第八章数模与模数转换器

第八章数模与模数转换器第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模与模数转换器第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器1数模转换器的工作原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。数模转换器的基本知识第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器

D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。数模转换器的基本知识2数模转换器的转换特性第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器

理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流iO=Ki×D。

D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。数模转换器的基本知识2数模转换器的转换特性第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器

一个n位D/A转换电路主要由输入数码寄存器、数控模拟开关、电阻解码网络、求和电路、参考电压及逻辑控制电路组成。数模转换器的基本知识3数模转换器的组成第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器数模转换器的基本知识3数模转换器的组成第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术1权电阻网络D/A转换器

权电阻网络D/A转换器的工作原理如下：在反相加法运算放大器的各输入支路中接入不同的权电阻，使其在运算放大器输入端叠加而成的电流与相应的数字量成正比，然后利用运算放大器能将电流转换成电压的原理，在其输出端得到一个与相应数字量成正比的电压。第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术1权电阻网络D/A转换器第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术1权电阻网络D/A转换器流入运放电路的总电流为

第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术1权电阻网络D/A转换器则输出电压uo为：

推广到n位权电路网络，有:

第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术1权电阻网络D/A转换器当反馈电阻Rf=R/2时，可得第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术1权电阻网络D/A转换器优点：结构简单，所用电阻数目少缺点：电阻取值范围太大，当输入数字量的位数为12位时，最大电阻与最小电阻之间的比例达到2048:1，要在如此大的范围内保证电阻的精度，对于集成DAC的制造是十分困难的。第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术2倒T型电阻网络D/A转换器第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器各支路电流：流入运放电路的总电流：第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器输出电压：推广到n位为：第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器常用数模转换技术3权电流型D/A转换器第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器数模转换器的性能指标1分辨率说明分辨输出最小电压的能力。是指最小输出电压(对应输入数字量只有最低有效位为1)与最大输出电压(对应输入数字量所有的有效位全为1)之比。该参数是由D/A转换器数字量的位数决定的。第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器数模转换器的性能指标1分辨率10位DAC分辨率:如输出模拟电压满量程为10V10位DAC能够分辨的最小电压:8位DAC能够分辨的最小电压:第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器数模转换器的性能指标1分辨率

已知8位D/A转换器的最大输出电压为9.945V，当输入代码为10100101时，输出电压是多少。

由题意可知该转换器可以分辨的最小电压为：

令所求输出电压为X：则：第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器数模转换器的性能指标2精度

在输入端加有最大数值量时，D/A转换器的实际输出值和理论计算值之差。

精度是一个综合误差，与参考电源、运算放大器的稳定性及模拟开关等有关，一般不低于第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五数模转换器数模转换器的性能指标3建立时间

D/A转换器的输入变化为满刻度时，其输出达到稳定值的时间。建立时间的大小决定了转换速度。第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器

将时间和幅值连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号。第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器

模数转换一般包括采样、保持、量化、编码四个过程。1采样

将随时间连续变化的模拟量转换成在时间离散的模拟量。即按一定的时间间隔抽取模拟电压值。抽样后的信号是时间上离散的模拟量，即一连串周期一定的脉冲，其幅值取决于抽样时间输入模拟量的大小。第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器1采样设抽样周期为Ts，抽样持续时间为，则在抽样时间内，抽样电路输出等于模拟量的瞬时值。其他时间输出为零。为了能不失真的恢复原来的输入信号。一个频率有限的模拟信号，其抽样频率fs必须大于等于输入模拟信号频率中最高频率fmax的两倍。第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器1采样第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器2保持

模拟信号经抽样后，得到一系列窄脉冲，脉冲宽度是很短暂的，而每次将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，因此，在下一个抽样脉冲没有到来之前，要暂时保持，以便为量化编码提供一个稳定的值。第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器2保持第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器3量化

模拟信号经抽样保持后，得到的是阶梯波。阶梯的幅度是任意的，它仍是一个可以连续取值的模拟量。而数字量的位数是有限的，只能表示有限个数值，为了能够表示数字量，必须将样值电平归化到与之接近的离散电平上，类似于四舍五入的近似问题。第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器3量化

数字信号不仅在时间上是离散的，而且在取值上也不连续。数字信号的取值必须为某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中，量化结果都是其中一个最小离散电平(数字量的最低有效位1所代表的模拟电压值)的整数倍，而采样保持输出的信号在取值上是连续的，不可能所有的采样值都恰好为量化单位的整数倍，因此，量化前后，存在量化误差。第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器4编码

量化后的信号电平，虽然是一个离散量，但为了数字系统能够进行传输和处理，必须用二进制代码来表示。一般只要二进制代码的位数足够，编码过程本身是不会产生误差的。5模数转换分类直接转换:并行比较、逐次逼近间接转换:双积分、电压-频率转换第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术1并行比较由分压器、比较器、寄存器和编码器组成。第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术1并行比较第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术1并行比较各位数码转换同时进行，转换速度快。比较器和触发器同时兼有采样和保持，不需要采样和保持电路。转换精度不易做得很高，如要提高精度，则需减小“最小量化单位”，增加分压器的电阻个数，相应输出的数字信号位数增多，使得电路更加复杂。第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术2逐次逼近型ADC适合于对转换精度要求高，对转换速度要求不太高的场合。D/A转换器：根据逐次逼近寄存器输出的数字量，产生不同的参考电压并送电压比较器与输入模拟信号进行比较。逐次逼近寄存器：产生不同的数字量。数据寄存器：寄存和输出相应的数字量。第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术2逐次逼近型ADC电压比较器：D/A转换器输出的参考电压和采样保持地哪路输出的电压进行比较。控制逻辑电路：在时钟脉冲CP作用下产生转换控制信号。第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术2逐次逼近型ADC例：若基准电压VREF=-8v，n=3。当采样与保持电路输出电压uS=4.9V，列表说明逐次逼近ADC电路的A/D转换过程。第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期五11004V4.9V3.5V0保留21106V4.9V5.5V1清除31015V4.9V4.5V0保留41015V(采样)输出CPSAR比较器输入比较器输出操作uSDAC输出uOu’O=uO-Δ/2Q2Q1Q0当uS=4.9V第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC

双积分型ADC是一种间接A/D转换器。它的转换原理是先把模拟电压转换成与之成正比的时间变量T，然后在时间T内对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于模拟电压的数字量。第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC第一次积分第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC第二次积分第四十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的频率为10KHz①完成一次转换最长需要多长时间？②若输入的模拟电压ui=5V，求转换时间和输出的数字量D各为多少？第四十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的频率为10KHz①完成一次转换最长需要多长时间？第四十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器常用模数转换技术3双积分型ADC例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的频率为10KHz②若输入的模拟电压ui=5V，求转换时间和输出的数字量D各为多少？第四十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期五模数转换器模数转换器的性能指标1分辨率ADC的