第5单元数模、模数转换技术

1、5.1 D/A转换技术转换技术5.2 A/D转换技术转换技术5.3 采样保持电路采样保持电路一、数一、数/模和模模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁数器是模拟、数字系统间的桥梁模模 / 数数（A / D）转换转换:Analog to Digital Converter （ADC）数数 / 模（模（）转换）转换:Digital to Analog Converter （DAC）数字计算机数字计算机模拟系统模拟系统A/DD/A二进制二进制线性线性存储存储分析分析控制控制物理物理 生物生物 化学化学加热炉温度检测信号处理采样保持A/D变换计算机控制D/A变换功率控制加热炉加热炉温度温度检测检测信号信

2、号处理处理采样采样-保持保持功率功率控制控制D/A转换转换计算机计算机控制控制A/D转换转换 测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波，送入模数转换电路，经经放大、滤波，送入模数转换电路，经A/D转换器把电压信号转换转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根据水温为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。控制电

3、力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。二、二、 常见常见数模、模数转换器应用系统举例数模、模数转换器应用系统举例压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象DACADC三、三、A / D、D / A 转换器的精度和速度转换器的精度和速度精度精度保证转换的保证转换的准确性准确性速度速度保证保证适时控制适时控制5.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每

4、位代码按其权的大小转换成相应的对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字从而实现数字/ /模拟转换。模拟转换。D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111输出电压：输出电压：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IR EFI8II2R2RIRIII16225.1.2 DAC 的主要技术指标的

5、主要技术指标指指 D/A 转换器模拟输出产生的最小转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，电压变化量与满刻度输出电压之比，也也可用输入的位数表示。可用输入的位数表示。ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=一一、分辨率分辨率（Resolution）ULSB：最小输出电压：最小输出电压ULSB：最大输出电压：最大输出电压12n5.1.2 D/A 的主要技术指标的主要技术指标（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟在大信号工作状态下模拟电压的变化率。电压的变化率。（1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应

6、稳定电压值所需时间。最时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达短可达0.1S。5.1.3 D/A转换的输出方式转换的输出方式1211RRRIUFOOFOORIU1输出带有正负极输出带有正负极性的模拟量性的模拟量REFUUU010225.1.4 常用常用D/A转换集成电路举例转换集成电路举例AD750是是CMOS 10位位D/A转换集成电转换集成电路路 输出输出U02为单极性输为单极性输出电压出电压-I01RF的的2倍再倍再把电平上移把电平上移UREF，达到，达到了双极性输出的效果了双极性输出的效果在输入全在输入全0时，输出为时，输出为+UREF在输入全在输入全1时，输出为时，输出为-

7、UREFuI(t)CADC的的量化编码量化编码电路电路dn-1d1d0u I(t)S模拟量模拟量数字量数字量量化编码量化编码取样：取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持：保持取样信号保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。使有充分时间将其变为数字信号。取样保持取样保持（S / H Sample / Hold）当满足当满足 fs 2 fimax 时时, 取样信号可恢复原信号。取样信号可恢复原信号。fs 取样频率。取样频率。 fimax 信号的最高频率分量。信号的最高频率分量。 tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI

8、 tO三、量化和编码三、量化和编码量化单位量化单位数字信号最低位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小，所对应的模拟信号大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。量化误差量化误差因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。整除而引起的误差。编码编码把量化的数值用二进制代码表示。把量化的数值用二进制代码表示。划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表

9、的模拟电平模拟电平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化误差最大量化误差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V量化误差量化误差 &5.2.1 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器R

10、/2RRRRRRR /2UREFuI比较器比较器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器寄存器d2d1d0编码器编码器REF151UREF153UREF155UREF1513UREF157UREF159UREF1511UuIuIuIuIuIuIuI 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（ 1/15 3/15）VREF（ 3/15 5/15）VREF（ 5/15 7/15）VREF（ 7/15 9/15）VREF（ 9/15 11/15）VRE

11、F（ 11/15 13/15）VREF（ 13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1U1（V）比较器输出比较器输出C2、C1、C0译码器输出译码器输出D1、D00Ui0.5000000.5Ui1.5001011.5Ui2.5011102.5Ui3111115.2.2 双积分型双积分型 A/D 转换器转换器转换思路：转换思路：模拟

12、输入模拟输入 uI t t 控制计数控制计数 CP 个数个数输出二进制数输出二进制数 一、电路组成一、电路组成CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101每进行完一次每进行完一次 2n 进制计数，定时器置进制计数，定时器置 1， S1 合向合向基准电压基准电压电容电容 C 放电放电S2CS1uI逻辑逻辑控制门控制门C定时器定时器n 位二进制位二进制计数器计数器&dn1d0uCP基准电压基准电压 逐次比较型逐次比较型 双积分型双积分型优点优点缺点缺点并联比较型并联比较型转换速度高（几十转换速度高（几十ns) 转换精度差转换精度差逐次比较型逐

13、次比较型分辨率高、误差低分辨率高、误差低转换速度较快转换速度较快(几十几十us)双积分型双积分型性能稳定性能稳定转换精度高转换精度高抗干扰能力强抗干扰能力强转换速度低转换速度低(几十几十ms）利用电容器来利用电容器来存储模拟量存储模拟量 为了减小测量电路对被测电路的影响，要求电为了减小测量电路对被测电路的影响，要求电路的输入电阻为极大，又为了采样迅速，要求路的输入电阻为极大，又为了采样迅速，要求N1的的输出电阻为极小。同时，为了电容器电压在保持阶输出电阻为极小。同时，为了电容器电压在保持阶段不下降，要求运放段不下降，要求运放N2的输入电阻为极大，电容器的输入电阻为极大，电容器本身的漏电为极小。

14、本身的漏电为极小。采样保持集成电路举例采样保持集成电路举例IF398采样保持电路采样保持电路L=1，采样，采样L=0，保持，保持一、一、D/A 转换器转换器1. 功能：功能：将输入的二进制数转换成与之成正比将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。的模拟电量。2. 种类：种类：权电阻网络、权电阻网络、R - 2R T 形电阻网络和形电阻网络和 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器。转换器。实现数模转换有多种方式，常用的是实现数模转换有多种方式，常用的是电阻网络电阻网络 D/A 转换器，包括转换器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A

15、 转换器为重点作了详转换器为重点作了详细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造，细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造，因而被广泛采用。因而被广泛采用。3. 分辨率和转换精度：分辨率和转换精度： 与与 D/A 转换器的转换器的位数位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。有关，位数越多，分辨率和精度越高。二、二、A/D 转换器转换器1. 功功 能：能： 将输入的模拟电压转换成与之成正比将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。的二进制数。2. 转换过程：转换过程： 采样、保持、量化、编码。采样、保持、量化、编码。采样采样 保持保持电路电路A / D转换器转换器采样采样 - 保持电路：保持电路： 对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。采样时必须满足采样定理，即采样时必须满足采样定理，即 fs 2 fImax 。量化量化 对样值脉冲进行分级。对样值脉冲进行分级。编码编码 将分级后的信号转换成二进制代码。将分级后的信号转换成二进制代码。A / D 转换器：转换器：二、二、A/D 转换器转换器3. 种类：种类：直接转换型和间接转换型。直接转换型和间接转换型。直接转换型直接转换型 并联比较型（速度快、精度