数模和模数转换

把模拟量转化为数字量的过程称为模-数转换，把相应的转换器件称为模-数转换器（Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC）。

把数字量转化为模拟量的过程称为数-模转换，把相应的转换器件称为数-模转换器（Digital-AnalogConverter，简称D/A转换器或DAC）第1页/共64页12021/10/10星期日A/D、D/A转换器在数字系统中的应用框图第2页/共64页22021/10/10星期日9.2D/A转换电路

把输入数字量转换成与之成比例的输出电压或电流值。9.2.1D/A转换的基本原理DAC框图

1.D/A转换的基本原理第3页/共64页32021/10/10星期日DAC输入的n位二进制数字信息Dn(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，Dn按权展开式为输出电压uO或电流iO式中K为转换比例常数。第4页/共64页42021/10/10星期日当n=3时，DAC的输出与输入转换特性图，输出为阶梯波。第5页/共64页52021/10/10星期日2.电压型DACuo=(dn-12n-1+dn-22n-2+···+d121+d020)U

=DnU

输出电压值U

等于Dn为1时，DAC输出的模拟电压值。U

称为DAC的单位量化电压。DAC最大的输出电压uOmax=(2n–1)U

。

第6页/共64页62021/10/10星期日3.电流型DAC

一般常见的D/A转换器多是电流输出型的，为了得到模拟电压输出，可在它的后面接一个电流电压转换(I/V)电路。电流电压转换电路的输出电压的表达式为：uO=

iO

RF

第7页/共64页72021/10/10星期日9.2.2倒T型电阻网络D/A转换器由倒T形电阻网络、模拟开关和一个电流电压（I/V）转换。1.四位电压输出倒T形电阻网络DAC电路组成第8页/共64页82021/10/10星期日倒T型电阻网络DAC采用R-2R两种电阻构成电阻网络。

倒T型电阻网络D/A转换器的基本思想是逐步分流原理和线性叠加原理。第9页/共64页92021/10/10星期日(1)当某位数码为1时，其相应的模拟开关把该支路接到I/V转换电路的输入端；

当某位数码为0时，相应的模拟开关把该支路地。

由于运算放大器的反相输入端接地，不管数码是0还是1，流过倒形电阻网络各支路的电流不变。2.工作原理第10页/共64页102021/10/10星期日2.倒T形电阻网络的等效电路第11页/共64页112021/10/10星期日从A、B、C、D分别向左看进去对地等效电阻始终为R。I=VREF/R所以电流第12页/共64页122021/10/10星期日各支路电流：I3=I/2I2=I/4I1=I/8I0=I/16

它们就是倒T形电阻网络中各2R支路的权电流。第13页/共64页132021/10/10星期日

当输入数码为1时，相应的权电流输入到电流电压转换电路的输入端，当输入的数字代码为0时，相应权电流接地。2.输出电压第14页/共64页142021/10/10星期日同理，n位倒T形电阻网络DAC的输出电压其中，(-RFVREF/2nR)为DAC的单位量化电压。第15页/共64页152021/10/10星期日倒T形电阻网络存在的问题：

实际的电子开关总存在一定的且不可能完全相同的导通电阻，这些电子开关与倒T形电阻网络的个2R支路连接时，不可避免地会引入转换误差，影响转化精度。

解决问题的方法之一是把倒T形电阻网络中各支路的权电流变为恒流源。这样就构成了权电流网络D/A转换器。第16页/共64页162021/10/10星期日9.2.3权电流网络D/A转换器1.四位二进制数权电流网络D/A转换器(1)电路主要组成I/V转换电路权电流网络模拟开关权电流网络由倒T形电阻网络和若干晶体管恒流源组成。第17页/共64页172021/10/10星期日

由于恒流源的输出电阻极大，模拟开关导通电阻的变化对权电流的影响极小，大大提高了转换精度。(2)输出电压式中IRF/16为D/A转换器的单位量化电压。uo=Dn

IRF/16第18页/共64页182021/10/10星期日DAC0808是一种常用的8位权电流网络D/A转换器。9.2.4集成D/A转换器1.DAC0808管脚图典型应用电路图第19页/共64页192021/10/10星期日典型应用电路图典型应用电路输出电压为DAC0808的典型应用参数为VCC=+5V；VEE=-15V；-10V≤uo≤+18V；UREF(+)max=+18V；第20页/共64页202021/10/10星期日AD561集成D/A转换器是10位权电流网络D/A转换器，它将基准电源也集成在片内，使用时只需外接运算放大器即可。2.AD561管脚图典型应用电路图第21页/共64页212021/10/10星期日

基准电压用来产生D/A转换器的单位量化电流，也可为偏移电压输入端提供一稳定的偏移电压。典型应用电路图AD561内的基准电源电路产生输出电压为2.5V的高稳定度和高精度基准电压。当偏移电压输入端②脚悬空时，输出电压uo=10Dn/210V式中10/210伏为D/A转换器的单位量化电压。第22页/共64页222021/10/10星期日典型应用电路图uo=10Dn/210V得到的单极性输出电压:当Dn=00…0~11…1时uO=0~+9.990V

将②端通过R3接到运算放大器的反相输入端，如图中虚线所示，则在uo端可以得到

5.000V~+4.990V的双极性输出电压。偏移电压输入端的作用是把单极性DAC变成双极性DAC。第23页/共64页232021/10/10星期日(1)数-模转换9.2.5集成D/A转换器的应用阶梯波形发生电路(a)电路图(b)波形图(2)波形发生电路第24页/共64页242021/10/10星期日DAC的分辨率通常用二进制数码的位数n来表示。1、转换精度9.2.6D/A转换器的主要参数和误差(1)分辨率

电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与满刻度输出电压Um之比。n位二进制DAC的分辨率=ULSB/Um=1/（2n-1)第25页/共64页252021/10/10星期日(2)转换误差增益误差：为数字输入代码由全0变全1时，输出电压变化量与理想输出电压变化量之差。偏移误差：数字输入代码全为0时，D/A转换器的输出电压与理想输出电压0V之差。第26页/共64页262021/10/10星期日

输入数从全0到全1，D/A输出模拟量达到稳定值的规定误差时所需要的时间。非线性误差：为D/A转换器实际输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值。2、建立时间第27页/共64页272021/10/10星期日9.3A/D转换电路9.3.1A/D转换的基本原理A/D转换就是把模拟电压量uI转换成为与它成比例的二进制数字量Dn。A/D转换转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。

量化：就是把幅值可连续变化的电压转化成为所规定的单位量化电压的整数倍。编码：就是把量化的结果用代码表示。第28页/共64页282021/10/10星期日(1)A/D转换器功能框图故最大的输入电压为Uimax=（2n-1）V

V

——ADC的单位量化电压，即最小分辨率。1、输入输出关系uI——直流或缓慢变化的电压Dn=[uI/V

][uI/V

]——将商uI/V

取整(2)ADC的输出第29页/共64页292021/10/10星期日2、量化和编码

由于输入电压的幅值是连续变化的，它的幅值不一定是其量化单位的整倍数，所以量化过程会引入误差，这种误差叫量化误差。

量化后的信号只是一个幅值离散的信号，为了对量化后的信号进行处理，还应该把量化的结果用二进制代码或其它形式表示出来，这个过程就叫做编码。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。第30页/共64页302021/10/10星期日0~0.7V的模拟信号转化为3位二进制数码的量化过程方法二（四舍五入法）它的最大量化误差为

0.05

方法一（只舍不入法）它的最大量化误差为

0.1

第31页/共64页312021/10/10星期日3.A/D转换器的分类(1)按转换速度分由高到低并行比较型、逐次渐近型和双积分型。(2)按有无中间参数分直接转换型和间接转换型。把模拟输入信号转换成中间信号时间后，再转换成数字信号。间接A/D转换器一般又可以分为:a.电压-频率变换型把模拟输入信号转换成中间信号频率后，再转换成数字信号。b.电压-时间变换型第32页/共64页322021/10/10星期日9.3.2并行比较型A/D转换器电路由分压、比较和编码三部分组成。1.三位并行比较型ADC原理图第33页/共64页332021/10/10星期日2.工作原理

分压电路由八个相同的电阻组成，它把基准电压VREF分成八层。每层电平可用一个二进制数码来表示。模拟输入电压uI与七个基准电压同时进行比较。若uI低于基准电压，比较器输出为0；反之，输出为1。第34页/共64页342021/10/10星期日3.模拟电压、比较器输出和输出代码之间的关系X6X5X4X3X2X1X000000000000001000001100001110001111001111101111111111111d2d1d0000001010011100101110111uI(0.000~0.125)VREF(0.125~0.250)VREF(0.250~0.375)VREF(0.375~0.500)VREF(0.500~0.625)VREF(0.625~0.750)VREF(0.750~0.875)VREF(0.875~1.000)VREF第35页/共64页352021/10/10星期日缺点：随着分辨率的提高，比较器和有关器件按几何级数增加。使得并行比较型ADC的制作成本较高。优点：转换速度非常高，转换时间只取决于比较器的响应时间和编码器的延时，典型值为100ns，甚至更小。4.并行比较型A/D转换器的特点第36页/共64页362021/10/10星期日9.3.3逐次渐进型A/D转换器控制电路1.逐次渐进型A/D转换器的方框图组成：数码寄存器D/A转换器电压比较器第37页/共64页372021/10/10星期日类似于天平称物体重量。2.工作原理

设有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。待秤重量Wx=13克，秤量步骤：8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g8g<13g12g<13g14g>13g13g＝13g2341砝码重比较判断顺序保留保留保留撤去第38页/共64页382021/10/10星期日逐次渐近型A/D转换器的基本工作原理是：a.控制电路首先把寄存器的最高位置1，其它各位置0。b.D/A转换器把寄存器的这个数值转换成为相应的模拟电压值uC;c.把uC与输入的模拟量uI相比较，如果uC>uI

，应该使最高位为0；如果uC<uI

，所以应该保留这个1。第39页/共64页392021/10/10星期日d.再把次高位置1，并用同样的方法判别次高位应该是1还是0。e.按照这样的方法，依次进行，直到最低有效位的数值被确定，就完成了一次转换。这时寄存器输出的数码就是输入的模拟信号所对应的数字量。第40页/共64页402021/10/10星期日顺序脉冲序数寄存器状态Q7···Q0DAC输出电压uc(V)比较器输出状态该位数码的留与舍1234567810000000110000001010000010110000101110001011110010111010101110112.8164.2243.5203.8724.0484.1364.0924.11410111011留舍留留留舍留留3.A/D转换器工作过程(ui=4.115VUΔ

=0.022V)第41页/共64页412021/10/10星期日4.D/A转换器输出电压UC的波形第42页/共64页422021/10/10星期日优点：速度较快，电路结构简单。缺点：抗干扰能力不理想。5.A/D转换器的特点第43页/共64页432021/10/10星期日9.3.4双积分型A/D转换器是一种电压-时间变换型ADC。

由于计数N与

t成正比，从而把被测电压转换成为与之成正比的数字量。首先把被测电压先转换成与之成正比的时间间隔

t。1.基本概念

然后利用计数器在

t时间间隔内对一已知恒定频率fc的脉冲进行计数。第44页/共64页442021/10/10星期日2.双积分A/D转换器原理框图电路组成：积分器、过零比较器、时钟控制门、n位二进制计数器和定时器。第45页/共64页452021/10/10星期日Q=1时S1接-VREF。第二次，对恒定基准电压

UREF进行定值积分，称为比较阶段。Q=0时S1接+uI；双积分A/D转换器在一次转换过程中要进行两次积分：第一次，对输入电压+uI进行定时积分，又称为采样阶段。

两次积分具有不同的斜率，故称为双斜积分(简称为双积分)A/D转换器。第46页/共64页462021/10/10星期日2.工作原理(1)首先控制信号提供清零脉冲CR，n级计数器和定时器清零。S2短时闭合，积分电容放电。第47页/共64页472021/10/10星期日(2)Q=0时S1接+uI积分器对输入电压uI积分，输出电压

由于此时uO<0，比较器的输出uC=1，门G打开，计数器计数，在2n个脉冲后，采样结束。在采样结束时刻t1，积分器的输出电压为第48页/共64页482021/10/10星期日

随着采样结束，定时器Q=1，使电子开关S1与B端接通，积分器转入下一阶段。第49页/共64页492021/10/10星期日输出电压:(3)积分器对基准电压-VREF进行反向积分，计数器从零开始重新计数。第50页/共64页502021/10/10星期日双积分A/D转换的工作波形当t=t2时u=0,计数器停止计数，即第51页/共64页512021/10/10星期日令

t=t2-t1，则第52页/共64页522021/10/10星期日第二次积分结束时，计数器的数值第53页/共64页532021/10/10星期日缺点：转换速度慢完成一次A/D转换一般需几十毫秒以上。

可见，若T1取20ms的整倍数，双积分A/D转换器具有极强的抗50Hz工频干扰的能力。3.转器的特点优点：抗干扰能力强。第54页/共64页542021/10/10星期日9.3.5集成A/D转换器（ADC0804）ADC0804是8位CMOS集成A/D转换器，它的转换时间为100

s,输入电压为0~5V。AD0804管脚图第55页/共64页552021/10/10星期日ADC0804的转换时序图第56页/共64页562021/10/10星期日转换精度主要是由分辨率和转换误差来决定的。⑴分辨率：A/D转换器能够分辨输入信号的最小变化量。

从模拟信号输入起，到达到规定的精度之内的数字输出止，转换过程所经过的时间。⑵转换误差：主要包括量化误差、偏移误差、增益误差等。9.3.