飞电6 模拟信号与数字信号的转换

飞机电子基础 南航新员工培训 目录 第一章半导体的基础知识第二章二极管与整流电路第三章三极管与放大器第四章集成运算放大器及其应用电路第五章数制及其转换第六章模拟信号与数字信号的转换第七章数字电路第八章计算机基础知识第九章计算机网络的基本概念第十章ARINC429数字数据总线 第六章模拟信号与数字信号的转换 6 1模拟信号与数字信号6 2模数转换和数模转换的基本原理 6 1模拟信号与数字信号 在自然界中 存在着许许多多的物理量 例如 时间 温度 压力 速度等等 它们在时间和数值上都具有连续变化的特点 这种连续变化的物理量 习惯上称为模拟量 把表示模拟量的信号叫做模拟信号 例如 正弦变化的交流信号 它在某一瞬间的值可以是一个数值区间内的任何值 还有一种物理量 它们在时间上和数值上是不连续的 它们的变化总是发生在一系列离散的瞬间 它们的数量大小和每次的增减变化都是某一个最小单位的整数倍 而小于这个最小单位的数值是没有物理意义的 例如 工厂中的生产只能在一些离散的瞬间完成产品 而且产品的个数也只能一个单位一个单位地增减 这一类物理量叫做数字量 图6 1数字信号 把表示数字量的信号叫做数字信号 工作在数字信号下的电路叫做数字电路 在数字电路中采用只有0 1两种数值组成的数字信号 一个0或一个1通常称为1比特 有时也将一个0或一个1的持续时间称为一拍 对于0和1可以用电位的低和高来表示 也可以用脉冲信号的无和有来表示 如图6 1所示 a 所示为数字信号1101110010 b 所示是以高电平表示1 低电平表示0的数字信号波形 称为电位型数字信号或称为不归0型数字信号 c 所示是以有脉冲表示1 无脉冲表示0的数字信号波形 称为脉冲型数字信号或归0型数字信号 即在相邻1信号间 先回到0再变为1 6 2模数转换和数模转换的基本原理 在电子技术中 模拟量和数字量之间的相互转换是很重要的 例如用电子计算机对生产过程进行控制时 首先要将被控制的模拟量转换为数字量 才能送到数字计算机中去进行运算和处理 然后又要将处理得出的数字量转换成为模拟量 才能实现对被控制的模拟量进行控制 再如在数字仪表中 也必须将被测的模拟量转换为数字量 才能实现数字显示 能将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器 简称D A转换器或DAC DigitaltoAnalogConverter 能将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器 简称A D转换器或ADC AnalogtoDigitalConverter 下面介绍模数和数模转换的基本原理 一 D A转换器原理简介 数 摸 D A 转换器可以看作是一个译码器 它是将输入的二进制数字信号D 或称为编码信号 转换 翻译 成模拟信号 并以电压或电流的形式输出 图6 2表示了4位二进制代码的数字信号经过D A转换器后的输出模拟信号电压的对应关系 图6 2DAC输出特性 从图6 2中可见 每一个二进制代码的编码数字信号 通过位权的运算 都可以翻译成一个对应的十进制数值 必须指出 相邻两个编码信号转换出来的数值是不连续的值 它们中间的差值由最低码位所代表的位权来决定 对于4位二进制代码 该差值为l 16 满值 要使相邻两个编码信号转换输出的差值减小 只有增加数字编码信号的位数 例如 输入二进制代码为十进制代码 其输出电压可能的最小变化为满值输出的1 1024 输入信号是有权数字代码的D A转换器为线性D A转换器 这是最常用的D A转换器 此外 还有非线性转换器 例如 输出电压和输入数字量之间成对数关系的非线性转换器 图6 3D A转换器方框图 图6 3所示为一个n位D A转换器的方框图 输入的数字信号可以串行或并行输入 输入数字信号首先存储在数字寄存器内 寄存器的并行输出的每一位驱动一个数字位模拟开关 通过模拟开关 将参考电压按位权关系加到电阻解码网络 使输出模拟电压恰好与该位数码所代表的数值相对应 二 模 数 A D 转换器概述 在A D转换器中 输入的模拟信号在时间上是连续的 而输出的数字信号是离散量 所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样 然后再把这些采样值转换为输出的数字量 因此 一般A D转换过程要经过采样 保持 量化 编码四个步骤完成 不过这些过程步骤有时是合并进行的 例如 采样和保持就利用一个电路连续完成 量化和编码是在转换过程中同时实现的 而且所用的时间又是保持时间的一部分 1 采样 采样 又称取样 是将一个连续变化的模拟量转换为时间上断续 离散 的模拟量 或者说 采样就是把一个时间上连续的模拟量转换成一串脉冲 这些脉冲是等宽的 但其幅度取决于采样时输入的模拟量 如图6 4所示 图6 4模拟信号采样 图中f1 t 为输入模拟量 s t 为采样脉冲 f2 t 为采样输出信号 因此 采样电路实际上是一个受采样脉冲s t 控制的电子开关 在采样脉冲宽度tw时间内 开关接通 此时输出常等于输入 而在 TS 的时间内 开关断开 f2 t 输出为0 这样 电子开关在采样脉冲作用下周期性地动作 为了保证能从采样信号恢复成原信号 采样脉冲的周期应满足式中 f1max为输入信号f1 t 中最高频率分量的频率 上式即所谓采样定理 2 采样 保持电路 通常采样脉冲的宽度是很短的 故采样输出是断续的窄脉冲 要把一个采样输出信号数字化 这就需要将采样输出所得到的瞬时模拟信号保持一段时间 这由采样 保持电路来完成 图6 5所示为常用的采样 保持电路 它包括采样开关 保持电容C及缓冲放大器 图6 5 a 用场效应管作为开关 在采样脉冲持续期tw内 开关接通 输入模拟信号VI经开关对电容C充电 图6 5采样 保持电路 图6 6采样 保持输出波形 假定C的充电时间常数远远小于tw 则电容C上的电压在时间内能跟随输入信号vI的变化 放大器A的输出vo也随vI变化 当采样脉冲结束时 开关断开 若放大器的输入阻抗很大 电容的漏电可以忽略 则电容上的电压可以保持到下一采样脉冲的到来 当下一采样脉冲到达时 vO又随vI变化而变化 图6 6所示为采样 保持输出波形 其中细曲线表示输入模拟信号 图6 5 b 所示电路工作原理和图6 5 a 所示的电路一样 不同的是多了两个精密电阻R1和R2 只要时间常数R2C tw 则输出电压vO在采样时间内可以跟随vI 该电路比图 a 所示电路的输入阻抗稳定 但输出和输入反相 3 量化与编码 如图6 6所示的采样 保持输出波形中 在采样脉冲期间 vO vI 在两次采样的间隔时间 TS tw 内 保持不变 TS tw 这段时间供量化和编码 我们知道 数字信号不仅在时间上是离散的 而且数值大小的变化也是不连续的 也就是说 任何一个数学量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍 因此在A D转换过程中 必须把采样 保持的电压化成某个最小单位的整数倍 这个过程称为最化过程 所取的最小单位叫做量化单位 用 表示 把量化的结果用代码 一般是二进制 也可以是二 十进制 表示出来 称为编码 显然 编码输出的数字信号最低有效位的1代表的数量大小就等于 由于模拟信号是连续的 那么它就不一定能被 整除 因此量化过程不可避免地会引入误差 这种误差称为量化误差 通常在划分量化等级时有两种方法 如图6 7所示 图6 7电平量化的两种方法 a 只舍不入法 b 有舍有入法 只舍不入的方法 图6 7中将0 lV的模拟电压信号转换成3位二进制代码 3位二进制代码只能代表8个模拟量 如果取 1 8V 数值在0 1 8V间的模拟电压均用0 对待 用二进制数000表示 凡数值在1 8V 2 8V之间的模拟电压用1 对待 用二进制数001表示 等 如图6 7 a 所示 这种方法最大的量化误差为 即达到1 8V 有时称这种方法为只舍不入的方法 有舍有入的方法