数字电子技术基础简明教程第七章

1、一、数一、数/模和模模和模/数转换器是模拟和数字系统间的桥梁数转换器是模拟和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

2、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7.1.1 D / A转换的基本要求转换的基本要求1. D / A转换思路转换思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二进制二进制如如 ( (1101) )213148212121023 10210niiidN可利用运算放大器实现运算可利用运算放大器实现运算2. 转换特性转换特性DuO/V765

3、4321001 010 011 100 101 110 111一、输入、输出关系框图一、输入、输出关系框图二、二、D/A 转换的电路组成转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2电子电子开关开关电阻网络电阻网络求和运放求和运放当当 d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理当当 d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(

4、REFREF 当当 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表达式的一般形式表达式的一般形式)222(20011223REFO dddUu四、输入为四、输入为 n 位二进制数时的表达式位二进制数时的表达式当当 D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2, 转换比例系数转换比例系数,可理解为分辨率或分解度可理解为分辨率或分解度nUK2REFu 7.1.2 DAC 的转

5、换精度、速度和主要参数的转换精度、速度和主要参数一、转换精度一、转换精度指指 D/A 转换器能够分辨出来的最小输出电压转换器能够分辨出来的最小输出电压(对应的输入数字量只对应的输入数字量只有最低为是有最低为是1,其余全是其余全是0)与满刻度输出电压与满刻度输出电压(对应的输入数字量全是对应的输入数字量全是1)之比，也可用输入二进制数的位数表示。之比，也可用输入二进制数的位数表示。为实际输出与理想输出模拟电压间的最大误差。为实际输出与理想输出模拟电压间的最大误差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit2.转换误差转换误差可用占输出电压满刻度值

6、的百分数表示或可用最可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）的倍数表示。）的倍数表示。如如: （LSB）= 输入为输入为 001 时输出模拟电压的一半。时输出模拟电压的一半。1.1.分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、转换速度二、转换速度1. 建立时间建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由为在大信号工作下（输入由全全 0 变为全变为全 1，或由或由全全 1 变为全变为全 0）, 输出输出 电压达到某一规定值所需时间电压达到某一规定值所需时间 。不包含不包含 UREF 和运放的单片和运放的单片 DAC 最短最短 t

7、s 0.1 s；包含包含UREF 和运放的单片和运放的单片 DAC 最短最短 t s 0，uO 0 3. 分辨率分辨率单极性输出单极性输出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 为为 10 位位 D / A 转换器，转换器，分辨率分辨率 = =000978. 01023112110 当当 UREF = 10 V时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 9.76 mV双极性输出双极性输出：对于对于 5G7520分辨率分辨率=00196. 051111219 当当 UREF = 10 V 时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 19.6 mVuI(t)CADC

8、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：把随时间连续变化的信号变换为在时间上是离散的把随时间连续变化的信号变换为在时间上是离散的 信号。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） 要想使离散的要想使离散的采样采样信号信号US能够准确的能够准确的代表输入的模拟信号代表输入的模拟信号UI, ,必须满足必须满足 fs 2 fimax , 式中式中fs为为采样频率采样频率, , fimax为输入为输入信号信号UI的

9、最高频率分量的频率的最高频率分量的频率. tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI 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/

10、8000001010011100101110111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 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 =(7/ 8)V1V1/153/155/157/159/15 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)V最大量化误差最大量化误差 = = (1 / 8) V = /

11、 2 = (1/15)VuI(t)Cu I(t)S7.2.2 取样取样 - 保持电路保持电路一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理当当 uL 为为高高电平：电平：RfChRiuIuOuLTRf = RiT 导通，导通，Ch 充电至：充电至：uO = uI = uC当当 uL 为为低低电平：电平：T 截止，截止，Ch 基本不放电。基本不放电。uO 保持保持：为使为使 Ch 充电快充电快，Ri 越越小小越越好；好；为使电路输入电阻高为使电路输入电阻高，Ri 越越大大越越好。好。二、改进电路二、改进电路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu O300 30 k D1D

12、2S当当 uL = 1， S 闭合闭合 uO = u O = uI ， uC = uI 当当 uL = 0， S 断开断开 uO 保持保持D1 、D2的作用的作用：限制：限制 u O 在在 uI + uD以内，起保护作用。以内，起保护作用。6 2145387uOuIuLChLF198一一 、基本工作原理电路、基本工作原理电路7.2.3 逐次渐近型逐次渐近型 A/D 转换器转换器D/AuI逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器比较器比较器参考参考电源电源时钟时钟信号信号MSBLSBMSBLSB并行数字输出并行数字输出转换控制信号转换控制信号3.2V10008V101004V00102V000113V000

13、11读出控制读出控制控制逻辑控制逻辑电路电路逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器比比较较器器 二、转换过程举例二、转换过程举例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位环行移位寄存器位环行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2输出偏移输出偏移Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不许不许CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01

14、 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 07.2.4 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、电路组成和工作原理一、电路组成和工作原理CO 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 0 正向积分：正向积分：对被测信号对被测

15、信号uI进行定时积分，完成一次进行定时积分，完成一次 2n 进制计数。进制计数。 反向积分反向积分：对：对基准电压积分基准电压积分至至u= 0，计数结果与计数结果与uI成正比。成正比。二、定量分析二、定量分析uI积分器输入积分器输入Iu(t)积分器输出积分器输出固定时间固定时间t1t2N1CPN2CP1I0I1o11)(tRCUdtuRCtut t1 = N1TCP = 2nTCP0)()(2REF1o2o tRCUtutut2 = N2TCP = DTCP1REFI2tUUt nnUUUUD2/2REFIREFI = UI / 单位单位电压电压REFS2CS1uI逻辑逻辑控制门控制门C定时器

16、定时器3 位二进制位二进制计数器计数器&d2d0u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7.2.7 几种几种A/D转换器的性能比较转换器的性能比较一、一、A/D类型：类型：直接直接 A/D反馈比较型：反馈比较型：逐次比较型逐次比较型，计数型。，计数型。间接间接 A/D电压电压-时间变换型（时间变换型（V -T）：）：双积分型双积分型电压电压-频率变换型（频率变换型（V- F）并联比较型并联比较型二、性能比较：二、性能比较：优点优点缺点缺点并联比较型并联比较型转换速度高转换速度高转换精度差转换精度差逐次比较型逐次比较型分辨率高、误差低分辨率高、误差低转换速度较快转换速度

17、较快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 转换器为重点作了详转换器为

18、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