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1、第8章 数模转换与模数转换第1页，本讲稿共29页第第第第8 8章章章章 数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换8.1 8.1 概述概述概述概述8.2 D/A8.2 D/A转换器转换器转换器转换器8.3 A/D8.3 A/D转换器转换器转换器转换器返回主目录返回主目录返回主目录返回主目录退出退出退出退出第2页，本讲稿共29页8.1 概述概述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D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。第3页，本讲稿共29页8.2
2、D/A转换器转换器8.2.1 D/A8.2.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理8.2.2 D/A8.2.2 D/A转换器的构成转换器的构成转换器的构成转换器的构成8.2.3 8.2.3 集成集成集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用转换器及其应用转换器及其应用返回第4页，本讲稿共29页8.3 A/D转换器转换器8.3.1 A/D8.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理8.3.2 A/D8.3.2 A/D转换器的构成转换器的构成转换器的构成转换器的构成8.3.3 8.3.3 集成集成集成集成A/DA/D转
3、换器及其应用转换器及其应用转换器及其应用转换器及其应用返回返回返回返回第5页，本讲稿共29页8.2.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理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。基基基基本本本本原原原原理理理理第6页，本讲稿共29页转转转转换换换换特特特特性性性性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出
4、模拟电流io=KiD。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：第7页，本讲稿共29页（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值
5、时所需要的时间，称为输出建立时间。第8页，本讲稿共29页8.2.2 D/A转换器的构成转换器的构成不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。第9页，本讲稿共29页设RF=R/2第10页，本讲稿共29页分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。第11页，本讲稿共29页第12页，本讲稿共29页第13页，本讲稿共29页8.2.3 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用第14页，本讲稿共29页本节小结：D
6、/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和转换器和T型电型电阻网络阻网络D/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T型电阻网络型电阻网络D/A转换转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。转换器普遍采用这种电路结构。如如果果输输入入的的是是n位位二二进进制制数数，则则D/A转转换换器器的的输输出出电压
7、为：电压为：第15页，本讲稿共29页8.3 A/D转换器转换器8.3.1 A/D8.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理8.3.2 A/D8.3.2 A/D转换器的构成转换器的构成转换器的构成转换器的构成8.3.3 8.3.3 集成集成集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用转换器及其应用转换器及其应用返回返回返回返回第16页，本讲稿共29页8.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中
8、，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。第17页，本讲稿共29页t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。第18页，本讲稿共29页（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输
9、出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。第19页，本讲稿共29页0uiVREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进
10、制代码为d2d1d0=001。8.3.2 A/D转换器的构成转换器的构成第20页，本讲稿共29页3VREF/14 ui5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5VREF/14ui 7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。第21页，本讲稿共29页第22页，本讲稿共29页转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先
11、将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原原原原理理理理框框框框图图图图基基基基本本本本原原原原理理理理第23页，本讲稿共29页3 3位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器转换器转换器转换器第24页，本讲稿共29页转换开始前，先使Q1=
12、Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第 二 个CP到 来 后，环 形 计 数 器 右 移 一 位，变 成 Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同
13、时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理工作原理工作原理工作原理第25页，本讲稿共29页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，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；
14、接着对基准电压进行同样的处理。原理电路原理电路原理电路原理电路第26页，本讲稿共29页第27页，本讲稿共29页8.3.3 集成集成A/D转换器及应用转换器及应用第28页，本讲稿共29页A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自转换方式具有各自的特点。并联比较型的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型数
15、目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。因此得到普遍应用。本节小结：第29页，本讲稿共29页