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1、第九章数模模数转换电路第1页，本讲稿共28页第第9章章 数模和模数转换数模和模数转换9.1 9.1 概述概述概述概述9.2 D/A9.2 D/A转换器转换器转换器转换器9.3 A/D9.3 A/D转换器转换器转换器转换器退出退出退出退出第2页，本讲稿共28页9.1 概述概述能能将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量量的的电电路路称称为为模模数数转转换换器器，简简称称A/D转转换换器器或或ADC；能能将将数数字字量量转转换换为为模模拟拟量量的的电电路路称称为为数数模模转转换换器器，简简称称D/A转转换换器器或或DAC。ADC和和DAC是是沟沟通通模模拟拟电电路路和和数数字字电电路路的的桥桥梁梁，
2、也也可可称之为两者之间的接口。称之为两者之间的接口。第3页，本讲稿共28页9.2 D/A转换器转换器9.2.1 D/A9.2.1 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9.2.2 D/A9.2.2 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9.2.3 9.2.3 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退出退出退出退出第4页，本讲稿共28页9.2.1 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
3、位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数量，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。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5页，本讲稿共28页转转转转换换换换特特特特性性性性D/A转转换换器器的的转转换换特特性性，是是指指其其输输出出模模拟拟量量和和输输入入数数字字量量之之间间的的转转换换关关系系。图图示示是是输输入入为为3位位二二进进制制数数时时的的D/A转转换换器器的的转转换换特特性性。理理想想的的D/A转转换换器器的的转转换换特特性性，应应是是输输出出模模拟拟量量与与输输入入数数字字量量成成正
4、正比比。即即：输输出出模模拟拟电电压压 uo=KuD或或输输出出模模拟拟电电流流io=KiD。其其中中Ku或或Ki为为电电压压或或电电流流转转换换比比例例系系数数，D为为输输入入二二进进制制数数所所代代表表的的十十进进制制数数。如如果输入为果输入为n位二进制数位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：，则输出模拟电压为：第6页，本讲稿共28页（1）分辨率）分辨率分分辨辨率率用用输输入入二二进进制制数数的的有有效效位位数数表表示示。在在分分辨辨率率为为n位位的的D/A转转换换器器中中，输输出出电电压压能能区区分分2n个个不不同同的的输输入入二二进进制制代代码码状状态，能给出态，能给出
5、2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。分分辨辨率率也也可可以以用用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的比值来表示。的比值来表示。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：（2）转换精度）转换精度D/A转转换换器器的的转转换换精精度度是是指指输输出出模模拟拟电电压压的的实实际际值值与与理理想想值值之差，即最大静态转换误差。之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间）输出建立时间从从输输入入数数字字信信号号起起，到到输输出出电电压压或或电电流流到到达达稳稳定定值值时时所所需需要要的时间，称为输出建立时间。的时间，称为输出建立时间。
6、第7页，本讲稿共28页5.2.2 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，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也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变的。，各支路的电流不变的。第8页，本讲稿共28页设RF=R/2第9页，本讲稿共28页分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是处向右看的二端网络等效电阻都是R。不不论论模模拟拟开开关关接接到到运运算算放放大大器器的的反反相相输输入入端端（虚虚地地）还还是是接接到到地，也就是不论输入数字信号是地，也就是不论输入数字信号是
7、1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。第10页，本讲稿共28页第11页，本讲稿共28页第12页，本讲稿共28页5.2.3 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用第13页，本讲稿共28页本节小结：本节小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转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。换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络理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型型电阻网络电阻网络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，
8、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电压为：出电压为：第14页，本讲稿共28页9.3 A/D转换器转换器9.3.1 A/D9.3.1 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9.3.2 A/D9.3.2 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9.3.3 9.3.3 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退出退出退出退出第15
9、页，本讲稿共28页9.3.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理模模拟拟电电子子开开关关S在在采采样样脉脉冲冲CPS的的控控制制下下重重复复接接通通、断断开开的的过过程程。S接接通通时时，ui(t)对对C充充电电，为为采采样样过过程程；S断断开开时时，C上上的的电电压压保保持持不不变变，为为保保持持过过程程。在在保保持持过过程程中中，采采样样的的模模拟拟电电压压经经数数字字化化编编码码电电路路转转换换成成一组一组n位的二进制数输出。位的二进制数输出。第16页，本讲稿共28页t0时刻时刻S闭合，闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大
10、器的增益都为增益都为1，因此这一阶段，因此这一阶段uo跟随跟随ui变化，即变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，为理想开关，则则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输出端的电压uo维持不变。维持不变。第17页，本讲稿共28页（1）分辨率）分辨率A/D转转换换器器的的分分辨辨率率用用输输出出二二进进制制数数的的位位数数表表示示，位位数数越越多多，误误差差越越小小，转转换换
11、精精度度越越高高。例例如如，输输入入模模拟拟电电压压的的变变化化范范围围为为05V，输输出出8位位二二进进制制数数可可以以分分辨辨的的最最小小模模拟拟电电压压为为5V2820mV；而而输输出出12位位二二进进制数可以分辨的最小模拟电压为制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度）相对精度在在理理想想情情况况下下，所所有有的的转转换换点点应应当当在在一一条条直直线线上上。相相对对精精度度是是指指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度）转换速度转转换换速速度度是是指指完完成成一一次次转转换换所所需需的的时时间间。转转换换时时间
12、间是是指指从从接接到到转转换换控控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。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18页，本讲稿共28页0uiVREF/14时时，7个个比比较较器器输输出出全全为为0，CP到到来来后后，7个个触触发发器器都都置置0。经经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二二进进制代码为制代码为d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14时时，7个个比比较较器器中中只只有有C1输输出出为为1，CP到到来来后后，只只有有触触发发器器FF1置置1，其其余余触触发发器器仍仍为为0。经经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二进制代码为
13、二进制代码为d2d1d0=001。9.3.2 A/D转换器的构成转换器的构成第19页，本讲稿共28页3VREF/14 ui 5VREF/14时时，比比较较器器C1、C2输输出出为为1，CP到到来来后后，触触发发器器FF1、FF2置置1。经经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二二进进制制代代码码为为d2d1d0010。5VREF/14ui 7VREF/14时时，比比较较器器C1、C2、C3输输出出为为1，CP到到来来后后，触触发发器器FF1、FF2、FF3置置1。经经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二进制代码为二进制代码为d2d1d0=011。依依此此类类推推，可可以以列列出出ui为为不不
14、同同等等级级时时寄寄存存器器的的状状态态及相应的输出二进制数。及相应的输出二进制数。第20页，本讲稿共28页第21页，本讲稿共28页转转换换开开始始前前先先将将所所有有寄寄存存器器清清零零。开开始始转转换换以以后后，时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1，使使输输出出数数字字为为1000。这这个个数数码码被被D/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压uo，送送到到比比较较器器中中与与ui进进行行比比较较。若若uiuo，说说明明数数字字过过大大了了，故故将将最最高高位位的的1清清除除；若若uiuo，说说明明数数字字还还不不够够大大，应应将将这这一一位位保保
15、留留。然然后后，再再按按同同样样的的方方式式将将次次高高位位置置成成1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1是是否否应应该该保保留留。这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为为止止。比比较较完完毕毕后后，寄寄存存器器中中的的状状态态就就是是所所要要求求的的数数字字量量输输出。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22页，本讲稿共28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23页，本讲稿共28页转转换换开开始始前前，先先使使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第第一一个个CP
16、到到来来后后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于于是是FFA被被置置1，FFB和和FFC被被置置0。这这时时加加到到D/A转转换换器器输输入入端端的的代代码码为为100，并并在在D/A转转换换器器的的输输出出端端得得到到相相应应的的模模拟拟电电压压输输出出uo。uo和和ui在在比比较较器器中中比比较较，当当若若uiuo时时，比比较较器器输输出出uc=1；当当uiuo时，时，uc=0。第第 二二 个个CP到到 来来 后后，环环 形形 计计 数数 器器 右右 移移 一一 位位，变变 成成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这这时时门门G1打打开开，若若原原来来uc=1，则则FFA被被置置0
17、，若若原原来来uc=0，则，则FFA的的1状态保留。与此同时，状态保留。与此同时，Q2的高电平将的高电平将FFB置置1。第第三三个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器又又右右移移一一位位，一一方方面面将将FFC置置1，同同时将门时将门G2打开，并根据比较器的输出决定打开，并根据比较器的输出决定FFB的的1状态是否应该保留。状态是否应该保留。第第四四个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门门G3打打开开，根根据据比较器的输出决定比较器的输出决定FFC的的1状态是否应该保留。状态是否应该保留。第第五五个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器Q5=1，
18、Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。送出。工作原理工作原理工作原理工作原理第24页，本讲稿共28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：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，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；接着对出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电
19、压进行同样的处理。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25页，本讲稿共28页第26页，本讲稿共28页9.3.3 集成集成A/D转换器及应用转换器及应用第27页，本讲稿共28页A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多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。不同的位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的转换方式具有各自的特点。并联比较型特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是转换器转换速度快，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，要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分
20、型所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的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，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，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，得到了广泛的应用逐次逼近型得到了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误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，因此得到普遍应用。换器的优点，因此得到普遍应用。本节小结：第28页，本讲稿共28页