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1、第8章 数模转换和模数转换第1页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换8.1 概述 随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。完成A/D转换的电路称为A/D转换器（简称ADC），ADC的转换过程称为编码。完成D/A转换的电路称为D/A转换器（简称DAC），DAC的转换过程称为解码。例如，用计算机对粉状货物（例如水泥、面粉）和颗粒状货物进行称重包装系统（如图8.1所示）。称重传感器小信号放大器A/D微处理器CPUD/A放大驱动料门开关驱动显示mgU模拟量数字量数字量模拟
2、量第2页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换一、A/D和D/A转换器 按结构划分，ADC和DAC可分为三大类：第一类是单片集成的，它是ADC和DAC产品的主流。这一类产品的特点是：通用性强，已形成系列化，可靠性高，成本也较低，但单片式ADC和DAC器件频带宽度有限制，影响转换速度和精度，能达到16位精度的水平也就不错了。第二类是混合集成式的，它可以根据转换精度和速度的要求，在集成芯片外的陶瓷基片上制造与之匹配的电阻网络，使得混合式集成芯片在转换精度和速度上大大优于单片式芯片。第三类是模块结构式的，这一类转换器实际上是一个功能完整的最小数字系统。第3页，本讲稿共2
3、2页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换8.2 数模转换电路(DAC)数模转换器(即DAC)是数字系统和模拟系统的接口，它将输入的二进制代码转换为相应的模拟电压输出。数模转换有多种方法，如权电流法、权电阻法、T型R2R网络法等。一、权电阻网络DA转换电路 1.电路组成 4位权电阻网络DA转换电路如图所示。它由求和运算放大器、基准电压UREF、权电阻网络和电子模拟开关S0S3等四部分组成。4 4位权电阻网络位权电阻网络D DA A转换器转换器U UREFREF第4页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换2.工作原理工作原理 在图4位权电阻网络DA转换
4、中，当电子开关S0S3都接1端时，流入求和运算放大器反相输入端A的总电流为：Di(0，1)又由于，于是运算放大器的输出电压u0为：第5页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换 对于n位权电阻D/A转换器，则有 权电阻DA转换器的优点是：电路简单，转换速度比较快。权电阻DA转换器的缺点是：各个电阻的阻值相差很大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，难以保证电阻阻值精度的要求，这既不利用电路的集成化，又给电路的转换精度带来严重的影响。第6页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换二、R2R倒T形电阻网络DA转换电路 1.
5、电路组成 4位倒T形电阻网络DA转换电路，如图8.6所示。它由求和运算放大器，基准电URET，R2R倒和形电阻网络和电子模拟开关S0S3等四部分组成。U UREFREF第7页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换2.工作原理 四位倒T型电阻网络的等效电路如图所示。四位倒四位倒T T型电阻网络的等效电路型电阻网络的等效电路第8页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换 从数字量高位D3至低位D0的电流分别为 因此，流入求和运算放大器的输入电流分别为：所以，运算放大器原输出电压u0为：对于n位倒T形电阻网络DA转换器的输出电压u0为：第9页
6、，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换三、权电流型DA转换电路权电流型权电流型D DA A转换电路原理图转换电路原理图 由于运算放大器的输入阻抗多数情况下可以近似认为无穷大，所以流过RF的电流近似等于 。由图得：=第10页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换8.3 模数转换电路（ADC）模数转换电路的作用是将输入连续变化的模拟信号变换为与其成正比的数字量信号输出。在进行模数(即AD)转换时，通常按取样、保持、量化、编码四个步骤进行。一、ADC的基本过程 1.所谓取样，就是对模拟信号ui(t)进行周期性抽取样值的过程。2.量化与编码所
7、谓量化，就是用数字信号的最低位1(LSB)所对应的模拟电压作为量化单位，用 表示，将样值电压变换为量化单位()电压整数倍的过程。量化后的离散量用相应的二进制码表示，称作编码。第11页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换 AD转换器的种类很多，按其工作原理不同来划分，可分为直接AD转换器和间接AD转换器两大类型。直接AD转换器具有较快的转换速度，典型电路有并行比较型AD转换器，逐次比较型AD转换器。间接AD转换器由于要先将模拟信号转换成时间或频率，再将时间或频率转换为数字量输出，所以转换速度慢。双积分型AD转换器、电压频率转换型AD转换器、计数式AD转换器都属于间
8、接AD转换器。二、并行比较型AD转换器 并行比较型AD转换器的主要优点是转换速度快，只要进行一次比较就能得出结果。它的缺点是电路比较复杂，成本高。第12页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换1.电路组成 如图所示，并行比较型AD转换器由电阻分压器、电压比较器、寄存器和优先编码器四部分组成。第13页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换2.并行比较型A/D转换器的真值表 并行比较型并行比较型A/D转换器的真值表转换器的真值表 第14页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换三、逐次比较型AD转换器 1 转换
9、原理：第15页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换2 逻辑电路第16页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换四、双积分型A/D转换器 它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。第17页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换工作原理：（1）准备阶段计数器清零，积分电容放电，vO=0V。（2）第一次积分阶段t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：第18页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和
10、模数转换 由于vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。第19页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：T2=TC 可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。第20页，本讲稿共22页第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换本 章 小 结 在许多计算机测控系统中，系统所能
11、达到的精度和速度最终是由A/D和D/A转换器的转换速度和转换精度所决定的。因此，转换精度和转换速度是A/D和D/A转换器的两个重要指标。D/A转换器功能是将输入的二进制数字信号转换成与之正比的模拟电压。常用的D/A转换器有权电阻网络、R-2R倒T形和权电流型D/A转换器。R-2R倒T形电阻网络D/A转换器所需的电阻种类少，转换速度快，但转换精度低。权电流网络D/A转换器转换速度和转换精度都比较高。A/D转换要经过取样、保持、量化和编码四个步骤实现。前两个步骤在取样保持电路中完成，后两个步骤在A/D转换器中完成。对模拟信号进行取样时，必须满足低通信号的取样定理，取样脉冲的频率fs2fi(max)
12、,即在模拟信号的一个周期内至少取样2次，这样才能做到不失真地恢复原来的模拟信号。第21页，本讲稿共22页 A/D转换器的功能是将输入的模拟电压转换成下之成正比的二进制数字信号。A/D转换分为直接转换和间接转换两种类型。直接转换速度快，如并联比较型A/D转换器，通常用于高速转换场合。间接转换速度慢，如双积分型A/D转换器，但其性能稳定，转换精度高，抗干扰能力强，目前使用较多。逐次比较型A/D转换器，属于直接转换型，但要经过多次反复馈比较，其转换速度比并联比较型慢，但比双积分型要快，属于中速A/D转换器，在集成A/D转换器中用得最多。由于微电子技术的高速发展，集成A/D和D/A得到了广泛的应用，例如DAC0832、ADC0832、ADC0809、CC7106/7107、CC14433等芯片（分别如表8.1、表8.6所示）。为了更好地应用这些集成组件，需理解和掌握它们的主要技术指标、参数和引脚功能。第第8 8章章 数模转换和模数转换数模转换和模数转换第22页，本讲稿共22页