数模和模数转换

1、11.1 概述概述11.2 D/A转换器（转换器（DAC）11.3 A/D转换器（转换器（ADC）学习要点：学习要点： 掌握数模和模数转换的有关掌握数模和模数转换的有关； 掌握几种掌握几种数模和模数转换电路的电路结构及数模和模数转换电路的电路结构及 工作原理工作原理; 掌握数模和模数转换器的掌握数模和模数转换器的。 第十一章第十一章 传感器传感器放大器放大器A/D转换转换微型计算机微型计算机控制控制对象对象D/A转换转换温温度度时间时间电加热炉电加热炉热电偶热电偶执行机构执行机构11.1 概述概述11.1 概述概述 一、数模转换和模数转换的定义一、数模转换和模数转换的定义 将模拟量转换为数字量

2、的电路称为模数转换器，将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称简称A/D转换器或转换器或ADC； 将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称简称D/A转换器或转换器或DAC。 ADC和和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。也可称之为两者之间的接口。 二、性能指标二、性能指标 转换精度转换精度和和转换速度转换速度是衡量是衡量ADC和和DAC转换性能转换性能的主要指标的主要指标 将输入的将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量的模拟量，

3、然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量，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。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。uo或 io输 出D/Ad0d1dn1输 入)2222(00112211oddddKunnnnu一、一、DAC的转换原理的转换原理11.2 D/A转换器转换器一、一、DAC的转换原理的转换原理 二、二、DAC方框图及分类方框图及分类 三、典型三、典型DAC电路的结构及工作原理电路的结构及工作原理 四、四、DAC的主要性能指标的主要性能指标二、二、n位位DAC方框图及分类方框图及分类1、 方框图方框图:锁

4、存锁存器器n位模位模拟开关拟开关电阻电阻解码解码网络网络求和求和电路电路模拟模拟量输量输出出n位位数字数字输入输入工作过程工作过程: :数字量以串行或并行方式输入并存入锁存器中；数字量以串行或并行方式输入并存入锁存器中；锁存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关锁存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关,并通过并通过电阻解码网络获得相应数位权值；电阻解码网络获得相应数位权值；将各位权值送入求和电路相加将各位权值送入求和电路相加,即得到与数字量呈正比的模即得到与数字量呈正比的模拟量。拟量。 多为运放构多为运放构成的比例求成的比例求和电路和电路 数码寄存器数码寄存器2、 DAC的类型的类型 权

5、电阻型权电阻型DAC； 梯形（梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DAC； 倒梯形（倒梯形（T型）电阻网络型）电阻网络DAC； 权电流型权电流型DAC； 具有双极性输出的具有双极性输出的DAC。按电阻解码网络的不同，常见的按电阻解码网络的不同，常见的DAC主要有如下类型：主要有如下类型：按模拟电子开关电路的不同，常见的按模拟电子开关电路的不同，常见的DAC主要有如下类型：主要有如下类型： CMOS开关型；开关型； 双极型开关型；双极型开关型； 速度较慢速度较慢 速度较快速度较快三、典型三、典型DAC电路的结构及工作原理电路的结构及工作原理1、 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC输入数字量输入数字量o

6、vi R 计算倒计算倒T型电阻网络支路电流的等效电路型电阻网络支路电流的等效电路分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻处向左看的二端网络等效电阻都是都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还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是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的，各支路的电流不变。电流不变。RVIREF RRRR 32103210422222REFoVvi Rdddd 321012342222IIIIidddd 32103210422222REFVddddR 32103210422222REF

7、oVvdddd oNvK D 1210121022222nnREFonnnVvdddd 2、 权电流型权电流型DAC（克服模拟开关引起的误差）（克服模拟开关引起的误差） 3210321032104222222222oFFFIIIIvi RRddddR I =dddd 3、具有双极性输出的、具有双极性输出的DAC（自学了解）（自学了解）当输入数字量有当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压也对应为极性时，希望输出的模拟电压也对应为。（1 1）原理）原理例：输入为例：输入为3 3位二进制补码。最高位为符号位，正数为位二进制补码。最高位为符号位，正数为0 0，负数为负数为1 1补码输入补码输入对应的

8、对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V绝对值输入绝对值输入对应的对应的输出输出偏移后偏移后的输出的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*

9、 *将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入* *将输出偏移使输入为将输出偏移使输入为100100时，输出为时，输出为0 01(2)、电路实现、电路实现VVVVVVVVddddddVVVOOOOOREF410071111001000022228810120011223则则)(.实现双极性输出的方法：实现双极性输出的方法：*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*加输出偏移电流使输入为加输出偏移电流使输入为 100时，输出为时，输出为0即可只需令时，输入时，使输入偏移RVIRViIRVIiVVREFBBBREFO2222100010042,.四、四、DAC的主要性能指标

10、（转换精度和转换速度的主要性能指标（转换精度和转换速度)（1）分辨率）分辨率 用输入二进制数的有效位数表示。用输入二进制数的有效位数表示。（例：分辨率为例：分辨率为n位的位的D/A转换器，输出电压能区分从转换器，输出电压能区分从00000 0到到11111 1全部全部2n个不同的输入二进制代码状态，能给出个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级个不同等级的输出模拟电压。的输出模拟电压。)00101023112110 1、转换精度转换精度分辨率：分辨率：转换误差：转换误差：表示表示DAC对输入微小量变化的对输入微小量变化的敏感程度敏感程度表示实际的表示实际的D/A转换特性和理想转换特性和

11、理想的转换特性之间的最大偏差的转换特性之间的最大偏差用用D/A转换器的转换器的最小输出电压最小输出电压与与最大输出电压最大输出电压的比值来表示。的比值来表示。例例:10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为： LSB=1，其余位全为，其余位全为0 各位均为各位均为1（2）转换误差：）转换误差：有各种因素引起：有各种因素引起：VREF波动波动比例系数误差比例系数误差vo1； 运放零点漂移运放零点漂移漂移误差漂移误差vo2；模拟开关导通内阻和导通压降不为模拟开关导通内阻和导通压降不为 非线形误差非线形误差vo3； 电阻、三极管等不对称电阻、三极管等不对称非线形误差非线形误差vo4；|vo |

12、 = | vo1 | + | vo2 | + | vo3 | + | vo4 |用最低有效位的倍数表示；用最低有效位的倍数表示；（例：（例：1LS B，指输出模拟电压与理想值之间的绝对误差小于等于，指输出模拟电压与理想值之间的绝对误差小于等于当输入为当输入为001时的输出电压）时的输出电压）用输出电压满刻度用输出电压满刻度FSR的百分数表示。的百分数表示。指输出模拟电压的实际值与理想值之差。指输出模拟电压的实际值与理想值之差。2、 转换速度：用输出建立时间转换速度：用输出建立时间tset表示表示 从输入数字量发生突变起，到输出电压或电流进入与从输入数字量发生突变起，到输出电压或电流进入与稳态值

13、相差稳态值相差LSB范围以内所需要的时间，称为范围以内所需要的时间，称为1LSB1、数模转换和模数转换的基本概念；、数模转换和模数转换的基本概念；2、典型、典型DAC电路的转换原理及分析；电路的转换原理及分析；3、DAC的性能指标。的性能指标。小结小结一、一、 A/D转换器的基本概念转换器的基本概念二、典型二、典型ADC电路电路 1、并行比较型、并行比较型A/D转换器转换器2、 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器3、 双积分式双积分式A/D转换器转换器 三、三、 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 9-3 A/D 转换器转换器一、 A/D转换器的基本概念转换器的基本概念将模拟电

14、压成正比地转换成对应的数字量。将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。 1、 A/D功能功能:I 输入模拟电压输入模拟电压ADCDnD0输出数字量输出数字量 A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括幅值也离散的数字信号，它一般要包括采样采样， 保持，量化保持，量化及及编码编码4个过程个过程。(详细内容详细内容P525-P528)2、 A/D转换过程转换过程:3、 A/D转换器分类转换器分类（一）（一）把输入的模拟电压直接转换为输出的数把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，而不需要经

15、过中间变量；字量，而不需要经过中间变量；（1）并联比较型）并联比较型ADC（2）反馈比较型）反馈比较型ADC 计数型计数型ADC逐次渐近型逐次渐近型ADC（逐次比较型）（逐次比较型）（二）（二）把输入的模拟电压先转换为某中间变把输入的模拟电压先转换为某中间变量，然后再转换为数字量量，然后再转换为数字量（1）V-T型（双积分型）型（双积分型）（2）V-F型型（一）并联比较型（一）并联比较型00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111

16、115131511RRVV111111115151513RRVV量化二、二、 典型典型ADC电路介绍电路介绍RV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV151300000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVV输入量化 编码111110101100011010001000(二二)反馈比较型反馈比较型ADC（1 1）取一个数字量加到）取一个数字量加到D/

17、A转换器上，则得到一个对应的输转换器上，则得到一个对应的输出模拟电压。出模拟电压。（2 2） 将得到的模拟电压和要转换的模拟电压比较，若二者不将得到的模拟电压和要转换的模拟电压比较，若二者不相等，则调整所加的数字量，直到两个模拟电压最接近为止。相等，则调整所加的数字量，直到两个模拟电压最接近为止。（3 3）最后所取得数字量即为所求的转换结果。）最后所取得数字量即为所求的转换结果。思路：思路：1、计数型、计数型ADC：所取数字量从所取数字量从00000开始，然后逐次加开始，然后逐次加1，直，直到对应的模拟输出电压最接近要转换的输入模拟电压。到对应的模拟输出电压最接近要转换的输入模拟电压。转换速度

18、太慢，当输出为转换速度太慢，当输出为n位二进制数时，最长转换位二进制数时，最长转换时间为时间为2n-1倍的时钟信号周期。倍的时钟信号周期。2、 逐次渐近（逼近）型逐次渐近（逼近）型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。所加砝所加砝码重量码重量第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8克砝码保留克砝码保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留

19、 结果结果8 克克12 克克12 克克13 克克 （）（） 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。称重过程称重过程 （二）转换过程（二）转换过程转换开始前先将所转换开始前先将所有寄存器清零。开有寄存器清零。开始转换以后，时钟始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器脉冲首先将寄存器最高位置成最高位置成1，使，使输出数字为输出数字为1000。这个数码被这个数码被DAC转转换成相应的模拟电换成相应的模拟电压压vo ，与，与vi 进行比进行比较。若较。若vi vo ,说明说明数字过大，故将数字过大，故将1清清除，换为除，

20、换为0；若；若vi vo，说明数字不够，说明数字不够大，将大，将1保留。保留。然后，再将次高位置成然后，再将次高位置成1，并经过比较确，并经过比较确定这个定这个1是否应该保留。这样逐位比较下是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。最后寄存器中去，一直到最低位为止。最后寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。的状态就是所要求的数字量输出。1 0 0 0 0（三）转换器实例（三）转换器实例环形寄存器环形寄存器减小量化误差减小量化误差数码寄存器中数码寄存器中FFAFFC的转换过程的转换过程000100110010vi vo111101vi vovi vo011001vi vovi vo111

21、1101011000110100010001CLK2CLKvi vo3CLK5CLK4CLK转换时间：转换时间：(n+2)TC 先将先将vI转换成与之成正比的时间宽度信号，然转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数，计数的结果即为正比于后在这个时间内用固定频率脉冲计数，计数的结果即为正比于输入模拟电压的数字信号。输入模拟电压的数字信号。（三）双积分型三）双积分型ADC （V-T变换型）变换型）转换前，转换前，vL=0，先将，先将计数器清零，接通开计数器清零，接通开关关S0，电容，电容C完全放完全放电。电。vL=1开始转换：开始转换： （1）S0断开，断开，S1合到合到

22、vI一一侧，积分器对侧，积分器对vI 进行固定进行固定时间时间T1的积分的积分1101TIOIvTvdtvCRRC 1101TIOIVTvdtvCRRC 21010TREFIV dtCRTvRC 2、 转换过程转换过程（2） S1合到合到VREF一侧，积一侧，积分器反向积分，直到分器反向积分，直到vO=0，积分时间为积分时间为T2， T2所包含的所包含的时钟个数即为输出数字量时钟个数即为输出数字量。1221IR E FICCR E FTTvVTTDvTT V 2001TREFOOtVvdtvCR S13、 转换波形转换波形1221IR E FICCR E FTTvVTTDvTT V 2nIR

23、E FDvV 12nCCTNTT 令令则则优点：优点：由于转换结果与积分时间常数由于转换结果与积分时间常数RC无关，从而消除无关，从而消除了积分非线性带来的误差，且性能稳定。了积分非线性带来的误差，且性能稳定。由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内获的是输入电压的平时间内获的是输入电压的平均值（输入端有积分器），因此具有很强的抗工频干扰的均值（输入端有积分器），因此具有很强的抗工频干扰的能力。能力。 (3)(3)不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间（T1+T2）内保持稳定即可。内保持稳定即可。缺点：缺点：转换速度慢，每完

24、成一次转换时间应取在转换速度慢，每完成一次转换时间应取在 2T1=2n+1TC以上。以上。2nIREFDvV 转换精度转换精度 三、三、 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 A/D转换器的转换精度是用转换器的转换精度是用和和来描述的。来描述的。 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制二进制( (或十进制或十进制) )数的位数表示。数的位数表示。 表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。式给出，常用最低有效位的倍数表示。 例：输入模拟电压的变化范围为例：输入模拟电压的变化范围为05