返 回 A/D转换器的类型有多种，按转换方式转换器的类型有多种，按转换方式分为：并行比较型、反馈比较型和双积分分为：并行比较型、反馈比较型和双积分型。其中反馈比较型型。其中反馈比较型A/D转换器是具有反转换器是具有反馈网络的闭环系统。按比较方式（工作程馈网络的闭环系统。按比较方式（工作程序）不同，常用的反馈比较型序）不同，常用的反馈比较型A/D转换器又转换器又可分为逐次逼近型、计数型和跟踪（连续）可分为逐次逼近型、计数型和跟踪（连续）型等几种。型等几种。本讲稿第四十九页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 下面分别介绍几种常用的下面
37、分别介绍几种常用的A/D转换器的工作转换器的工作原理和主要特点。原理和主要特点。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转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图14.2.4所示。它由比较所示。它由比较器、器、D/A转换器，比转换器，比较寄存器、时钟发生较寄存器、时钟发生器以及控制逻辑电路器以及控制逻辑电路等部分组成。等部分组成。本讲稿第五十页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 它利用它利用D/A转换器将一个先设定的数字转换器将一个先设定的数字量转换成模拟电压作为反馈电压，通过量转换成模拟电压作为反馈电压，通过
38、一个比较器与输入模拟电压进行比较，一个比较器与输入模拟电压进行比较，如果两者不等，则通过闭环反馈系统，如果两者不等，则通过闭环反馈系统，自动调节所设定的数字量使系统最终处自动调节所设定的数字量使系统最终处于两个比较电压相平衡的状态。最后所于两个比较电压相平衡的状态。最后所设定的数字量就是所得的转换结果。设定的数字量就是所得的转换结果。本讲稿第五十一页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型 下面结合图下面结合图14.2.5所示的所示的4位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器的原理电路说明逐次逼近的转换器的原理电路说明逐次逼近的转换过程。图中的转换过程。图中的5位移位寄存器可以位移位寄存器可以进行
39、并入进行并入/并出或串入并出或串入/串出操作。逐串出操作。逐次比较寄存器由边沿次比较寄存器由边沿D触发器组成，变触发器组成，变换后的数字量由换后的数字量由Q4-Q1输出。输出。作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回本讲稿第五十二页，共八十一页 14.2.2常用类型常用类型 图图14.2.5 4位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器的原理转换器的原理电路图电路图作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回本讲稿第五十三页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型 图图14.2.6逐次逼近逐次逼近A/D转换器转换过程转换器转换过程作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 比较寄存
40、器比较寄存器FF4FF1的的Q4Q1就是就是A/D转转换器的输出数字。输换器的输出数字。输出为出为1001的的A/D转换过转换过程如图程如图14.2.6。本讲稿第五十四页，共八十一页 14.2.2常用类型常用类型2、双积分型、双积分型A/D转换器转换器作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 双积分型双积分型A/D转换器是一种间接型转换器是一种间接型A/D转转换器。它的基本原理是将输入的模拟电压换器。它的基本原理是将输入的模拟电压u1转换成时间间隔，再在此时间间隔内用转换成时间间隔，再在此时间间隔内用计数器对频率恒定的时钟脉冲进行计数，计数器对频率恒定的时钟脉冲进行计数，在计数结束时，
41、计数器所计的数字量正比在计数结束时，计数器所计的数字量正比于输入的模拟电压于输入的模拟电压u1，从而实现了模拟量，从而实现了模拟量到数字量的转换。到数字量的转换。本讲稿第五十五页，共八十一页 14.2.2常用类型常用类型作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 图图14.2.7所示为双积分型所示为双积分型A/D转换器的原理图。转换器的原理图。它主要由基准电压它主要由基准电压-UREF、积分器、检零比较器和、积分器、检零比较器和一个一个n位二进制计数器以及控制逻辑电路等部分组位二进制计数器以及控制逻辑电路等部分组成。图中的电子开关成。图中的电子开关S1受转换控制信号受转换控制信号uS控制
42、。当控制。当uS0时，时，S1闭合；当闭合；当uS1时，时，S1断开。断开。S2受触发受触发器器FFn的输出信号的输出信号Qn控制。当控制。当Qn=0时，时，S2合向合向uI，当当Qn=1时，时，S2合向合向-UREF。对检零比较器，当。对检零比较器，当u00时，时，uC=0。本讲稿第五十六页，共八十一页 14.2.2常用类型常用类型 图图14.2.7所示为双积分型所示为双积分型A/D转换器的原理转换器的原理图。图。作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 本讲稿第五十七页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回拟电压拟电压uI。图。图1
43、4.2.8所示所示波形波形,讨论双积分型讨论双积分型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理,u1假假设为直流电压。设为直流电压。转换开始前转换开始前,转换控制信号转换控制信号uS=0,各触发器各触发器部被置部被置0,同时通过同时通过G2将电子开关将电子开关S1接通接通,使电使电容容C充分放电充分放电,G1被封锁被封锁,计计数器不工作。由于数器不工作。由于Qn=0,使使电子开关电子开关S2接到输入模接到输入模本讲稿第五十八页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型 （1）第一阶段转换）第一阶段转换第一次积分第一次积分作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 设再时间设再时间t=0时刻，转
44、换控制信号时刻，转换控制信号uS=1，电子，电子开关开关S1断开，积分器开始对输入模拟电压断开，积分器开始对输入模拟电压uI积分，积分，流经电阻流经电阻R上的电流上的电流iR为为 由于积分器的输入阻抗极大，流入运放的电由于积分器的输入阻抗极大，流入运放的电流近似为流近似为0，因此，向电容，因此，向电容C的充电电流的充电电流iC为为本讲稿第五十九页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型 作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 积分器在时间积分器在时间0t1内对输入模拟电压内对输入模拟电压uI积积分，输出电压为分，输出电压为 积分时间为积分时间为t12nTC，代入上式中可得时，代入上式
45、中可得时间间t=t1时刻积分器的输出电压为时刻积分器的输出电压为本讲稿第六十页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型（2）第二阶段转换）第二阶段转换第二次积分第二次积分作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 当开关当开关S2合到合到-UREF后，积分器又从后，积分器又从t1时时刻开始，进行第二次积分，计数器再次从刻开始，进行第二次积分，计数器再次从0开始计数。同时电容开始计数。同时电容C开始以恒定电流开始以恒定电流放电，放电初始电压值为放电，放电初始电压值为 因此因此，输出电压为，输出电压为本讲稿第六十一页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型 作？业退 出主菜单开 始回 退前
46、进最 后返 回 在在t2时刻，检零比较器输出时刻，检零比较器输出uC由高电平由高电平1跃变到跃变到低电平低电平0，G1被封锁，计数停止计数，第二次被封锁，计数停止计数，第二次积分结束，即积分结束，即u0（t2）=0，这时积分器的输出电，这时积分器的输出电压为压为本讲稿第六十二页，共八十一页14.2.2常用类型常用类型 作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 式中，式中，t2-t1=T2为反向积分所用的时间，为反向积分所用的时间，T2为为计数器所计脉冲数计数器所计脉冲数N与时钟脉冲周期与时钟脉冲周期TC的乘积，的乘积，即即T2=（t2-t1）=NTC，代入上式并整理后得，代入上式并整理
47、后得 说明了第二次积分结束后，计数器计得数值说明了第二次积分结束后，计数器计得数值N与与第一阶段的输入模拟电压第一阶段的输入模拟电压uI成正比，从而实现成正比，从而实现了输入模拟电压了输入模拟电压uI到输出数字量的转换。到输出数字量的转换。本讲稿第六十三页，共八十一页14.2.3主要技术参数主要技术参数 作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 1、转换精度、转换精度 （1）分辨率）分辨率 A/D转换器的分辨率以其输出二进制数的转换器的分辨率以其输出二进制数的位数表示。它说明位数表示。它说明A/D转换器对输入信号的转换器对输入信号的分辨率能力。从理论上讲，在最大输入电压分辨率能力。从理
48、论上讲，在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高，即辨率越高，即本讲稿第六十四页，共八十一页14.2.3主要技术参数主要技术参数 作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 式中，式中，n是转换器的数字位数。例如，是转换器的数字位数。例如，8位的位的A/D转换器输入电压范围为转换器输入电压范围为0+10V，其分辨率为，其分辨率为 分辨率也常用输出二进制数或十进制分辨率也常用输出二进制数或十进制数的位数表示。数的位数表示。本讲稿第六十五页，共八十一页14.2.3主要技术参数主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回
49、（2）转换误差）转换误差 转换误差表示转换器输出的数字量和理转换误差表示转换器输出的数字量和理想输出数字量之间的差别，并用最低有效想输出数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数表示，转换误差是由系统中的量位的倍数表示，转换误差是由系统中的量化误差与其他误差之和来确定。量化误差化误差与其他误差之和来确定。量化误差通常是通常是 ，其他误差包括由于参考电，其他误差包括由于参考电压不稳或设定不精确，比较器工作不够理压不稳或设定不精确，比较器工作不够理想等所引起的误差。想等所引起的误差。本讲稿第六十六页，共八十一页14.2.3主要技术参数主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 2、转
50、换速度、转换速度 A/D转换器的转换速度可用转换时间和转转换器的转换速度可用转换时间和转换频率来表示。转换时间是指完成一次转换换频率来表示。转换时间是指完成一次转换所需的时间，即从接到转换控制信号开始到所需的时间，即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数字信号输出为止所需的输出端得到稳定的数字信号输出为止所需的时间。时间。A/D转换器的转换速度主要取决于转换转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型。电路的类型。本讲稿第六十七页，共八十一页14.2.3主要技术参数主要技术参数作？业退 出主菜单开 始回 退前 进最 后返 回 转换频率是指单位时间内完成的转换次数。转换频率是指单位时间内完成的转