第09章 数模和模数转换

1、数字电路与逻辑设计北京邮电大学 信息与通信工程学院 孙文生第九章第九章 数模与模数转换数模与模数转换数模与模数转换的应用数模与模数转换的应用 在数控系统中经常要进行模拟量和数字量之间的转在数控系统中经常要进行模拟量和数字量之间的转换，这就要用到换，这就要用到A/D和和D/A转换器。转换器。典型的数控系统框图典型的数控系统框图生生产产控控制制对对象象传传感感器器执执行行机机构构A AD DC CD DA AC C数数字字控控制制系系统统9.1 数模转换器数模转换器DACn数模转换数模转换n将离散的数字量转换为连将离散的数字量转换为连续续变化的模拟量变化的模拟量.n实现该功能的器件实现该功能的器件

2、称为称为D/A转换器转换器(Digital Analog Converter，DAC).n输入数字量输入数字量: n输出模输出模拟量拟量:)222(2 . 001111refo01xx.xVvxxnnnnn并行和串行输入并行和串行输入DAC9.1 数模转换器数模转换器DACn数模转换的基本原理数模转换的基本原理假设参考电压假设参考电压Vref = 15V, 数字的位数为数字的位数为 4 代码代码0001对应的输出电压是对应的输出电压是DAC能分辨出来的最小输出电压，能分辨出来的最小输出电压，用用1LSB表示。代码表示。代码1111对应的输出电压是对应的输出电压是DAC能输出的最大电压，能输出的

3、最大电压，称为满度电压，用称为满度电压，用1FSB表示。表示。 在本例中，在本例中，1LSB1V，1FSB15V。9.1.1 数模转换的基本原理数模转换的基本原理nDAC的组成的组成数模转换的基本原理权电阻数模转换的基本原理权电阻DAC Si = 1 多路选择多路选择 开关合向开关合向 左边左边)222(2 42 0011222012001122SSSRVSRVSRVSRVSISISIiREFREFREFREF)222(2 0011222SSSRRVRiRivFREFFFFo9.1.2 权电阻解码网络权电阻解码网络DACSi = 1 多路选择开关多路选择开关 合向左边合向左边)2222(2 8

4、42 001122333012300112233ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiiREFREFREFREFREFF)2222(2 001122333ddddRRVRiRivFREFFFFo权电阻网络权电阻网络DAC 权电阻权电阻DAC的缺点的缺点n在权电阻网络中，使用的电阻种类较多，而在权电阻网络中，使用的电阻种类较多，而且要求阻值之间应成比例，给制造电路带来且要求阻值之间应成比例，给制造电路带来不便不便.n当位数较多时，最大电阻和最小电阻的变化当位数较多时，最大电阻和最小电阻的变化较大，故权电阻较大，故权电阻DAC较少使用。较少使用。9.1.3 T形电阻网络形电阻网络D

5、AC n流入流入虚地点虚地点的电流表达式为：的电流表达式为：)2222(23 )21212121(3R001122334ref40312213refXXXXRVXXXXVI.9.1.3 T形电阻网络形电阻网络DACn输出电压为：输出电压为：)2222(23001122334frefOXXXXRRVV.T形电阻网络形电阻网络DAC的优缺点的优缺点n优点：优点：克服了权电阻网络的多阻值问题，电阻克服了权电阻网络的多阻值问题，电阻仅有仅有R、2R两种，制造比较方便两种，制造比较方便n缺点：缺点：当数码为当数码为0和为和为1时参考电源提供的电流时参考电源提供的电流大小不同大小不同9.1.4 倒倒T形电

6、阻网络形电阻网络DAC 将模拟多路选择开关的两个输出分别与将模拟多路选择开关的两个输出分别与地地和和虚地虚地相连，相连，这样不管输入的数码的状态为这样不管输入的数码的状态为0还是还是1，参考电源提供的，参考电源提供的电流一致，保证了输出电压的稳定性。电流一致，保证了输出电压的稳定性。DAC的主要技术指标的主要技术指标n转换速度转换速度(建立时间建立时间)n转换速度通常用输出电流转换速度通常用输出电流( (或电压或电压) )的建立时间来衡量的建立时间来衡量. .n建立时间建立时间: : 从稳定输入到稳定输出所需时间，通常小于从稳定输入到稳定输出所需时间，通常小于1微秒微秒.n转换精度转换精度n分

7、辨率：分辨率：DAC分辨输出最小电压的能力分辨输出最小电压的能力.n用用DAC的位数来衡量的位数来衡量.n也可用最小输出电压也可用最小输出电压(01H)与最大输出电压与最大输出电压(FFH)的比值的比值.n转换误差转换误差: 实际输出的电压与理想值的最大偏差实际输出的电压与理想值的最大偏差.121n分辨率分辨率n为DAC的位数DAC的主要技术指标的主要技术指标n转换精度转换精度n转换误差转换误差: 实际输出的电压与理想值的最大偏差实际输出的电压与理想值的最大偏差.n非线性误差非线性误差(非线性度非线性度) 产生的原因：模拟电子开关的导通电阻和导通压降以及产生的原因：模拟电子开关的导通电阻和导通

8、压降以及R、2R 电阻值的偏差。电阻值的偏差。 n漂移误差漂移误差(平移误差平移误差) 由运放的零点漂移引起漂移误差，可用零点校准消除。由运放的零点漂移引起漂移误差，可用零点校准消除。 n增益误差增益误差 由基准电压和运放增益不稳定引起增益误差。由基准电压和运放增益不稳定引起增益误差。集成集成DAC(DAC0832)DAC0832内部无运算放大器，使用时需外接运放；内部无运算放大器，使用时需外接运放；工作方式：双缓冲型，单缓冲型，直通型。工作方式：双缓冲型，单缓冲型，直通型。CMOS工艺单片工艺单片8位位DAC，可与多种微处理器相连。，可与多种微处理器相连。DAC应用举例应用举例n锯齿波信号发

9、生器锯齿波信号发生器n锯齿波信号广泛用于电视机和示波器等行、场的扫描，可利锯齿波信号广泛用于电视机和示波器等行、场的扫描，可利用阻容电路充放电实现，但阻容充放电过程是近似线性的。用阻容电路充放电实现，但阻容充放电过程是近似线性的。n通过通过DAC电路可以得到线性度相当高的波形。电路可以得到线性度相当高的波形。四位二进制四位二进制加法计数器加法计数器语音合成公交车语音报站n语音合成也是语音合成也是DAC使用的一个方面，存储器中存放站名的数字语使用的一个方面，存储器中存放站名的数字语音数据，第一个站名的地址从音数据，第一个站名的地址从0000H到到00FFH。n每个站名占每个站名占256个存储单元

10、，需个存储单元，需8根地址线寻址，我们可以用一个根地址线寻址，我们可以用一个8位二进制计数器作为其地址选择输入端。位二进制计数器作为其地址选择输入端。n用一个编码器将多个站的信息通过编码去控制存储器的高端地址用一个编码器将多个站的信息通过编码去控制存储器的高端地址输入端，下图就是实现该功能的逻辑框图。输入端，下图就是实现该功能的逻辑框图。9.2 模数转换器模数转换器ADCn模数转换的基本过程模数转换的基本过程n取样：将时间上连续的模拟信号转换为离散信号取样：将时间上连续的模拟信号转换为离散信号.n保持：保证在量化编码期间，输入信号幅度不变保持：保证在量化编码期间，输入信号幅度不变.n量化：实现

11、幅度数字化，用数字量量化：实现幅度数字化，用数字量近似近似表示模拟值表示模拟值.n编码：将量化的结果转换为需要的编码形式编码：将量化的结果转换为需要的编码形式.模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号.数字信号是一种幅度及时间上皆离散的信号数字信号是一种幅度及时间上皆离散的信号.取样取样(Sample)n取样就是将时间上连续的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。取样就是将时间上连续的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。n具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串脉冲，这个脉冲具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串脉冲，这个脉冲是等距离的，幅度取决

12、于输入的模拟量。是等距离的，幅度取决于输入的模拟量。取样定理取样定理n取样定理取样定理: 描述了将模拟信号转变成离散信号，并且从离散信号描述了将模拟信号转变成离散信号，并且从离散信号 恢复恢复(重建重建)原始信号所需要的最低取样频率。原始信号所需要的最低取样频率。n若原始信号的最高频率分量为若原始信号的最高频率分量为FH，则取样频率，则取样频率fs：fs2FHn上面公式给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般为原上面公式给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般为原始信号最高频率的始信号最高频率的2.53倍左右。倍左右。保持保持(Hold)n保证在量化期间输入幅度不变，稳定地进行量化编码。保证在

13、量化期间输入幅度不变，稳定地进行量化编码。n保持电路实际上是使用了电容的存储特性，保持电路实际上是使用了电容的存储特性，n在实际应用中，取样与保持两个是合二为一的。在实际应用中，取样与保持两个是合二为一的。量化量化7/8V11101/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V1V0000010100111001011107=7/8V0=0V1=1/8V2=2/8V3=3/8V4=4/8V6=6/8V5=5/8V0000=0V0011=1/8V0102=2/8V0113=3/8V1004=4/8V1015=5/8V1106=6/8V1117=7/8V13/15V01/15V3/15V5/15V

14、7/15V9/15V11/15V1V输入信号二进制代码代表的模拟电压输入信号二进制代码代表的模拟电压(a)(b) 模拟信号经取样、保持后的模拟信号经取样、保持后的信号仍是时间上离散的模拟量，信信号仍是时间上离散的模拟量，信号取值是任意的。而数字信号的取值是有限的或离散的。例如，用号取值是任意的。而数字信号的取值是有限的或离散的。例如，用三位二进制数来表示，只有三位二进制数来表示，只有000111十六种状态，要实现幅度的十六种状态，要实现幅度的数字化，就是要用具体的数字量来数字化，就是要用具体的数字量来近似近似表示对应的模拟值，这个过表示对应的模拟值，这个过程就是量化。程就是量化。编码编码 考虑

15、到不同应用，量化结果的输出格式可能不同，编码就时将量考虑到不同应用，量化结果的输出格式可能不同，编码就时将量化的结果转换为需要的编码形式。化的结果转换为需要的编码形式。AD转换的分类转换的分类n直接转换型直接转换型n将模拟信号直接转换成数字信号将模拟信号直接转换成数字信号n并行比较并行比较ADC，逐次渐进，逐次渐进ADCn间接转换型间接转换型n先将模拟信号转换成时间和频率等先将模拟信号转换成时间和频率等n再将时间或频率转换成数字信号再将时间或频率转换成数字信号n双积分双积分ADC，电压频率，电压频率ADC并行比较型并行比较型ADC原理说明原理说明n通过通过电阻分压形成各种电阻分压形成各种比较电

16、平比较电平，输入模拟信输入模拟信号号经采样保持后经采样保持后送入送入比较器与比较电平进行比较器与比较电平进行比较比较；当高于比较电平；当高于比较电平时，该比较器输出为时，该比较器输出为1，反之为反之为0。n比较器的输出送到比较器的输出送到由由D触发器组成的触发器组成的缓冲器缓冲器中，中，避免因各比较器响应速避免因各比较器响应速度差异造成的逻辑误差。度差异造成的逻辑误差。n缓冲的输出送到优先编缓冲的输出送到优先编码器码器，经过编码器将其，经过编码器将其转换为三位二进制信号。转换为三位二进制信号。并行比较型并行比较型ADC的优缺点的优缺点n当输出位数增加时，需增加比较器的个数。由于比较当输出位数增

17、加时，需增加比较器的个数。由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高，给制造带来不器属于模拟电路，其集成度不是很高，给制造带来不便，价格较高，一般较少使用。便，价格较高，一般较少使用。n这种转换电路的最大优点就是速度快，这是其它转换这种转换电路的最大优点就是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故在速度较高的场合，如视频信号电路无法实现的，故在速度较高的场合，如视频信号的的ADC等经常采用。等经常采用。逐次渐进型逐次渐进型ADCn输入比较器实现输入电压输入比较器实现输入电压与反馈电压的比较，当输与反馈电压的比较，当输入幅度大于反馈时输出高入幅度大于反馈时输出高电平，否则为低电平。电平，否则为低电平

18、。n逐次比较寄存器是关键电逐次比较寄存器是关键电路，工作比较特殊，当第路，工作比较特殊，当第一个时钟到来时，其最高一个时钟到来时，其最高位输出位输出1，在下一个时钟边，在下一个时钟边沿，最高位的数码取决于沿，最高位的数码取决于比较器的输出电压，同时比较器的输出电压，同时将次高位输出置为将次高位输出置为1，重复，重复这一过程，进行转换比较。这一过程，进行转换比较。 由输入比较器、逐次比较寄存器、由输入比较器、逐次比较寄存器、D/A转换器和控制电路组成。转换器和控制电路组成。并并/串比较型串比较型ADCn模拟信号首先进行四位并行的模拟信号首先进行四位并行的AD转换，转换结果分别送缓冲寄转换，转换结果分别送缓冲寄存器和存器和DAC电路。电路。nDAC电路将其数码再转换为相