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1、第第 10 10 章章模数与数模转换器模数与数模转换器电子技术基础数字部分电子技术基础数字部分1Analog Digital Converter and Digital Analog Converter10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器10.2 A/D10.2 A/D转换器转换器10 10 模数与数模转换器模数与数模转换器2A/DA/DA/DA/D 转换器转换器转换器转换器 D/AD/AD/AD/A 转换器转换器转换器转换器 模拟模拟模拟模拟 控制器控制器控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模模模 拟拟拟拟 传感器传感器传
2、感器传感器 ADCADCADCADC和和和和DACDACDACDAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流将温度、压力、流将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）、保存等、保存等、保存等、保存等用模拟量作为用模拟量
3、作为用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号控制信号控制信号数字控制数字控制数字控制数字控制 计算机计算机计算机计算机10 10 模数与数模转换器模数与数模转换器33 3 3 3、正确理解正确理解正确理解正确理解D/AD/AD/AD/A、A/DA/DA/DA/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。转换器的主要参数。转换器的主要参数。1 1 1 1、掌握掌握掌握掌握倒倒倒倒T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器(DAC)(DAC)(DAC)(DAC)、集成、集成、集成、集成D/AD/AD/AD/A转换器的工作原理及相关计算。转换器的
4、工作原理及相关计算。转换器的工作原理及相关计算。转换器的工作原理及相关计算。2 2 2 2、掌握掌握掌握掌握并行比较、逐次比较、双积分并行比较、逐次比较、双积分并行比较、逐次比较、双积分并行比较、逐次比较、双积分A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器(ADC)(ADC)(ADC)(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。本章学习要求本章学习要求10 10 模数与数模转换器模数与数模转换器410.1 D/A10.1 D/A转换器转换器10.1.1 D/A10.1.1 D/A转换器的输入转换器的输入/输出特性及结构框图输出特性及结构框图10
5、.1.3 10.1.3 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器10.1.6 D/A10.1.6 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式10.1.4 10.1.4 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器10.1.7 D/A10.1.7 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标10.1.8 D/A10.1.8 D/A转换器的应用转换器的应用*10.1.5 *10.1.5 权电容网络权电容网络D/AD/A转换器转换器10.1.2 D/A10.1.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理5将数字量转换为与之成正比模拟量将数字量转换为与之成正比模拟量 。n位数字量数字量DAC模拟量1.
6、D/A1.D/A转换器输入转换器输入/输出特性输出特性A=K D O=K NB 10.1.1 D/A10.1.1 D/A转换器的输入转换器的输入/输出特性及其结构框图输出特性及其结构框图10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器6D/AD/A转转换换器器的的输输出出为为阶梯波信号。阶梯波信号。1.D/A1.D/A转换器输入转换器输入/输出特性输出特性10.1.1 D/A10.1.1 D/A转换器的输入转换器的输入/输出特性及其结构框图输出特性及其结构框图10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器7DACDACDACDAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入的
7、数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入数字寄存器中用数字寄存器中用数字寄存器中用数字寄存器中用来存放数字量的来存放数字量的来存放数字量的来存放数字量的各位数码各位数码各位数码各位数码由输入数字量控制由输入数字量控制由输入数字量控制由输入数字量控制产生权电流产生权电流产生权电流产生权电流将权电流相加产将权电流相加产将权电流相加产将权电流相加产生与输入成正比生与输入成正比生与输入成正比生与输入成正比的模拟电压的模拟电压的模拟电压的模拟电压2.D/A2.D/A转换器的结构框图转换器的结构框图10.1.1 D/A10.1.1 D/A转换器的输入转换器的输入/输出特性及其结构
8、框图输出特性及其结构框图10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器8 数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每对于有权码，每对于有权码，每对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，转换成相应的模拟量，转换成相应的模拟量，转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可然后，将这些模拟量相加，即可然后，将
9、这些模拟量相加，即可然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，得到与数字量成正比的模拟量，得到与数字量成正比的模拟量，得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量从而实现数字量从而实现数字量从而实现数字量-模拟量模拟量模拟量模拟量的转换。的转换。的转换。的转换。N N N ND DD Db b b b4 4 4 42 2 2 24 4 4 4b b b b3 3 3 32 2 2 23 3 3 3b b b b2 2 2 22 2 2 22 2 2 2b b b b1 1 1 12 2 2 21 1 1 1b b b b0 0 0 02 2 2 20 0 0 0 1 1 1 12
10、2 2 24 4 4 41 1 1 12 2 2 23 3 3 30 0 0 02 2 2 22 2 2 20 0 0 02 2 2 21 1 1 11 1 1 12 2 2 20 0 0 0将二进制数将二进制数将二进制数将二进制数N NN ND DD D(11001)(11001)(11001)(11001)B B B B转换为十进制数。转换为十进制数。转换为十进制数。转换为十进制数。10.1.2 D/A10.1.2 D/A转换的基本原理转换的基本原理10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器 实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想9 实现实现D/AD/A转换的原理电路转换的原理电路1
11、0.1 D/A10.1 D/A转换器转换器 在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数N NN NB B B B，均能得到与之成正比，均能得到与之成正比，均能得到与之成正比，均能得到与之成正比的模拟电压输出。的模拟电压输出。的模拟电压输出。的模拟电压输出。10.1.2 D/A10.1.2 D/A转换的基本原理转换的基本原理10 D/A D/A转换器的分类转换器的分类:按解码网络按解码网络按解码网络按解码网络结构分类结构分类结构分类结构分类 T T T T型电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络DACDACDACDAC倒倒倒倒
12、T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络DACDACDACDAC权电流权电流权电流权电流DACDACDACDAC 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络DAC DAC DAC DAC 按模拟电子开按模拟电子开按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类关电路分类关电路分类 CMOSCMOSCMOSCMOS开关型开关型开关型开关型DACDACDACDAC双极型开关型双极型开关型双极型开关型双极型开关型DAC DAC DAC DAC 电流开关型电流开关型电流开关型电流开关型DAC DAC DAC DAC ECLECLECLECL电流开关型电流开关型电流开关型电流开关型DAC DAC
13、 DAC DAC D/A D/A D/A D/A 转转转转换换换换器器器器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器10.1.2 D/A10.1.2 D/A转换的基本原理转换的基本原理1110.1.2 10.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器D DD Di i i i=0,S=0,S=0,S=0,Si i i i则将电阻则将电阻则将电阻则将电阻2 2 2 2R R R R接地接地接地接地D DD Di i i i=1,=1,=1,=1,S S S Si i i i接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流I I
14、 I Ii i i i流入求和电路流入求和电路流入求和电路流入求和电路 电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器求和运算放大器求和运算放大器输输输输出出出出模模模模拟拟拟拟电电电电压压压压输入输入输入输入4 4 4 4位二进制数位二进制数位二进制数位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关S S S Si i i i处于处于处于处于何种位置，与何种位置，与何种位置，与何种位置，
15、与S S S Si i i i相连的相连的相连的相连的2R2R2R2R电阻将接电阻将接电阻将接电阻将接“地地地地”或虚地或虚地或虚地或虚地。1 1、4 4位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器基准电压基准电压基准电压基准电压10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器12基准电源基准电源基准电源基准电源V V V VREFREFREFREF提供的总电流为：提供的总电流为：提供的总电流为：提供的总电流为：I I I I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I I I I3 3 3 3=？I I I I2 2 2 2=？I
16、I I I1 1 1 1=？I I I I0 0 0 0=？I/I/I/I/4 4 4 4I/I/I/I/8 8 8 8I/I/I/I/16161616R R R RR R R RR R R RR R R RI/I/I/I/2 2 2 2I/I/I/I/4 4 4 4I/I/I/I/8 8 8 8I/I/I/I/16161616I/I/I/I/2 2 2 2I I I I3 3 3 3I I I I2 2 2 2I I I I1 1 1 1I I I I0 0 0 0流入每个流入每个流入每个流入每个2R2R2R2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按电阻的电
17、流从高位到低位按2 2 2 2的整数倍递减。的整数倍递减。的整数倍递减。的整数倍递减。I I I I3 3 3 3=V V V VREF REF REF REF/2/2/2/2R R R RI I I I2 2 2 2=V V V VREF REF REF REF/4/4/4/4R R R RI I I I1 1 1 1=V V V VREF REF REF REF/8/8/8/8R R R RI I I I0 0 0 0=V V V VREF REF REF REF/16/16/16/16R R R R10.1.2 10.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器1 1、
18、4 4位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器13i I0+I1+I2+I3输出模拟电压：输出模拟电压：对电路中输入的每一个二进制数对电路中输入的每一个二进制数对电路中输入的每一个二进制数对电路中输入的每一个二进制数N NN NB B B B，均能得到与之成正，均能得到与之成正，均能得到与之成正，均能得到与之成正比的模拟电压输出。比的模拟电压输出。比的模拟电压输出。比的模拟电压输出。10.1.2 10.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器1 1、4 4位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换
19、器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器流入运放的总电流：流入运放的总电流：14n n n n 位倒位倒位倒位倒T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络DACDACDACDAC有：有：有：有：令：令：令：令：则则则则 O O O O=K NK NK NK NB B B B 在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数N NN NB B B B，均能得到与之成，均能得到与之成，均能得到与之成，均能得到与之成正比的模拟电压输出。正比的模拟电压输出。正比的模拟电压输出。正比的模拟电压输出。10.1.2 10.1.
20、2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器1 1、4 4位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器15AD7533D/AAD7533D/AAD7533D/AAD7533D/A转换器转换器转换器转换器使用使用使用使用:1):1):1):1)要外接运放，要外接运放，要外接运放，要外接运放，2)2)2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻 ，也可采用外接电阻也可采用外接电阻也可采用外接电阻也可采用外接电阻2.2.集成集成D/AD/A转换器转换器1
21、0101010位位位位CMOSCMOSCMOSCMOS电流开关型电流开关型电流开关型电流开关型D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 10.1.2 10.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器16R R R RR R R R2 2 2 2R R R RI I I IOUT1OUT1OUT1OUT1I I I IOUT2OUT2OUT2OUT2T T T T1 1 1 1T T T T2 2 2 2T T T T3 3 3 3T T T T5 5 5 5T T T T4 4 4 4T T T T7 7 7 7T T T
22、 T6 6 6 6T T T T8 8 8 8T T T T9 9 9 9V V V VDDDDDDDDD DD Di i i iCMOSCMOSCMOSCMOS模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路2.2.集成集成D/AD/A转换器转换器10.1.2 10.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器关于关于D/AD/A转换器转换器精度精度的讨论的讨论(1)(1)(1)(1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2)(2)(2)(2)倒倒倒倒T T T T形电阻网络中形电阻网络中形电阻
23、网络中形电阻网络中R R R R和和和和2R2R2R2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(4)(4)(4)(4)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2 2 2 2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2 2 2 2的整数倍递增。的整数倍递增。的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高为进一步提高为进一步提高D/AD/AD/AD/A转换器的精度，可采用
24、权电流型转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/AD/AD/AD/A转换器。转换器。转换器。转换器。为提高为提高为提高为提高D/AD/AD/AD/A转换器的转换器的转换器的转换器的精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求：(3)(3)(3)(3)每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等10.1.2 10.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器18D
25、 DD Di i i i=1=1=1=1时，开关时，开关时，开关时，开关S S S Si i i i接运放的反相端接运放的反相端接运放的反相端接运放的反相端;D DD Di i i i=0=0=0=0时，开关时，开关时，开关时，开关S S S Si i i i接地。接地。接地。接地。10.1.4 10.1.4 权电流权电流D/AD/A转换器转换器1.41.4位权电流位权电流D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器19 在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不
26、受开关导通电阻和压在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。10.1.4 10.1.4 权电流权电流D/AD/A转换器转换器1.41.4位权电流位权电流D/AD/A转换器转换器10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器202.2.实际的权电流实际的权电流D/AD/A转换器电路转换器电路10.1.4 10.1.4 权电流权电流D/AD/A转换器转换器10.1 D/A1
27、0.1 D/A转换器转换器电压恒定电压恒定各各BJT的的 发发射结电压相等射结电压相等基准电流产生电路基准电流产生电路+-2110.1.6 D/A10.1.6 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器22十进十进制数制数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模拟量模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0vO/
28、VLSB1271261011271280000111110010011001001100100110010011001001100100111011011110001100100110010011001001100100110010011001001110110127126101127128常用双极性编码常用双极性编码常用双极性编码常用双极性编码注：表中注：表中注：表中注：表中V VLSBLSB=V VREFREF/256/25610.1.6 D/A10.1.6 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器23 10.1.6 D/A10.1.6 D/A转换
29、器的输出方式转换器的输出方式10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器2410.1.7 D/A10.1.7 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：定义为定义为定义为定义为D/AD/AD/AD/A转换器模拟输出电压可能被分转换器模拟输出电压可能被分转换器模拟输出电压可能被分转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。离的等级数。离的等级数。离的等级数。n n n n位位位位DACDACDACDAC最多有最多有最多有最多有2 2 2 2n n n n个模拟输出电压。位个模拟输出电压。位个模拟输出电压。位个模拟输出电压。位数越多数越多数越多数越多D/AD/AD/A
30、D/A转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。压之比给出。压之比给出。压之比给出。n n n n位位位位D/AD/AD/AD/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为1 1、分辨率、分辨率10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器252、转换精度、转换精度转换精度转换精度转换精度转换精度是指对给定的数字量，是指
31、对给定的数字量，是指对给定的数字量，是指对给定的数字量，D/AD/AD/AD/A转换器实际值与转换器实际值与转换器实际值与转换器实际值与理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。产生原因产生原因产生原因产生原因：由于：由于：由于：由于D/AD/AD/AD/A转换器中各元件参数值存在误转换器中各元件参数值存在误转换器中各元件参数值存在误转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。种
32、因素的影响。种因素的影响。种因素的影响。几种转换误差几种转换误差几种转换误差几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非：有如比例系数误差、失调误差和非：有如比例系数误差、失调误差和非：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等线性误差等线性误差等线性误差等10.1.7 D/A10.1.7 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器2610.1.6 10.1.6 集成集成D/AD/A转换器的应用转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D D2 2 D D7 7 OO D D0 0 D D1 1 2R2R 2R2R 2R2
33、R 2R2R R R R R R R D D8 8 D D9 9 R R R R R R I I 2R2R 2R2R 2R2R -+R RF F I IOUT1OUT1 I IOUTOUT2 2 V VREFREF 10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器 OO -+R R I IOUT2OUT2I I I IOUT1OUT1 倒倒倒倒T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络I Iout1out1out1out1 I I0 0 0 0+I I1 1 1 1+I I2 2 2 2+I I9 9 9 927 OO -+R R I IOUT2OUT2I I I IOUT1OUT1 倒倒倒倒
34、T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络根据虚断有根据虚断有根据虚断有根据虚断有:I Iout1out1out1out1 I I0 0 0 0+I I1 1 1 1+I I2 2 2 2+I I9 9 9 910.1.6 10.1.6 集成集成D/AD/A转换器的应用转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器28(2)(2)脉冲波产生电路脉冲波产生电路7416374163具同步清零功能具同步清零功能具同步清零功能具同步清零功能7416374163和与非门构成十进制计数器：和与非门构成十进制计数器：和与非门构成十进制计数器
35、：和与非门构成十进制计数器：000010010000100110.1.6 10.1.6 集成集成D/AD/A转换器的应用转换器的应用10.1 D/A10.1 D/A转换器转换器2910.2.6 10.2.6 集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器10.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器10.2
36、.5 A/D10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标30概述概述ADCDnD0输出数字量输出数字量输入模拟电压输入模拟电压1.A/D1.A/D功能功能:10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器 将将时时间间和和幅幅值值都都连连续续的的模模拟拟量量，转转换换为为时时间间和和幅幅值值都离散的数字量。都离散的数字量。31 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s,但电路复杂。但电路复杂。逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s,转换精度高，在转换精度高，在转换速度和
37、硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型双积分型 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。2.A/D2.A/D转换器分类转换器分类10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器概述概述32取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程
38、A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样，保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器331.1.取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模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。拟量转换为在时间离散的模拟量。采样信号采样信号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。合理的采样频地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。率由采样定理确定。采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t
39、)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器34 采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。的模拟信号保持一段时间。采样采样保持保持取样与保持电路及工作原理取样与保持电路及工作原理
40、10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器352.2.量化量化数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需按保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，即将取样信号表某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，即将取样信号表示为一最小数量单位的整数倍。示为一最小数量单位的整数倍。将量化后的数值用二进制码或其他代码表示出来的过程称为将量化后的数值用二进制码或其他代码表示出来的过程称为编码。经编码后得到的代码就是编码。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量
41、。转换器输出的数字量。3.3.编码编码10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程10.2 A/D 10.2 A/D 转换器转换器3610.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量1、电路组成、电路组成37VI=8VREF/15111100000110.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转
42、换器38 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 v
43、I 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存储，触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。经优先编码器编码，得到数字量输出。10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器393 3、电路特点、电路特点在并行在并行A/DA/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I I同时加到所有比较器的
44、输同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I I输输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADCADC需需7 7个比较器、个比较器、7 7个触发器、个触发器、8 8个电阻。位数越多，电路越复杂。个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/DA/D转换器的产品很多，如转换器的产
45、品很多，如ADAD公司的公司的AD9012(TTLAD9012(TTL工艺工艺8 8位位)、AD9002(ECLAD9002(ECL工艺，工艺，8 8位位)、AD9020 AD9020(TTL(TTL工艺，工艺，1010位位)等。等。10.2.2 10.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器40所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器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称物重非常相似 。第一次第一次8 8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量W Wx x ，8 8克砝码保留克砝码保留8
46、 8 克克第二次再加4克砝码总重仍 待测重量Wx，2克砝码撤除12 克第四次再加1克砝码总重 待测重量Wx，1克砝码保留13 克 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8 8克、克、4 4克、克、2 2克和克和1 1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx Wx=13=13克。克。41I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一个CP：10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 42第二个CP：10I 7.5V I=6.84VVREF=10V10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器转
47、换原理转换原理 0 1 0 0 1 1 0 0 43第三个CP：I 6.25V 101A=6.84VVREF=10V10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器转换原理转换原理 0 0 1 0 1 0 1 0 4410000000A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111145小结：小结：1、逐次比较型逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；多转换精度越高；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需转换
48、器完成一次转换所需时间与其位数时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；少，时钟频率越高，转换所需时间越短；10.2.3 10.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器4610.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器1、双积分式双积分式A/D转换器的基本指导思想转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而然后
49、利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称转换器也称为电压时间数字式积分器为电压时间数字式积分器。472、电路组成、电路组成10.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器4800000Cr信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2 使电容的初始电压为0。3、工作原理、工作原理(1)准备阶段：10.2.4 10.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器49经过2n个CP(2)第一次积分：t=t0时，开关S1与A端相接，积分器开始对I积分。经2n个CP后,开关切换到B，=VP
50、。第一积分时间为2nTC50VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压O0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。(3)第二次积分：51T1=2nTC T2=Tc T2=t1 t2 在计数器所计的数=Qn-1Q1Q0，就是A/D转换器得到的结果。52优点：优点：1.由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分无关，从而消除了积分非线非线 性带来的误差。性带来的误差。2.由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采的是输入电压的平时间内采的是输入电压的平均值，均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。因此具有很强