数字电子技术基础课件：7.2 数模和模数转换

1、数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 7.2 模数转换模数转换 7.2.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理 A/D转换就是把模拟电压量转换就是把模拟电压量uI转换成为与它成比例的二转换成为与它成比例的二 进制数字量进制数字量Dn。 A/D转换转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步转换转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步 骤完成。骤完成。 量化：就是把幅值可连续变化的电压转化成为所规定的量化：就是把幅值可连续变化的电压转化成为所规定的 单位量化电压的整数倍。单位量化电压的整数倍。 编码：就是把量化的结果用代码表示。编码：就是把量化的结果用代码表示。 数字电子技术基

2、础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 (1) A/D转换器功能框图转换器功能框图 ADC最大的输入电压为最大的输入电压为Uimax=（2n-1）V V ADC的单位量化电压，即最小分辨率。的单位量化电压，即最小分辨率。 1、输入输出关系、输入输出关系 u I直流或缓慢变化的电压直流或缓慢变化的电压 Dn = u I /V u I /V 将商将商u I /V 取整取整 (2) ADC的输出的输出 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 2取样取样 由于输入电压在时间上是连续的，故只能在特定的时间点对由于输入电压在时间上是连续的，故只能在特定的时间点对 输入电压取样。按

3、取样定律，要正确恢复输入电压输入电压取样。按取样定律，要正确恢复输入电压uI，取样脉冲，取样脉冲 的频率必须高于输入模拟信号最高频率分量的两倍。的频率必须高于输入模拟信号最高频率分量的两倍。 取样结束后需要保持到下一次采样时刻，以便将这些取样取样结束后需要保持到下一次采样时刻，以便将这些取样 值转换成数字量输出。值转换成数字量输出。 模数转换一般需要增加一个取样模数转换一般需要增加一个取样-保持过程。它按一定采样保持过程。它按一定采样 周期把时间上连续变化的信号周期变为时间上离散的信号。周期把时间上连续变化的信号周期变为时间上离散的信号。 对对uI取样取样-保持过程保持过程 数字电子技术基础数

4、字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 取样取样-保持过程保持过程 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 3、量化和编码、量化和编码 由于输入电压的幅值是连续变化的，它的幅值不一定由于输入电压的幅值是连续变化的，它的幅值不一定 是其量化单位的整倍数，所以量化过程会引入误差，这种是其量化单位的整倍数，所以量化过程会引入误差，这种 误差叫量化误差。误差叫量化误差。 量化后的信号只是一个幅值离散的信号，为了对量化量化后的信号只是一个幅值离散的信号，为了对量化 后的信号进行处理，还应该把量化的结果用二进制代码或后的信号进行处理，还应该把量化的结果用二进制代码或 其它形式表示出来

5、，这个过程就叫做编码。其它形式表示出来，这个过程就叫做编码。 量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。入法。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 00.7V的模拟信号转化为的模拟信号转化为3位二进制数码的量化过程位二进制数码的量化过程 方法二（方法二（四舍五四舍五入法）入法） 它的最大量化误差为它的最大量化误差为 0.05 方法一（方法一（只舍不入法）只舍不入法） 它的最大量化误差为它的最大量化误差为 0.1 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 1. 采样采样保持电路原理图保持电路原理图 模拟开关、存

6、贮电容和两个缓冲放大器。模拟开关、存贮电容和两个缓冲放大器。 电路组成：电路组成： 7.2.2 采样采样-保持电路保持电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 2. 工作原理工作原理 (1) 当控制信号当控制信号uD为高电平时，模拟开关为高电平时，模拟开关T导通，电容导通，电容C上的上的 电压电压uC跟随输入电压跟随输入电压uI变化，变化， A2的输出的输出uO与输入模拟信号与输入模拟信号uI相相 同，为该时刻的采样值。同，为该时刻的采样值。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 当采样控制信号当采样控制信号uD为低电平时，模拟开关为低电平时，模拟

7、开关T截止，截止，uC保持保持 不变，不变，A2的输出为上一次采样结束时的电压。的输出为上一次采样结束时的电压。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 3. A/D转换器的分类转换器的分类 (1) 按转换速度分按转换速度分 由高到低并行比较型、逐次渐近型和双积分型。由高到低并行比较型、逐次渐近型和双积分型。 (2) 按有无中间参数分按有无中间参数分 直接转换型和间接转换型。直接转换型和间接转换型。 把模拟输入信号转换成中间信号时间后，再转换成数字信号。把模拟输入信号转换成中间信号时间后，再转换成数字信号。 间接间接A/D转换器一般又可以分为转换器一般又可以分为: a. 电

8、压电压-频率变换型频率变换型 把模拟输入信号转换成中间信号频率后，再转换成数字信号。把模拟输入信号转换成中间信号频率后，再转换成数字信号。 b.电压电压-时间变换型时间变换型 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 7.2.3 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 电路由分压、比较和编电路由分压、比较和编 码三部分组成。码三部分组成。 1. 三位并行比较型三位并行比较型ADC原理图原理图 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 2. 工作原理工作原理 分压电路由八个相同的电分压电路由八个相同的电 阻组成，它把基准电压阻组成，它把基准电压VREF分成分成

9、 八层。每层电平可用一个二进制八层。每层电平可用一个二进制 数码来表示。模拟输入电压数码来表示。模拟输入电压uI与与 七个基准电压同时进行比较。若七个基准电压同时进行比较。若 uI低于基准电压，比较器输出为低于基准电压，比较器输出为 0；反之，输出为；反之，输出为1。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 3. 模拟电压、比较器输出和输出代码之间的关系模拟电压、比较器输出和输出代码之间的关系 X6X5 X4X3 X2X1 X0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0

10、 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 d2 d1 d0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 uI (0.0000.125)VREF (0.1250.250)VREF (0.2500.375)VREF (0.3750.500)VREF (0.5000.625)VREF (0.6250.750)VREF (0.7500.875)VREF (0.8751.000)VREF 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 缺点：随着分辨率的提高，比较器和有关器件按几何缺点：随着分辨率的提高，

11、比较器和有关器件按几何 级数增加，使得并行比较型级数增加，使得并行比较型ADC的制作成本较高。的制作成本较高。 优点：转换速度非常高，转换时间只取决于比较器的响优点：转换速度非常高，转换时间只取决于比较器的响 应时间和编码器的延时，典型值为应时间和编码器的延时，典型值为100ns，甚至更小。，甚至更小。 4. 并行比较型并行比较型A/D转换器的特点转换器的特点 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 7.2.4 逐次渐进型逐次渐进型A/D转换器转换器 控制电路控制电路 1. 逐次渐进型逐次渐进型A/D转换器的方框图转换器的方框图 组成：组成： 数码寄存器数码寄存器 D/A转

12、换器转换器 电压比较器电压比较器 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 类似于天平称物体重量。类似于天平称物体重量。 2. 工作原理工作原理 设有四个砝码共重设有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。克。 待秤重量待秤重量Wx = 13克，秤量步骤：克，秤量步骤： 8 g + 4 g 8 g + 4 g + 2 g 8 g + 4 g + 1 g 8 g8g 13g 12g 13g 13g 13g 2 3 4 1 砝砝 码码 重重 比比 较较 判判 断断 顺顺 序序 保留保留 保留保留 保留保留 撤去撤去 数字电子技术基础数字电子技术基础

13、上页上页下页下页返回返回 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的基本工作原理：转换器的基本工作原理： a. 控制电路首先把寄存器的最控制电路首先把寄存器的最 高位置高位置1，其它各位置，其它各位置0。 b. D/A转换器把寄存器的这个数转换器把寄存器的这个数 值转换成为相应的模拟电压值值转换成为相应的模拟电压值uC。 c. 把把uC与输入的模拟量与输入的模拟量uI相比较，如果相比较，如果uC u I ，应该使最高位，应该使最高位 为为0；如果；如果uC ug，比较器输出，比较器输出CO为低电平，封锁了为低电平，封锁了FF3的清的清0信号。同时，移位信号。同时，移位 寄存器右移一位，输出变成寄存器右

14、移一位，输出变成010000状态。状态。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 uI ug，比较器输出为高电平，比较器输出为高电平1，移位寄存器成为，移位寄存器成为000100状态。状态。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 由于由于uI ug，比较器输出为，比较器输出为0，移位寄存器的输出成，移位寄存器的输出成000010状态。状态。 第四步：第第四步：第4个脉冲的个脉冲的 上升沿将将寄存器的上升沿将将寄存器的 Q0置为置为1，Q1的的1保持保持 不变。不变。 ug=5.25V 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 QF的高

15、电平将将输出控制门的高电平将将输出控制门G8G11打开，在输出端得到转换结打开，在输出端得到转换结 果果D。同时，。同时，QF关闭时钟控制门，转换结束。关闭时钟控制门，转换结束。 第五步：由于上一步比第五步：由于上一步比 较器输出为低电平较器输出为低电平0，第，第 5个脉冲的上升沿保留个脉冲的上升沿保留Q0 的的1不变。不变。 移位寄存器的输出右移移位寄存器的输出右移 成成000001。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 脉冲 序数 寄存器状态 Q3 Q0 ug/V比较器输 出状态 数码的 留与舍 1 2 3 4 1000 1100 1010 1011 3.75 5.

16、75 4.75 5.25 0 1 0 0 留 舍 留 留 转换器工作过程转换器工作过程(ui = 5.4V) ug的波形图的波形图 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 优点优点：速度较快，电路结构简单。：速度较快，电路结构简单。 缺点缺点：抗干扰能力不理想。：抗干扰能力不理想。 5. A/D转换器的特点转换器的特点 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 7.2.5 双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器是一种电压转换器是一种电压时间变换型时间变换型ADC。 由于计数与由于计数与 t成正比，从而把被测电压转换成为与之成成正比

17、，从而把被测电压转换成为与之成 正比的数字量。正比的数字量。 首先把被测电压先转换成与之成正比的时间间隔首先把被测电压先转换成与之成正比的时间间隔 t。 1. 基本概念基本概念 然后利用计数器在然后利用计数器在 t时间间隔内对一已知恒定频率时间间隔内对一已知恒定频率fc 的脉冲进行计数。的脉冲进行计数。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 2. 双积分双积分A/D转换器原理框图转换器原理框图 电路组成：积分器、过零比较器、时钟控制门、电路组成：积分器、过零比较器、时钟控制门、n位二进制计位二进制计 数器和定时器。数器和定时器。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页

18、下页下页返回返回 Q=1时时S1接接-VREF。 第二次，对恒定基准电压第二次，对恒定基准电压 VREF进行定值积分，称为比较阶段。进行定值积分，称为比较阶段。 Q=0时时S1接接+uI； 双积分双积分A/D转换器转换器 在一次转换过程中在一次转换过程中 要进行两次积分：要进行两次积分： 第一次，对输入电压第一次，对输入电压+uI进行定时积分，又称为采样阶段进行定时积分，又称为采样阶段 。 两次积分两次积分具有不同的斜率，故称为双斜积分具有不同的斜率，故称为双斜积分(简称为双积简称为双积 分分)A/D转换器。转换器。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 2. 工作原理工

19、作原理 (1) 首先控制信号提供清零脉冲首先控制信号提供清零脉冲CR，n位计数器和定时器清位计数器和定时器清 零。零。S2短时闭合，积分电容放电。短时闭合，积分电容放电。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 (2) Q=0时时S1接接+uI dtu RC u t 0 IO 1 积分器对输入电压积分器对输入电压uI 积分，输出电压积分，输出电压 tu RC I 1 由于此时由于此时uO 0， 比较器输出比较器输出CO为为“0”。 时钟脉冲时钟脉冲CP使使D触发器输出触发器输出Q为为“0”，控制，控制S1切向切向VREF。 积分器反向积分，输出积分器反向积分，输出uO下降。

20、下降。 uk = uI+VREF 0 积分器输入积分器输入 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 当当uO 0时时,比较器输出为比较器输出为 “1”，CP使使D触发器输出触发器输出Q 为为“1” ，开关，开关S1接通接通- VREF , 如此循环如此循环,积分器以积分器以TCP为积分区间对为积分区间对uk 进行分段积分。进行分段积分。 uO的变化周期决定了的变化周期决定了D触发器输出序列信号的周期。触发器输出序列信号的周期。 若在一个序列周期中，若在一个序列周期中，D触发器输出高电平触发器输出高电平“1”的的CP周期数为周期数为n， 低电平低电平“0”的周期数为的周期数为

21、m。 积分器正向积分，积分器正向积分，uO上升。上升。 uk = uI-VREF 0 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 积分器对积分器对uk 反向积分的总时间为反向积分的总时间为m个时钟周期个时钟周期mTCP，对，对uk正向正向 积分的总时间为积分的总时间为nTCP。 则序列周期则序列周期 设设uI在转换过程中不变，积分器在一个序列周期的输出为在转换过程中不变，积分器在一个序列周期的输出为 T =(m+n)TCP 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 dt RC Vtu ndt RC Vtu mtuttu CPCP TT 0 REF1 0 REF

22、1 00O )()( )()( CP REF1 CP REF1 0 )()( )(nT RC Vtu mT RC Vtu tu 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 由于由于uO也以序列信号的周也以序列信号的周 期期T变化，所以等于初始变化，所以等于初始 值值uO(t0) ，故，故 由此可得：由此可得： 0 )()( CP REFI CP REFI nT RC Vtu mT RC Vtu REF I V u mn mn 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 连续不断地对输入模拟信号连续不断地对输入模拟信号uI和基准参考电压和基准参考电压VREF的和或

23、差进的和或差进 行积分，将输入模拟量转换成波特率等于时钟频率的周期性串行积分，将输入模拟量转换成波特率等于时钟频率的周期性串 行数字信号序列。该序列周期信号中的高电平行数字信号序列。该序列周期信号中的高电平“1”和低电平和低电平“0” 的位数之差与序列周期之比也等于输入模拟信号的位数之差与序列周期之比也等于输入模拟信号uI和基准参考和基准参考 电压电压VREF之比。之比。 对对D触发器输出的串行信号序列进行数字滤波，运算后即得与输触发器输出的串行信号序列进行数字滤波，运算后即得与输 入模拟信号成正比的数字量。入模拟信号成正比的数字量。 用数字抽取滤波器测量出串行输出信号序列的用数字抽取滤波器测

24、量出串行输出信号序列的n和和m，计算出，计算出2n(n- m)/ (n+m)，即可得到，即可得到ADC的输出的输出Dn。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 1）转换方式类似于双积分转换。）转换方式类似于双积分转换。 2） -ADC的串行输出信号序列是连续产生的，而双积分的串行输出信号序列是连续产生的，而双积分 ADC有采样阶段和比较阶段之分。有采样阶段和比较阶段之分。 -ADC的主要特点：的主要特点： 3）具有较高的抗周期性干扰能力。）具有较高的抗周期性干扰能力。 4）分辨率和转换速度都远高于双积分）分辨率和转换速度都远高于双积分ADC。 5）采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和）采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和 高精度电阻网络的困难。高精度电阻网络的困难。 数字电子技术基础数字电子技术基础 上页上页下页下页返回返回 6）抽样与量化编码同时完成，无采样保持电路。）抽样与量化编码同时完成，无采样保持电路。 8）当高速转换时，