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1、第8章 数模与模数转换第1页，本讲稿共35页一、数模和模数转换的概念和作用一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量(电压或电流电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 Digital-Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称模数转
2、换器实现模数转换的电路称模数转换器 Analog-Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。第2页，本讲稿共35页模拟量模拟量模拟量模拟量数字量数字量数字量数字量 模拟量模拟量模拟量模拟量数字量数字量数字量数字量传感器传感器传感器传感器 被控对象被控对象被控对象被控对象 自然界物理量自然界物理量自然界物理量自然界物理量为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？第3页，本讲稿共35页二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例数字数字数字数字信号信号信号信号物理量物理量物理量物理量模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号压力传感器压力传感器温度
3、传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字处处理理系系统统DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象 DACADC二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例 第4页，本讲稿共35页8.1DAC 一、一、DAC的基本概念的基本概念 1.转换特性转换特性 DAC电电路路输输入入的的是是n位位二二进进制制数数字字信信息息B(Bn-1,Bn-2,B1、B0)，其其最最低低位位(LSB)的的B0和和最最高高位位(MSB)的的Bn-1的的权权分分别别为为20
4、和和2n-1，故，故B按权展开式为按权展开式为 第5页，本讲稿共35页 DAC电路输出的是与输入数字量电路输出的是与输入数字量成正比例成正比例的的电压电压uO或或电流电流iO，即，即 式中式中K为转换比例常数为转换比例常数。DAC框图如图框图如图8-2所示。所示。图图 8-2DAC框图框图 第6页，本讲稿共35页图图 8 3 转换特性转换特性 当当n=3时，时，DAC转换电路的输出与输入转换特性如图转换电路的输出与输入转换特性如图8-3所示，输出为阶梯波。所示，输出为阶梯波。第7页，本讲稿共35页2.分辨率分辨率 分辨率分辨率 n越大，越大，DAC的分辨能力越高的分辨能力越高(分辨率越小分辨率
5、越小)。DAC的分辨率，即为电路所能分辨的最小输出电压增量的分辨率，即为电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与满刻度输出电压与满刻度输出电压UMSB(Um)之比。之比。Um=uO|D=11 1=(2n 1)ULSBn 位均为位均为 1 最小输出电压增量最小输出电压增量，就是输入数字量中最低位（，就是输入数字量中最低位（LSB）B0状状态变化引起对应输出电压变化的幅值态变化引起对应输出电压变化的幅值ULSB。例例如如,当当n=10时时，DAC分分辨辨率率=;当当n=11时时，DAC分辨率分辨率 。第8页，本讲稿共35页3.精度精度 (1)非非线线性性误误差差：它它是是由由电电子子开开关关导导通
6、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，常用满刻度的百分数表示。电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数表示。(2)比比例例系系数数误误差差：它它是是参参考考电电压压UR偏偏离离引引起起的的误误差差，也也用用满刻度的百分数表示。满刻度的百分数表示。(3)漂漂移移误误差差：它它是是由由集集成成运运放放漂漂移移产产生生的的误误差差。增增益益的的改改变也会引起增益误差。变也会引起增益误差。4.转换时间转换时间 转转换换也也称称输输出出建建立立时时间间。它它是是从从输输入入数数字字信信号号时时开开始始，到到输输出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。精度
7、是实际输出值与理论计算值之差。精度是实际输出值与理论计算值之差。第9页，本讲稿共35页二、常用二、常用 DAC 的类型的类型常用的有常用的有权电阻网络权电阻网络 DAC、R-2R 倒倒 T 形形电阻网络电阻网络 DAC和和权电流网络权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，性。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换精度高，转换精度高，性能最佳。性能最佳。第10页，本讲稿共35页 （一）电路组成（一）电路组成三、权电阻网络三、权电阻网络 D/A 转换器转换器 模模拟拟开开关关 Si 受受各各位位输输入入数数字字量量控控制制，当当
8、 Bi=1 1 时时，开开关关 Si 接接到到 1 1 端端，电电阻阻 Ri 与与基基准准电电压压UR相相连连；当当 Bi=0 0 时时，开开关关 Si 则接到则接到 0 0 端，电阻端，电阻 Ri 接地。接地。0 00 0iFS0+-uOS1S2S3B3B2B1B0iRFUR22R21RI020RI123RI2I30 01 11 11 11 10 0+-A(LSB)(MSB)模拟开关模拟开关求和运算求和运算 放大器放大器权电阻网络权电阻网络第11页，本讲稿共35页 当电子开关当电子开关 S0 S3 都接都接 1 1 端时，流入求和运算放大器输入端时，流入求和运算放大器输入端的总电流端的总电流
9、 i为为 i=I3+I2+I1+I0=UR20RB3+UR21RB2+UR22RB1+UR23RB0 UR23R(23B3+22B2+21B1+20B0)=由于由于 i=-i F，故运算放大器的输出电压，故运算放大器的输出电压 uO为为 uO=iF RF=-iRF=-RF UR23R(23B3+22B2+21B1+20B0)（二）工作原理（二）工作原理第12页，本讲稿共35页 对于对于 n 位位权电阻权电阻 D/A 转换器，则有转换器，则有 uO=-iRF=-RF UR2n-1R(2n-1 Bn-1+2n-2Bn-2+21B1+20B0)当取当取RF=R/2时，则有时，则有 uO=-UR 2n
10、(2n-1 Bn-1+2n-2Bn-2+21B1+20B0)-UR 2n =Bi 2i i=0 n-1例如例如：UR=-8V，输入八位二进制数码为，输入八位二进制数码为11001011，则输出电，则输出电压为压为第13页，本讲稿共35页S0+-uOS1S2S3B3B2B1B0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR(一一)电路组成与转换原理电路组成与转换原理 四、四、R-2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 由倒由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路
11、(简称简称 I/U 转换电路转换电路)组成。组成。模模拟拟开开关关 Si 打打向向“1”侧侧时时，相相应应 2R 支支路路接接虚虚地地；打打向向“0”侧侧时时，相相应应 2R 支支路路接接地地。故故无无论论开开关关打向哪一侧，倒打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：型电阻网络均可等效为下图：第14页，本讲稿共35页II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，因此，I=VREFRI3=I2I2=I32=I4I1=I22=I8I0=I12=I16第15页
12、，本讲稿共35页模拟开关模拟开关 Si 受相应数字位受相应数字位 Bi 控制。当控制。当 Bi=1 时，开时，开关合向关合向“1”侧，相应侧，相应支路电流支路电流 Ii 输出输出；Bi=0 时，开关时，开关合向合向“0”侧，侧，Ii 流入地而不能输出。流入地而不能输出。S0+-uOS1S2S3B3B2B1B0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRRu0=-i RF=-B I0 RF=-B i=B3 I3+B2 I2+B1 I1+B0 I0 =(B3 23+B2 22+B1 21+B0 20)I0=B I0对对 n
13、 位位 DAC，uO=-B 若取若取 RF=R，则则uO=-B uO=-B 倒倒T形电阻网络中各支路电流恒定不变，故在开形电阻网络中各支路电流恒定不变，故在开关状态变化时不需电流建立时间，因而转换速度高。关状态变化时不需电流建立时间，因而转换速度高。第16页，本讲稿共35页（一）（一）电路组成电路组成i 位位电电子子模模拟拟开开关关 Si 由由相相应应输输入入数数据据 Bi 控控制制。当当Bi=1 1时时，Si接接1 1，恒恒流流源源接接运运算算放放大大器器的的反反向向端端，并并提提供恒流供恒流 Ii；当；当Bi=0 0时，时，Si 接接0 0，恒流源，恒流源接地接地。S0+-uOS1S2S3
14、B3B2B1B0iRF-VREFI/20 01 11 11 11 10 00 00 0I/4I/16I/8-+(LSB)(MSB)I/U转换转换 权电流权电流恒流源恒流源模拟开关模拟开关五、权电流型五、权电流型 D/A转换器转换器 第17页，本讲稿共35页 当电子开关当电子开关 Si 都接都接 1 1 端时，最高位代码对应支路的恒流源端时，最高位代码对应支路的恒流源电流为电流为 I/2，相邻位支路的恒流源电流依次减半。故运算放大器，相邻位支路的恒流源电流依次减半。故运算放大器的输出电压的输出电压 uO 为为 对于对于 n 位权电流型位权电流型 D/A 转换器，则有转换器，则有 uO=RF I
15、2n(2n-1 Bn-1+2n-2Bn-2+21B1+20B0)uO=iRF=RFI24(23B3+22B2+21B1+20B0)=RF(I2B3+I8B1+I16B0)I4B2+（二）（二）工作原理工作原理第18页，本讲稿共35页六、集成六、集成DAC 图图 8 7 AD7520引脚图引脚图 D0D9 为为10个数码控制位，个数码控制位，控制着内部控制着内部CMOS的电流开的电流开关。关。IO1和和IO2为电流输出端。为电流输出端。Rf端为反馈电阻端为反馈电阻Rf的一个的一个引出端，另一个引出端和引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。端连接在一起。UREF 端为基准电压输入端。端为基准电
16、压输入端。+UDD 端接电源的正端。端接电源的正端。GND 端为接地端。端为接地端。第19页，本讲稿共35页8.2ADC 一、一、ADC的组成的组成 1.ADC的两个组成部分及其作用的两个组成部分及其作用 图图 8-8ADC的组成部分的组成部分 采样保持电路采样保持电路量化编码电路量化编码电路第20页，本讲稿共35页 采样开关采样开关S的控制信号的控制信号CPs的频率的频率fs必须满足公式必须满足公式 fs2f imax fimax为输入电压频谱中的最高频率。为输入电压频谱中的最高频率。这样就能将采样保持后的这样就能将采样保持后的 不失真地恢复成输入电压不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式
17、称为。该公式称为采样定理采样定理。(1)采样保持电采样保持电路路图图 8 10 采样保持电路原理图采样保持电路原理图 采样脉冲采样脉冲采样：采样：把时间连续变化的信号变换把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。为时间离散的信号。保持：保持：保持采样信号，使有充分时保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。间转换为数字信号。第21页，本讲稿共35页图图 8 9 采样保持前后的波形举例采样保持前后的波形举例 第22页，本讲稿共35页(2)量化编码电路量化编码电路 将将介介于于两两个个离离散散电电平平之之间间的的采采样样值值，用用某某种种方方式式整整理理归归并到这两个离散电平之一的方式及过程称为并
18、到这两个离散电平之一的方式及过程称为“量化量化”。将将量量化化后后的的有有限限个个整整量量值值用用n位位一一组组的的某某种种数数字字代代码码(如如二二进进制制码码、BCD码码或或Gray码码等等)对对应应描描述述以以形形成成数数字字量量，这这种种用用数数字字代代码码表表示示量量化化幅幅值值的的过过程程称称作作“编编码码”。简简单单说说就是把量化的结果用二进制代码表示。就是把量化的结果用二进制代码表示。第23页，本讲稿共35页2.量化方式和量化误差量化方式和量化误差 (1)只舍不入法只舍不入法 当输入当输入uI在某两个相邻的量化值之间，即在某两个相邻的量化值之间，即(k为整数为整数)式中式中s为
19、量化的最小数量单位，称作为量化的最小数量单位，称作“量化间隔量化间隔”。这时采取只舍不入的方法，将这时采取只舍不入的方法，将uI不足一个不足一个s的尾数舍去，的尾数舍去，取其原整数，即取取其原整数，即取uI的量化值为的量化值为如如s=1V，uI=2.8V时，时，第24页，本讲稿共35页 (2)四舍五入法四舍五入法 当当uI的的尾尾数数不不足足 时时，用用舍舍尾尾取取整整法法得得其其量量化化值值；当当uI的尾数等于或大于的尾数等于或大于 时，则入整。时，则入整。例例如如，已已知知s=1V,则则uI=2.1V时时，uI=2V;uI=2.7V时时 。量化误差量化误差：量化过程中造成的被测输入信号与量
20、化值之间的误：量化过程中造成的被测输入信号与量化值之间的误差。差。第25页，本讲稿共35页图图 8 11 两种量化方法的比较两种量化方法的比较 只舍不入只舍不入四舍五入四舍五入s=1第26页，本讲稿共35页二、二、ADC电路电路 1.双积分双积分ADC 双双积积分分ADC又又称称双双斜斜率率ADC，是是间间接接法法的的一一种种，它它先先将将模模拟拟电电压压uI转转换换成成与与之之大大小小对对应应的的时时间间T，再再在在时时间间间间隔隔T内内用用计计数数器器对对固固定定频频率率计计数数，计计数数器器所所计计的的数数字字量量就就正正比比于于输输入模拟电压。入模拟电压。第27页，本讲稿共35页2.逐
21、次逼近式逐次逼近式ADC 基本思想是基本思想是：将大小不同的参考电压与采样保持后的电：将大小不同的参考电压与采样保持后的电压压uI逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。n位逐次逼近式位逐次逼近式ADC完成一次转换需要完成一次转换需要n+2个时钟脉冲周个时钟脉冲周期。期。n为为ADC的位数。的位数。第28页，本讲稿共35页图图 8-16三三位位二二进进制制数数的的并并行行比比较较型型ADC电电路路 3.并行比较型并行比较型ADC第29页，本讲稿共35页表表82 输入电压与代码的对应关系输入电压与代码的对应关系 第30页，本讲稿共35页三、三、
22、ADC的主要技术指标的主要技术指标 1.分辨率分辨率 分分辨辨率率指指ADC输输出出数数字字量量的的最最低低位位变变化化一一个个数数码码时时，对对应应输入模拟量的变化量输入模拟量的变化量。分辨率分辨率 ADC 的位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小，分辨的位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小，分辨率越高。率越高。一个一个n位位ADC能区分输入模拟电压的最小值为满量程输入能区分输入模拟电压的最小值为满量程输入的的1/2n。例如例如，输入信号为，输入信号为5V的的8位位ADC的分辨率为的分辨率为第31页，本讲稿共35页2.转换误差转换误差 表表示示ADC实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理
23、论论上上的的输输出出数数字字量量之之间间的差别，常用最低有效位的倍数表示。的差别，常用最低有效位的倍数表示。例例如如 给给出出相相对对误误差差小小于于等等于于LSB/2，这这就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到到的的输输出出数数字字量量之之间间的的误误差差小小于于最最低低位的半个字。位的半个字。第32页，本讲稿共35页3.转换速度转换速度 转转换换时时间间是是指指ADC从从转转换换信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字信信号号所所经经过过的的时时间间。此此时时间间与与转转换换电电路路的的类类型型有有关。关。不同类型的转换器，其转
24、换速度相差很大。不同类型的转换器，其转换速度相差很大。并行并行ADC转换速度最高转换速度最高，八位二进制输出的单片，八位二进制输出的单片ADC其其转换时间在转换时间在50ns内，内，逐次逼近型逐次逼近型ADC转换速度次之转换速度次之，一般在，一般在1050s，也有的可达数百纳秒。，也有的可达数百纳秒。双积分式双积分式ADC转换速度最慢转换速度最慢，其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。第33页，本讲稿共35页四、集成四、集成ADC 图图 8 17 ADC0801引脚图引脚图 WR第34页，本讲稿共35页图 8-18ADC0801电路典型应用 WRWR第35页，本讲稿共35页