数字电子技术-第9章 数模与模数转换

1、9.1 概述概述9.2 D/A 转换器转换器9.3 A/D 转换器转换器第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 2 数字系统具有很多优点，特别是包含微机的数字系统具有很多优点，特别是包含微机的数字系统，更具有高度智能化的优点，所以目前数字系统，更具有高度智能化的优点，所以目前先进的信息处理和自控设备大都是数字系统，例先进的信息处理和自控设备大都是数字系统，例如，如，数字通信系统，数字电视及数字仪表数字通信系统，数字电视及数字仪表等。等。9.1 概述概述 在数字系统内，只能对数字信号进行处理，在数字系统内，只能对数字信号进行处理，而实际信号大多是

2、连续变化的模拟信号，例如而实际信号大多是连续变化的模拟信号，例如电电压、电流、声音、图像、温度、压力、速度压、电流、声音、图像、温度、压力、速度等。等。就需要把模拟量转化为数字量，以便数字系统进就需要把模拟量转化为数字量，以便数字系统进行处理。行处理。 相反，数字系统处理后的数字量也需要转相反，数字系统处理后的数字量也需要转化为模拟量才能应用。化为模拟量才能应用。9.1 概述概述第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 3模拟量模拟量数字量数字量AnalogDigitalA/D模模/数转换器数转换器简称简称ADC数字量数字量模拟量模拟量D/A数模转换器数模转换器简称简称DAC9.1 概述概

3、述第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 4 模拟控模拟控 制器制器 模拟传模拟传 感器感器 ADC ADC数字控制数字控制系统系统或计算机或计算机系统系统 DAC DAC典型数字控制系统框图典型数字控制系统框图将非电模拟量将非电模拟量转化为模拟电转化为模拟电压或电流压或电流数字系统的数字系统的重要接口部件重要接口部件9.1 概述概述第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 59.2 D/A转换器转换器 9.2.1 D/AD/A转换基本原理转换基本原理 一个一个n位二进制可表示为位二进制可表示为 D= dn-1 dn-2 d1 d0式中式中k为比例系数（转换系数），为比例系数（转换系

4、数），是一个常数；是一个常数；D为为n位二进制数。位二进制数。Uo=102niiiK102niiiKKD/A转换器DDD01n-1.vo输入输出9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 6DAC转换特性：输入数字量与模拟量的对应关系转换特性：输入数字量与模拟量的对应关系D000 001 010 011 100 101 110 11112560347uo/V最小输出电压最小输出电压ULSB ：相临两组代码代码转相临两组代码代码转换出来的模拟量之差。换出来的模拟量之差。分辨率：分辨率：电路所能分辨出的最电路所能分辨出的最小输出电压与最大输小输出电压与最大输出电压之比

5、。出电压之比。分辨率分辨率=ULSB Uomax=1 2n-1设设D为三位二进制为三位二进制 要求要求uomax=7V9.2 D/A转换器转换器 Least Significant Bit:LSBMost Significant Bit:MSB第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 7四位二进制的分辨率？四位二进制的分辨率？ 若最大输出电压仍为若最大输出电压仍为7V，最小输，最小输出电压将变大还是变小？出电压将变大还是变小？分辨率分辨率=ULSB Uomax=1 2n-19.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 8DAC有权电阻网络型有权电阻网络型倒倒T型

6、电阻网络型型电阻网络型权电流型权电流型DAC数模转换器的分类：数模转换器的分类：DAC电压型电压型电流型电流型9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 99.2.2 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 它由寄存器、模拟电子开关、权电阻解码网络、它由寄存器、模拟电子开关、权电阻解码网络、运算放大器和基准电源组成。运算放大器和基准电源组成。 di=1，Si接至接至UR；di=0，Si接地接地。Uo2n-2R2n-1R2n-3R URRFS1S2Sn-120RS0N数字寄存器数字寄存器d0 寄存指令寄存指令+d1d2d n-1A9.2 D/A转换器转换器 第第9章

7、章 数数/模与模模与模/数转换数转换 10Uo2n-2R2n-1R2n-3R URRFS1S2Sn-120RS0N数字寄存器数字寄存器d0 寄存指令寄存指令+d1d2d n-1A当某一位当某一位di为为1时，时， Si接基准电压接基准电压URIi=2n-1-iR=-UR2n-1R2i-UR输入数码输入数码di=0时，时，Si接地，所以接地，所以Ii=0由此可将由此可将di位产生的电流写成：位产生的电流写成：iinRidRUI221 9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 11di位产生的电流位产生的电流iinRidRUI221iniinRiininRniidR

8、UdRUII222210110110根据叠加原理，流进求和点根据叠加原理，流进求和点N的总电流为：的总电流为：I 9.2 D/A转换器转换器 Uo2n-2R2n-1R2n-3R URRFS1S2Sn-120RS0N数字寄存器数字寄存器d0 寄存指令寄存指令+d1d2d n-1A第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 12iniinRiininRniidRUdRUII222210110110通过运算放大器运算，输出电压为：通过运算放大器运算，输出电压为：流进求和点流进求和点N的总电流为：的总电流为：ininRFFoidRURIRU22101I 9.2 D/A转换器转换器 Uo2n-2R2n

9、-1R2n-3R URRFS1S2Sn-120RS0N数字寄存器数字寄存器d0 寄存指令寄存指令+d1d2d n-1A第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 139.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1. 电路结构与工作原理电路结构与工作原理 S2ARF d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCD从从A、B、C、D各点向左看其等效电阻均为各点向左看其等效电阻均为 R电源的总电流为电源的总电流为RUIRI9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 14若若d2=1,则通过则通过S3流入

10、运放的电流为流入运放的电流为 I/4若若d2=0,则通过则通过S3流入运放的电流为流入运放的电流为 0I/4d2对对d1而言而言.I/8d1对对d0而言而言.I/16d0I若若d3=1,则通过则通过S3流入运放的电流为流入运放的电流为若若d3=0,则通过则通过S3流入运放的电流为流入运放的电流为 0d3I2I/29.2 D/A转换器转换器 S2ARF d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCD第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 15对对d1而言而言I/8d1对对d0而言而言I/16d0根据输入数字量的数值，运放的输入总电流为根据

11、输入数字量的数值，运放的输入总电流为I I )161814121(0123ddddII对对d3而言而言I/2d1对对d2而言而言I/4d0)2222(2001122334RddddRU9.2 D/A转换器转换器 S2ARF d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCD第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 16)2222(2001122334RddddRUI oUI RF)2222(2001122334FRddddRRU9.2 D/A转换器转换器 I I S2ARF d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI

12、4I2I8I16I16ABCD第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 17inindUUo2210iR假设是假设是n位转换器，位转换器，RF=R，则，则（dn-12n-1+dn-2 2n-2 d1 21 +d0 20）)2222(2001122334FRddddRRUUOnOUU2R9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 18DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFD9.2.4 权电流型权电流型D/A转换器转换器inifOdIRU2210i49.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转

13、换数转换 199.2.5 DACDAC的主要参数的主要参数121omaxLSBnUU12110 12111 1. 转换精度转换精度一般用一般用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述转换精度来描述转换精度(1) 分辨率分辨率 电路所能分辨的最小输出电压电路所能分辨的最小输出电压ULSB与满刻度输出电压与满刻度输出电压Uomax之比，之比，分辨率分辨率n=10,分辨率分辨率= =0.097%n=11,分辨率分辨率= =0.049% 9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 20(2) 转换误差转换误差一般是指输入端加满刻度的数字量时，一般是指输入端加满刻度的数字量时

14、，DAC输出电压的理论值与实际值之差。输出电压的理论值与实际值之差。转换误差转换误差一般应低于一般应低于 。LSB21U第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 21例如例如，某控制系统中有一，某控制系统中有一D/A转换器，如果系统转换器，如果系统要求该要求该D/A转换器的转换误差（转换器的转换误差（相对误差相对误差）小于）小于0.25%，试问应选择多少位的，试问应选择多少位的D/A/转换器？转换器？解：解：转换误差转换误差Uomax0.25%转换误差转换误差UomaxLSB21UUomaxLSB21UUomax0.25%LSBUUomax0.5%1210.5%n n7.64D/A转换器位

15、数至少为转换器位数至少为8位。位。9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 222. 转换速度转换速度转换速度是指从数码输入到模拟电转换速度是指从数码输入到模拟电压稳定输出之间所经历的响应时间。一般压稳定输出之间所经历的响应时间。一般取输入由全取输入由全0变为全变为全1或由全或由全1变为全变为全0时，时，其输出达到稳定值所需的时间，也称转换其输出达到稳定值所需的时间，也称转换时间。时间。9.2 D/A转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 239.3 A/ D9.3 A/ D转换器转换器9.3.1 A/ DA/ D转换的一般步骤及分类转换的一

16、般步骤及分类A/D转换器的一般步骤转换器的一般步骤（1）采样、保持）采样、保持。采样采样：就是把一个时间上连续的：就是把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。信号变换为时间上离散的信号。保持：保持：将采样信号保持一段时将采样信号保持一段时间，使间，使A/D转换器有充分时间转换器有充分时间进行进行A/D转换。转换。9.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 24A/D转换器的一般步骤转换器的一般步骤（1）采样、保持）采样、保持（2）量化、编码）量化、编码 模拟信号经采样、保持而抽取的采样电压值，模拟信号经采样、保持而抽取的采样电压值，就是在就是在t1、t2、t

17、3、时刻时刻ui的瞬时值，这些值的大的瞬时值，这些值的大小，在时间上是离散的，但在幅值上仍属于模拟量。小，在时间上是离散的，但在幅值上仍属于模拟量。即它可能是某一区间的任意值。即它可能是某一区间的任意值。 另一方面，数字量仅能取某一区间的某些特另一方面，数字量仅能取某一区间的某些特定值，如果该数字量是三位二进制数，则仅可取定值，如果该数字量是三位二进制数，则仅可取000-111内内8种可能的值。因此，用数字量表示采种可能的值。因此，用数字量表示采样电压值时，先要把采样电压归化到与之相近的样电压值时，先要把采样电压归化到与之相近的离散电平上去，这一转化过程称为离散电平上去，这一转化过程称为量化量

18、化。把量化的结果再转化为对应的代码，就是把量化的结果再转化为对应的代码，就是编码编码。9.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 252. A/ D转换器的分类转换器的分类A/D转换器转换器直接型直接型并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型计数型计数型逐次比较型逐次比较型间接型间接型电压时间变换型（电压时间变换型（U/T变换型）变换型）电压频率变换型（电压频率变换型（U/F变换型）变换型）9.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 269.3.2 直接型直接型A/DA/D转换器转换器快速并行快速并行A/D转换器转换器0Ui （1/1

19、4）UR时：时：000（1/14）UR Ui （3/14）UR时：时：001100000010000000019.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 27Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：1. 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 逐次比较型逐次比较型ADC的转换过程类似天平的转换过程类似天平称物体重量的过程。称物体重量的过程。 例如：用例如：用4个分别重个分别重8、4、2、1克的克的砝码去称重砝码去称重 X 克的物体。克的物体。9.3 A/D转换

20、器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 282 集成集成ADC0809简介简介9.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 299.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 309.3.3 间接间接A/DA/D转换器转换器 间接间接A/D转换器有转换器有电压电压 时间变换型时间变换型（U/T变换型）和变换型）和电压电压 频率变换型频率变换型（U/F变换型）。变换型）。1. 双积分式双积分式ADC： 双积分型双积分型ADC是用得最多的一种是用得最多的一种U/T变换器。变换器。它的基本原理是对输入模拟电压和参考电压进行它的基本

21、原理是对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，先将输入模拟电压两次积分，先将输入模拟电压Ui转换成与之大小转换成与之大小对应的时间间隔，然后再在此时间间隔内用计数对应的时间间隔，然后再在此时间间隔内用计数频率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就频率不变的计数器计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。正比于输入模拟电压。9.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 31vc-UREFR +UiS1CS2voA+C+vo数字量输出数字量输出TCUiUcGf 9.3 A/D转换器转换器 第第9章章 数数/模与模模与模/数转换数转换 359.3. 4 A/DA/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数1.转换精度转换精度（1）分辨率）分辨率ADC的分辨率是