《电工技术与电子技术》数模于模数转换技术

第14章数模和模数转换技术14.1数模(D/A)转换技术14.2模数(A/D)转换技术第14章数模和模数转换技术本章要求1.了解数-模、模-数转换的基本概念和转换原理。2.了解数-模、模-数转换常用芯片的使用方法。14.1数/模转换技术14.1.1数/模(D/A)转换器的基本原理

D/A转换器的功能把数字量转换成与其成一定比例关系的模拟量。对它的要求是输出的模拟量与输入的数字量成正比，即

U0=DUR

式中UR为参考电压，D为数字量。D=dn-12n-1+dn-22n-2+dn-32n-3+…..+d121+d020

为了将数字量转换成模拟量，应将每一位都转换成相应的模拟量，即把所有数字量中为1的位转换成相应的权

，然后求和，即得到与数字量成正比的模拟量。

一般的D/A转换器都是按照这一原理设计的，D/A转换器的种类很多，有权电阻网络型、T型网络、倒T型网络。14.1.2权电阻网络(D/A)转换器所以因缺点是电阻的阻值太多（R至128R），阻值的精度小，难于实现集成化要求。14.1.3倒T型电阻网络DA转换器分析输入数字量和输出模拟电压uo之间的关系

无论数字量D3、D2、D1、D0控制的开关是连接虚地还是真地，流过各个支路的电流都保持不变。uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R.Uc=UR

/2UB=UR/4UA=UR/8UD

=UR即：由A、B、C、D点向左看的等效电阻都是R，则从参考电源看，图中各点(D、C、B、A)电位逐位减半。uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R

因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。即：

uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2RuoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R14.1.4D/A转换器的主要技术指标

指最小输出电压和最大输出电压之比。

1.分辨率3.非线性误差

通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。例:十位D/A转换器的分辨率为有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。2.绝对误差绝对误差是指输入端加对应满刻度的数字量时，D/A转换器输出的理论值与实际值理之差，也称为精度。

13.1.5集成D/A转换器应用1.DAC0808DAC0808是基于R/2R倒T型电阻网络的D/A转换器。DAC0808符号图4.建立时间

从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间，通常D/A转换器的建立时间不大于1S。DAC0808的应用输出电压为：14.2模–数转换器

模–数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其转换原理可分为两大类:一类直接转换型；另一类是间接转换型。直接转换型是把数入的模拟电压直接转换成数字代码，而间接型是先把数入的模拟电压转换成中间量（如时间、频率、脉冲宽度），然后再把这个中间变量转换成数字代码。A/D转换的一般过程为：1.采样和保持；2.量化和编码。14.2.1模数（A/D）转换器的基本工作过程采样与保持电路UinTS(t)ChUout采样控制+1．采样与保持(a)模拟输入波形(b)采样脉冲(c)采样输出

采样过程波形tUoutS(t))Uinttooo2．采样定理

为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，采样信号频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。称为采样定理。通常取fS=(3～5)fimax，其中fS为采样频率，fimax是模拟信号的最高频率分量。3．量化与编码

量化就是把采样所得到的样值电压根据其幅值转换为数字信号时，表示成某个规定的最小单位的整数倍；这个转换过程叫做量化，这个最小单位称为量化单位，它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量。将量化所得结果以一定编码规则的代码表示出来称为编码，这些代码就是A／D转换的输出结果。4．A/D转换器的分类根据转换原理

直接型：模拟信号直接转换为数字信号输出。特点是转换速度快，如并行A/D转换器和逐次比较型A/D转换器。

间接型：先将模拟信号转换为中间量（T、f、τ

等），然后对它进行计数或计时，再将中间量变成数字量。特点是速度慢，抗干扰性能较好，常用的有单积分式ADC

转换器、双积分型ADC转换器与电压频率型A/D转换器。

根据数字信号输出的形式

并行

串行

14.2.2并行A/D转换器

是最快的A/D转换器，由电阻分压器、电压比较器和优先编码器组成。电阻分压器用于确定量化电压，电压比较器确定采样电压的量化值，优先编码器则对量化电压进行编码。

下面主要介绍并行A/D转换电路和逐次逼近式A/D转换电路以及双积分A/D转换电路的原理以及其应用。

该转换器工作时，需要采样脉冲，采样脉冲频率越高，则转换精度就越高，f≥100MHz。该转换器的缺点是若转换位数越多，则比较器的数量巨大，2n-1。3位并行A/D转换器02461357D0D1D2并行输出比较器RRRRRRRR模拟输入优先编码器采样脉冲124UR14.2.3双积分A/D转换器该转换器由切换开关、积分器、比较器、计数器和控制逻辑等电路组成。1.电路组成

UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0计数器锁存器CRnEN控制逻辑比较器积分器开关控制信号清除-URA1A2SWRCU1U2123&2.工作原理：第一阶段:自动调零阶段在控制逻辑电路的作用下，SW接位置3，对模拟地短接，使比较器、积分器输出为零，计数器和控制逻辑电路初始化完成。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0计数器锁存器CRnEN控制逻辑比较器积分器开关控制信号清除-URA1A2SWRCU1U2123&积分器输出电压为：第二阶段:定时积分阶段

SW接位置2，对输入模拟电压进行积分，积分器的输出负电压，在此期间，比较器输出高电平，与门打开，计数器开始计数（周期为TC）。这一阶段所用的时间为：当计数器的计数值达到计数值n时，计数器复位。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0计数器锁存器CRnEN控制逻辑比较器积分器开关控制信号清除-URA1A2SWRCU1U2123&第三阶段:定电压阶段

SW接位置1，SW接通负参考电压。设积分器的输出电压上升到0V时所需的时间为T2，则输出电压为：UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0计数器锁存器CRnEN控制逻辑比较器积分器开关控制信号清除-URA1A2SWRCU1U2123&电压U1为0V时计数器停止计数，所以设（nx

为第二阶段的计数值）可得：可见nx是与输入电压成正比的数。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0计数器锁存器CRnEN控制逻辑比较器积分器开关控制信号清除-URA1A2SWRCU1U2123&.T1=nTC

定时积分定电压积分（第一阶段）T2=nxTC（第二阶段）自动清零（第三阶段）T0

定时计数脉冲n测量计数脉冲积分器输出电压及计数过程o-U1积分器输出电压的波形图。14.2.4逐次比较式A/D转换器....模拟输入CLK比较器(MSB)(LSB)逐次近似寄存器DACD0D1D2D3UOUTDC串行数据输出逐次比较式A/D转换器方框图1.电路组成

由逐次近似寄存器、D/A转换器和比较器组成。2.工作原理(MSB)D0D1D2D3模拟输入

UiUOUTCLK比较器(LSB)逐次近似寄存器DACDC串行数据输出（1）ADC从高到低逐次给逐次近似寄存器的每一位置“1”；（2）逐次近似寄存器中的数据经D/A转换为电压UOUT；

（3）UOUT与输入电压Ui比较，若UOUT≤Ui，保持当前位的‘1’，否则当前位置‘0’；（4）从高到低逐次比较下去，直到逐次近似寄存器的每一位都尝试完；（5）逐次近似寄存器内的数据就是与Ui相对应的2进制