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1、第十一章第十一章 数数-模转换和模模转换和模-数转换数转换 11.1 概述概述11.2 D/A转换器转换器11.3 A/D转换器转换器1模拟信号模拟信号电电子子电电路路中中的的信信号号数字信号数字信号模拟电路模拟电路数字电路数字电路随时间连续变化的信号随时间连续变化的信号在时间上和数值上都是离散的在时间上和数值上都是离散的11.1 概概 述述 自然界中的物理量尽管性质各异，但就其变化规律的自然界中的物理量尽管性质各异，但就其变化规律的特点而言，不外乎数字量和模拟量两大类。特点而言，不外乎数字量和模拟量两大类。数字电子技术尤其是计算机的迅速发展，用数字电路数字电子技术尤其是计算机的迅速发展，用数
2、字电路处理模拟信号越来越普遍。处理模拟信号越来越普遍。2从模拟信号到数字信号的转换称为模从模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，数转换，简称为简称为A/D转换转换（Analog to Digital）。从数字信号到模拟信号的转换称为数从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换，模转换，简称简称D/A转换转换（Digital to Analog）。实现实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器转换器（Analog DigitalConverter）；简称）；简称ADC。实现实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器转换器（Digital AnalogConverter）；简称）；简称
3、DAC。转换精度转换精度和和转换速度转换速度是衡量是衡量ADC和和DAC性能优劣的主要指标性能优劣的主要指标3输输入入的的模模拟拟信信号号先先被被转转换换成成某某种种中中间间变变量量（如如时时间间、频频率率等等），然然后后再再将将中中间间变变量量转转换换为为最最后后的数字量。的数字量。D/A转换器转换器权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器A/D转换器转换器直接直接A/D转换器：转换器：间接间接A/D转换器：转换器：输入的模拟信号直接被输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号转换成相应的数字信号权电流权电流D/A转换器转换器权电容权电容D/A转换器转
4、换器开关树型开关树型D/A转换器转换器分类：分类：并联比较性并联比较性反馈比较性反馈比较性V-T变换变换V-F变换变换41111.2.1 .2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器 这种这种转换转换器由器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权电阻网络权电阻网络”、“运算运算放大器放大器”和和“参考电压参考电压”等部分组成。等部分组成。4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器转换器di=0时，开关时，开关Si接地，接地，di=1时，开关时，开关Si接接VREF11.2 D/A转换器转换器V-V+-VoRF=R/2S1S0S2S3R2R22R23Rd0d1d2d3 VREF运算放大器运算放
5、大器参考电压参考电压（LSB)（MSB)5I0I1I2I3V-V+-VoRF=R/2S1S0S2S3R2R22R23Rd0d1d2d3 VREF参考电压参考电压（LSB)（MSB)6同理，对于同理，对于n位的权电阻网络位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻转换器，当反馈电阻RF=R/2时，输出电压的计算公式可写成：时，输出电压的计算公式可写成：上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量Dn，从，从而实现了从数字量到模拟量的转换。而实现了从数字量到模拟量的转换。7当当Dn=000000时，时，V0=0当当Dn=111111时，时，当当Dn=000001时
6、，时，8例如：例如：3位位D/A转换器，转换器，VREF=-8V输输 入入 输输 出出d2d1d0V0（V）000001010011100101110111t0V0876543210clkt阶梯波发生器阶梯波发生器计数器计数器D/A转换器转换器V0clkd0d2d1012345679电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路当当d di i =1=1时，时，T T2 2管饱和导通，管饱和导通，T T1 1管截止，则管截止，则S Si i与与 V VREFREF接通接通当当d di i=0=0时，时，T T1 1管饱和导通，管饱和导通，T T2 2管截止，则管截止，则S Si i被接地
7、被接地 权电阻网络权电阻网络D/A转换器优缺点转换器优缺点:优点：电路简单，所用电阻元件数很少。优点：电路简单，所用电阻元件数很少。缺点：各个电阻的阻值相差较大缺点：各个电阻的阻值相差较大(2n)，位数较多时差别更大，位数较多时差别更大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部。内部。改进方法：双级权电阻网络改进方法：双级权电阻网络D/A转换器。转换器。倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器。转换器。T1T2SidiVREF10图图中中S0S3为为模模拟拟开开关关，由由输输入入数数码码di控控制制，di=1时时接接V-，di=0时时接接V+。无无论论Si处处
8、于于何何种种位位置置，与与Si相相连连的的2R电电阻阻均均接接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器I=VREF/R4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器网络等效网络等效电阻电阻=R希望用较少类型的电阻，希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流。仍然能得到一系列权电流。11输出电压：输出电压：流过各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为于是得总电流：于是得总电流：12同理，对于同理，对于n位的倒位的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，当反馈电转换器，当反馈电阻阻RF=R时，输出电压的计算公
9、式可写成：时，输出电压的计算公式可写成：与权电阻网络与权电阻网络D/A转换器的计算公式完全相同。转换器的计算公式完全相同。13一、一、转换精度转换精度在在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。11.2.7 D/A11.2.7 D/A转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压之比来表示分辨率，之比来表示分辨率，n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为1、分分辨辨率率：指指D/A转转换换器器在在理理论论上上能能够够达达
10、到到的的精精度度。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。在在实实际际应应用用中中，常常用用输输入入二二进制数码的位数表示进制数码的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。D/A转换器的主要技术指标是转换精度和转换速度。转换器的主要技术指标是转换精度和转换速度。但是，由于但是，由于D/A转换器的各个环节在参数和性能上和理论转换器的各个环节在参数和性能上和理论值之间不可避免的存在着差异，所以实际能达到的转换精度由值之间不可避免的存在着差异，所以实际能达到的转换精度由转换误差来决定。转换误差来决定。14 转转换换精精度度是是实实际际输输出出值值与与理理论论计计算算值值之之
11、差差，这这种种差差值值，由转换过程各种误差引起由转换过程各种误差引起,主要指静态误差，它包括：主要指静态误差，它包括：非非线线性性误误差差：是是电电子子开开关关导导通通的的电电压压降降和和电电阻阻网网络络电阻值偏差产生的。电阻值偏差产生的。比比例例系系数数误误差差：是是参参考考电电压压UR的的偏偏离离而而引引起起的的误误差差，因因UR是比例系数，是比例系数，故称之为比例系数误差。故称之为比例系数误差。漂移误差：漂移误差：它是由运算放大器零点漂移产生的误差。它是由运算放大器零点漂移产生的误差。2、转换误差、转换误差：指：指D/A转换器实际能达到的转换精度。转换器实际能达到的转换精度。15二、二、
12、转换速度转换速度建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生突突变变开开始始，到到输输出出电电压压进进入入与与稳稳定定电电压压值值相相差差LSB/2LSB/2范范围围之之内内所所需需要要的时间。最短可达的时间。最短可达0.1S。输输入入数数字字量量的的变变化化越越大大，建建立立时时间间越越长长，所所以以，一一般般产产品品说说明明中中给给出出的的是是输输入入从从全全0跳跳变变到到全全1（或或从从全全1跳跳变变到到全全0）时的建立时间。）时的建立时间。通常用建立时间来描述通常用建立时间来描述D/A转换器的转换器的转换速度。转换速度。t0v0稳态值稳态值tset1611.3 A/
13、D转换器转换器(ADC)11.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 A/D转转换换是是将将模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号，转转换换过过程程通通过过取样、保持、量化取样、保持、量化和和编码编码四个四个步骤完成。步骤完成。一、一、取样和保持取样和保持 取取样样（也也称称采采样样）是是将将时时间间上上连连续续变变化化的的信信号号转转换换为为时时间间上上离离散散的的信信号号，即即将将时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。其其过过程程如如下下图图所所示示。图图中中Ui
14、(t)为为输输入入模模拟拟信信号号，S(t)为采样脉冲，为采样脉冲，UO(t)为取样后的输出信号。为取样后的输出信号。17取样过程取样过程 S(t)在取样脉冲作用期在取样脉冲作用期内，取样开内，取样开关接通，使关接通，使 ，在在其它时间（其它时间（TS-）内，输出）内，输出=0。因此，每经过一个取样周期，因此，每经过一个取样周期，对输入信号取样一次，在输出对输入信号取样一次，在输出端便得到输入信号的一个取样端便得到输入信号的一个取样值。值。为为了了不不失失真真地地恢恢复复原原来来的的输输入入信信号号，一一个个频频率率有有限限的的模模拟拟信信号号，其其取取样样频频率率fS必必须须大大于于等等于于
15、输输入入模模拟拟信信号号包包含含的的最最高高频频率率fmax的的两两倍倍，即即取取样样频频率率必必须满足：须满足：取样定理取样定理18保保持持：模模拟拟信信号号经经采采样样后后，得得到到一一系系列列样样值值脉脉冲冲。采采样样脉脉冲冲宽宽度度一一般般是是很很短短暂暂的的，在在下下一一个个采采样样脉脉冲冲到到来来之之前前，应应暂暂时时保保持持所所取取得得的的样样值值脉脉冲冲幅幅度度，以以便便进进行行转转换换。因因此此，在在取取样样电路之后须加电路之后须加保持电路保持电路。取取Ri=RfN沟道沟道MOS管管T作为开关用。作为开关用。当控制信号当控制信号vL为高电平时为高电平时,T导通，导通，vI经电
16、阻经电阻Ri和和T向电向电容容Ch充电。充电。则充电结束后则充电结束后vO=vI=vC。当当控控制制信信号号返返回回低低电电平平后后，T截截止止。Ch无无放放电电回回路路，所所以以vO的的数数值值可可被被保保存存下下来。来。19tv vi i 输入模输入模 拟信号拟信号vo采样采样/保持器保持器输出信号输出信号vL采样脉冲采样脉冲可见，进行可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的取样结束时的vi值。值。20二、二、量化和编码量化和编码 数数字字信信号号不不仅仅在在时时间间上上是是离离散散的的，而而且且在在数数值值上上也也是是离离散散的的。
17、也也就就是是说说，任任何何一一个个数数字字量量的的大大小小只只能能是是某某个个规规定定的的最最小小数数量量单单位位的的整整数数倍倍。在在进进行行A/D转转换换时时，必必须须把把取取样样电电压压表表示示为为这这个个最最小小单单位位的的整整数数倍倍，这个转化过程称为这个转化过程称为量化量化。所所取取的的最最小小数数量量单单位位称称为为量量化化单单位位，用用表表示示。数字信号最低有效位的数字信号最低有效位的1所代表的数量大小就等于所代表的数量大小就等于。把把量量化化的的结结果果用用代代码码（二二进进制制数数码码或或其其他他进进制制数数码码）表表示示出出来来，称称为为编编码码。这这些些代代码码就就是是
18、A/D转转换换的的输出结果。输出结果。21模拟电压是连续的模拟电压是连续的,那么它就不一定能被那么它就不一定能被整除整除,因而量化过程因而量化过程不可避免地会引入误差，这种误差称为不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。量化误差。(a)法中量化误差最大为法中量化误差最大为，(b)法中量化误差最大为法中量化误差最大为0.5221)只舍不入法只舍不入法量化电平取量化电平取的整数倍。如的整数倍。如=1V，量化电平取，量化电平取1V,2V,3V,最大量化误差最大量化误差=（=1V）00001101000110110023 2)有舍有入法有舍有入法量量化化电电平平取取/2的的整整数数倍倍。如如=1V
19、，量量化化电电平平取取1/2V，3/2V，5/2V,这种这种方法误差要小。方法误差要小。000001101100011010110最大量化误差最大量化误差=/2（=0.5V）24 11.3.2 A/D转换器转换器 ADC电路分成直接法和间接法两大类。电路分成直接法和间接法两大类。直直接接法法是是通通过过一一套套基基准准电电压压与与取取样样保保持持电电压压进进行行比比较较，从从而而直直接接转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工作作速速度度高高，转转换换精精度度容容易易保保证证，调调准准也也比比较较方方便便。常常用用的的电电路路有有并并联联比比较较型型和和逐次渐进型逐次渐进型ADC。间间接
20、接法法是是将将取取样样后后的的模模拟拟信信号号先先转转换换成成时时间间t或或频频率率f,然然后后再再将将t或或f转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工作作速速度度较较低低，但但转转换换精精度度可可以以做做得得较较高高，且且抗抗干干扰扰性性强强，一一般般在在测测试试仪仪表表中用的较中用的较多。多。常用的电路有常用的电路有双积分型双积分型ADC。25一、一、并联比较型并联比较型A/DA/D转换器（转换器（3 3位）位）P P52952926 并联比较型并联比较型A/DA/D转换器真值表转换器真值表2711.3.7 A/D转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度 分辨率分辨率=分
21、辨率分辨率 分分辨辨率率指指A/DA/D转转换换器器对对输输入入模模拟拟信信号号的的分分辨辨能能力力。从从理理论论上上讲讲，一一个个n n位位二二进进制制数数输输出出的的A/DA/D转转换换器器应应能能区区分分输输入入模模拟拟电电压压的的2 2n n个个不不同同量量级级，能能区区分分输输入入模模拟拟电电压压的的最最小小差异为差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。例例如如，A/DA/D转转换换器器的的输输出出为为 10 10 位位二二进进制制数数，最最大大输输入模拟信号为入模拟信号为 5V5V，则其分辨率为：则其分辨率为：A/D转换器的转换器的转换精度转换精度用分辨率和转
22、换误差来描述。用分辨率和转换误差来描述。28转换误差转换误差它表示它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示.转换速度转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间，转换时间是从转换速度是指完成一次转换所需的时间，转换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。过的时间。速度取决于电路结构类型速度取决于电路结构类型并联比较型：并联比较型：1微秒微秒逐次渐近型：逐次渐近型：10100微秒微秒/次次双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒/次次29