电工学课件：第13章 数-模和模-数转换

第13章数-模和模-数转换13.1概述

自然界大量出现的物理量都是模拟信号，为了便于计算机处理，通常将模拟信号变成数字信号，称为模-数转换（A/D转换）。

在自控系统中，为了实现对被控制的模拟信号进行控制就必须将数字信号变成模拟信号，称为数-模转换（D/A转换）。13.2数-模转换器1、倒T型电阻网络数-模转换器它是目前使用最多，速度较快的数-模转换器。由T型电阻网络和理想运放构成，理想运放引入负反馈，工作在线性区。1、倒T型电阻网络数-模转换器(以四位二进制数为例）S0S1S2S3010001112R2R2R2R2RRRRd0d1d2d3(LSB)(MSB)I01I02RFUo+URIR-++∞对于UR来说电阻网络的等效电阻为R。倒T型电阻网络的等效电路I0I1I2I32R2R2R2R2RRRRIR+UR由此可得出电阻网络的输出电流：S0S1S2S3010001112R2R2R2R2RRRRd0d1d2d3(LSB)(MSB)I01I02RFUo+URIR-++∞则运放输出的模拟电压UO为如果输入的是n位二进制数，则当R=RF时

上式表明，输出模拟量UO和数字量之间存在比例关系，比例系数为UR/2n。

按输入的二进制位数，数——模转换器集成芯片常有八位、十位、十二位、和十六位等。2、数-模转换器的主要技术指标（1）分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比，该数值越小，分辨率越高。n为二进制位数所以位数越多，分辨率越高。（2）精度

转换器的精度指输出模拟电压的实际值与理想值之差。由参考电压的偏差、运放零点漂移、及电阻阻值得偏差引起。（3）线性度（4）输出电压的建立时间（5）电源抑制比13.3模-数转换器1、模-数转换的一般步骤及采样定理模-数转换一般要经过四个步骤完成，即采样、保持、量化和编码。为了正确无误地用采样信号来表示输入的模拟信号，要求必须满足：式中：模拟信号的傅里叶变换频谱OOttuius对输入模拟信号的采样2、逐次渐进型模-数转换器

什么是逐次渐进？好比在天平上用四个分别重8g、4g、2g、1g的砝码去称重13g的物体，称量顺序如下表。顺序砝码重量比较判断该砝码是否保留或除去12348g8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g＜13g12g＜13g14g＞13g13g=13g留留去留2、逐次渐进型模-数转换器逐次渐进型模-数转换器由电压比较器、数-模转换器、逐次渐进寄存器、顺序脉冲发生器等构成。顺序脉冲发生器逐次渐进寄存器DAC电压比较器UdUi输出数字量输入模拟电压逐次渐进型模-数转换器的原理框图模-数转换过程：

转换前首先将寄存器清零。开始转换后，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将最高位置“1”，使输出数字为100…00。这个数码被数-模转换器转换成相应的模拟电压Ud

，送到电压比较器中与输入模拟信号Ui比较。若Ud

＞Ui，说明数字过大了，就将最高位的“1”清除；若Ud

＜Ui，说明数字还不够大，应将这一位的“1”保留。然后，再按同样的方法把次高位置成“1”，并且经过比较以后确定这个“1”是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器的状态即为所要的数字。三位逐次渐进型A/D转换器＜＜＜S1J1KC1RSS1J1JC1C11K1KRcp0cp1cp2cp3顺序脉冲发生器＞＞＞三位数模转换器C+_#UiUd-URF2F1F0Q0Q1Q21C1C1C11D1D1DQQQcpd2d1d0三个JK触发器构成逐次渐进寄存器三个D触发器构成数码寄存器C为电压比较器顺序脉冲发生器波形：12345CPCP0CP1CP2CP3

目前一般用的ADC是单片集成的ADC，其种类很多，如AD571、ADC0801、ADC0804、ADC0809等。3、模-数转换器的主要技术指标（1）分辨率以输出二进制的位数表示分辨率，位数越多，误差越小，转换精度越高。（2）相对精度相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。（3）转换速度它是完成一次转换所需的时间，是指