《汽车电子电工基础》-数字电子 第13章 数模和模数转换器

导入数模和模数转换的概念数模转换

数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器，英文是Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

模数转换

模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称模数转换器，

英文是Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

为什么要进行数模转换和模数转换？模拟量数字量

模拟量数字量传感器被控对象

自然界物理量应用示例1数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC…………模拟控制器模拟控制器储油罐集群DACADC应用示例2温度时间！精度！速度传感器放大器A/D转换微型计算机控制对象D/A转换电加热炉热电偶执行机构第一节数模转换器原理及应用

△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D

最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB

表示)。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二进制数输入模拟电压输出输出模拟电压

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2+

+D121+D020)△

由图可见，uO∝

D，uO的大小反映了数字量

D

的大小。LSB—LeastSignificantBit

输入数字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2+

+D121+D020

数模转换器（DAC）的分类一、倒T型电阻网络DAC

[例13.1]在图13-1所示电路中，若4位二进制数为1011，UREF=15V，RF=R。求输出电压u

o的值。

解：由式(13-3)可得二、DAC的主要参数1.分辨率：指D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。

DAC的最小输出电压变化量，也即DAC的最小输出电压值ULSB，满度输出电压用UFSR，FSR即FullScaleRange。UFSR=uO|(D=11

1)=(2n–1)ULSBn位均为1DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。

2.转换精度：指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与DAC中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。

要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAC的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。

通常要求DAC的误差小于ULSB/2。

3.转换时间：指DAC在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。三、集成数模转换器DAC0832八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)DAC八位变换器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11单缓冲工作方式:输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态D7

~D0CSWR1数据存入数据锁定(b)单缓冲工作方式:输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态双缓冲工作方式:输入寄存器、DAC寄存器都工作于受控状态第二节模数转换器原理及应用模数转换采样保持量化编码采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。

编码：把量化的结果用二进制代码表示。uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI

(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。

量化：将采样电压表示为最小数量单位（Δ，称为ADC的单位量化电压）的整数倍。当采样电压不能被Δ整除时，将引入量化误差。量化误差大小与ADC的位数、基准电压VREF

和量化方法有关。

量化举例：将01V的模拟电压转换为三位二进制代码。方法一：取＝1/8V，01/8V的电压以0×表示，则模拟电压0V1/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V7/8V1V二进制编码000001010011100101110111代表的模拟电压电平0

＝0V

1

＝1/8V2

＝2/8V3

＝3/8V4

＝4/8V5

＝5/8V6

＝6/8V7

＝7/8V可见量化误差最大达

=1/8V方法二：取＝2/15V，01/15V的电压以0×表示，则模拟电压0V1/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V13/15V1V二进制编码000001010011100101110111代表的模拟电压电平0

＝0V

1

＝2/15V2

＝4/15V3

＝6/15V4

＝8/15V5

＝10/15V6

＝12/15V7

＝14/15V可见量化误差最大达

=1/15V模数转换器（ADC）的分类常用ADC根据内部电路不同,分为以下三类:①并联比较型ADC：转换速度最快，但价格贵。

特点:转换速度快,转换时间10ns~1

s②逐次逼近型ADC：速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。特点:转换速度中,转换时间几

s~100

s③双积分型ADC：精度高、抗干扰能力强，但速度慢。

特点:转换速度慢,转换时间几百

s~几ms一、逐次逼近型ADC取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则D为所求值逐次逼近：逐次逼近工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码分别为8、4、2、1克。设待秤重量为13克，可以用下表步骤来秤量：二、ADC的主要参数1.分辨率：指ADC输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。

例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为：5V/28=19.6mV

分辨率也可用ADC的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。2.转换精度：指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。例如转换误差不大于1/2LSB，即说明实际输出数字量与理想输出数字量