数模与模数转换技术.doc

第13章 数/模与模/数转换技术本章要求：了解数-模、模-数转换的基本原理，理解常见数-模、模-数转换器的电路特点、主要参数及应用。本章内容：在数字处理技术中不仅需要将模拟信号转换数字信号，而且需要将处理过的数字信号再转换为模拟信号。本章主要讲授数-模、模-数转换的基本原理、常见的典型电路及A/D、D/A转换器的主要技术指标。本章学时：2学时13.1 数/模转换技术本节学时：1学时本节重点： D/A转换器基本原理及其主要技术指标。教学方法：以常用D/A转换器为例介绍其工作原理。教学手段：传统教学结合电工电子技术EDA仿真，通过例题使学生理解并掌握本章内容。教学内容：将数字量（Digital）转换为模拟量（Analog）的装置称为数/模转换器( 简称D/A转换器 )。 本节介绍常用的三种D/A转换器。13.1.1 权电阻D/A转换器1.组成这种转换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。如图1示。 图1 权电阻D/A转换器原理图2.工作原理电子模拟开关(S0S3 ) 是受二进制数D0D3 控制由电子器件构成的开关。当 Di1 时，则开关Si 接到位置1上，将基准电源UR经电阻Ri引起的电流接到运算放大器的虚地点；当Di0 时，开关Si 接到位置0 ，将相应电流直接接地而不进运放。根据反相比例运算公式可得：显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换 。3.特点权电阻D/A转换器的缺点：电阻阻值太多。13.1.2 R/2R倒T型电阻网络D A转换器D A转换是在该转换器的输入端输入数字量D3D2D1D0，然后计算出对应各个数字量的输出模拟量。如图13-2是R/2R倒T型电阻D/A转换器。I图13-3 D3=1、D2、D1、D0为0 图13-2 R/2R倒T型电阻D/A转换器在该转换器的输入端输入数字量1000、0100、0010和0001其输出模拟量分别为：（1）数字量为1000D3=1、D2=D1=D0=0，如图13-3所示，根据电阻串并联规律，有REQ=2R。由于运放的反相端是虚地，没有电流流过REQ。因此有：因此模拟量输出电压：（2）数字量为0100的情况 D3=0、D2=1、D1=0、D0=0，如图13-4所示。图13-4 D3=0、D2=1、D1=0、D0=0流过电阻R f的电流I为则输出的模拟量U0为（3）数字量为0010的情况图13-5 D3=0、D2=0、D1=1、D0=0如果数字量为0010，就是说D3=0、D2=0、D1=1、D0=0，这种情况如图13-5所示。这种情况下流过电阻R f的电流I为则输出的模拟量为 （4）数字量为0001的情况如果数字量为0001，就是说D3=0、D2=0、D1=0、D0=1，如图13-6所示。图13-6 D3=0、D2=0、D1=0、D0=1 流过电阻R f的电流I为则输出的模拟量为 若数字量不是上述4种情况，则肯定是上述4种情况的叠加，这时输出模拟量也是上述4种输出模拟量的叠加。例如，若数字量是1101，则输出的模拟量是 13.1.3 R/2R T型电阻网络D A转换器图13-7是R/2RT型电阻网络D/A转换器。图13-7 R/2RT型电阻网络D/A转换器运放输入端的电位虚地，流过各个支路的电流都保持不变。为计算流过各个支路的电流，可以把电阻网络等效成图13-8的形式。从A、B、C和D点向左看的等效电阻都是R，因此从参考电源流向电阻网络的电流为I=UR/R，而每个支路电流依次为I/2，I/4，I/8，I/16。各个支路电流在数字量D3、D2、D1和D0的控制下流向运放的反相端或地，若是数字量为1，则流入运放的反相端，若数字量为0，则流入地。图13-8 计算各个支路电流的等效电路例如，若D3=1，则有电流I/2流入运放的反相端；若D2=1，则有I/4的电流流入运放的反相端；若D1=1，则有I/8的电流流入运放的反相端；若D0=1，则有I/16的电流流入运放的反相端。将流入运放反相端的电流写成表达式： I=UR/R，而运放输出的模拟电压为： 例如，数字量为1001，参考电压为5V，则运放的输出电压为： 13.1.4 D/A变换器的主要技术指标1、分辨率指最小输出电压和最大输出电压之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。例:十位D/A转换器的分辨率为：2、线性度通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。 3、输出电压( 电流 )的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所需时间。通常D/A转换器的建立时间不大于1mS13.2模/数转换技术本节学时：1学时本节重点： A/D转换器基本原理及其主要技术指标。教学方法：以常用A/D转换器为例介绍其工作原理。教学手段：传统教学结合电工电子技术仿真通过例题使学生理解并掌握本章内容。教学内容： 模/数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。13.2.1并行模/数转换器1.组成输入电压通过比较器与各个比较器的反向端电压比较，然后经编码器编码。电路如图所示。它由三部分组成: 分压器、比较器和编码器。2.工作原理图13-9 并行模/数转换原理图输入电压通过比较器与各个比较器的反相端电压比较，比较器反相端电压是参考电压UR通过电阻分档的电压，输入电压比哪些个档的参考电压高，则哪些个比较器就输出高电平，但是由于比较器后接优先编码器，所以只有最高级别的比较器输出的高电平被编码。图13-9是3位并行A/D转换器。设参考电压为8V，比较器反相端的分档电压为1V，2V，3V，4V，5V，6V，7V。在第1个采样到来时，输入模拟量大于3V，则有三个比较器都输出高电平，但优先编码器只对反相端接3V分档电压的比较器的输出进行编码，输出数字量为011。余此类推，有如下的表格：采样脉冲123456789101112数字编码0111011011011011001000110111001011113.特点优点：转换速度快。缺点： 转换位数越多，需比较器数量越多。N位A/D转换器需2n-1个比较器。注意： 采样频率越高，转换精度越高。13.2.2双积分模/数转换器1.组成双积分模/数转换器由切换开关、积分器、比较器、计数器和控制逻辑等电路组成。在数字仪表中或其它测量仪器中，经常使用的模数转换器是双积分模数转换器。2.工作原理如图13-10所示双积分模数转换电路。工作原理为两个阶段： 定时积分阶段和定电压积分阶段。图13-10 双积分模/数转换原理图定时积分阶段：电容放电、积分器输出0V电压，计数器复位。随后开关SW接通输入模拟正电压Uin，积分器的输出电压按照某个斜率向负方向线性变化。在积分器输出负电压的期间，比较器输出高电平，与门打开，计数器开始计数。当计数器达到某个数n，则控制逻辑计数器复位。这段时间结束时，积分器的输出电压为 定电压积分阶段：当控制逻辑使开关SW接通参考负电压，由于比较器还输出高电平，所以计数器复位后接着计数。这时积分器对负参考电压UR积分，积分器的输出电压U1不断升高，当积分器的输出大于0V时，比较器输出低电平，与门关闭，计数器停止计数，控制逻辑给出使能脉冲使计数器的计数值nx存入锁存器，然后复位计数器开始下一次转换。当积分器在对负参考电压UR积分时，如果积分器的输出电压上升到0V时所需的时间为T2，则有：该电压为0V时计数器停止计数，所以有由上式有 由于第二阶段，计数器的计数值是nx，所以令。所以有 最后得到 可见nx是与输入电压Uin成正比的数。两个阶段的积分器输出电压波形图如图13-11所示。图13-11 积分器输出电压波形图3.特点优点：能抑制交流噪声干扰、结构简单、精度高。 缺点：转换速度慢，时间不固定。13.2.3逐次比较式模/数转换器1.组成四位逐次比较式A/D转换器如图13-12所示。从图中可以看出，它由逐次近似寄存器、D/A转换器和比较器组成。2.工作原理图13-12 逐次比较式A/D转换器方框图D/A转换器的输入（来自逐次近似寄存器）从最高位向最低位逐次置1，当每次置1完毕，比较器就会产生一个输出，指示D/A转换器的输出电压是否比输入的模拟电压大。如果D/A转换器的输出电压大于输入的模拟电压，则比较器输出低电平，使存储该位的逐次近似寄存器复位（清零）；若是D/A转换器的输出比输入的模拟电压小，比较器输出高电平，则保留存储该位的逐次近似寄存器数据（置1）。转换器从最高位开始，按此方法逐次比较，直至最低位后，转换结束。一个转换周期完成后，将逐次近似寄存器清0，开始下一次转换。逐次比较式A/D转换器的转换时间取决于转换中数字位数n的多少，完成每位数字的转换需要一个时钟周期，有前面分析可知，第n个时钟脉冲作用后，转换完成，所以该转换器的转换最小时间是nTC，这里TC是时钟脉冲的周期。3.特点 转换速度快，时间固定。13.2.4 A/D变换器的主要技术指标1.分辨率以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。2.