电子技术（第5版）课件 第10章 数模与模数转换

第10章数模与模数转换第10章数模与模数转换10.1数模转换器（DAC）10.2模数转换器（ADC）第10章数模与模数转换本章要求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1.问题提出（什么是DAC电路）计算机与外部设备接口：DAC（Digital

toAnalogconverter）

ADC（AnalogtoDigitalconverter）DAC对控制系统要求精度！速度！

执行元件被控制对象数控计算机（数字量）ADC（模拟量）模拟传感器（非电量）（控制量）典型数字控制系统框图10.1数模转换器（DAC）DAC任务将接数字信号（D）转换为相应的模拟信号（A），即电压u或电流i常用DAC分类

T型电阻、倒T型电阻、权电阻和权电流DAC等D/A信号转换电路（DAC）D（数字信号）00111001A（模拟信号）u或i？D/A转换器实质上是一个译码器（解码器），输出模拟电压uo和输入数字量Dn之间成正比，UR为参考电压uo＝DnURd0d1dn1LSBMSB输入输出uo或ioDAC1.问题提出（什么是DAC电路）10.1数模转换器（DAC）（1）电路组成用来存储待转换的四位数码d0、d1、d2、d3S0、S1、S2、S3是各位控制的电子开关2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0

d1d2d30RRR110uo++-RF2R0011+Q0Q1Q2Q3数码寄存器最低位（LSB）最高位（MSB）数模转换电路

llT型电阻网络

+运算放大电路求和放大器

T型电阻网络2.T型电阻网络DAC10.1数模转换器（DAC）+URAS2S0S1S32R2R2R2R0RRR1102R0011戴维南定理等效电路R0=R（2）工作原理2.T型电阻网络DAC10.1数模转换器（DAC）R0A+−UE输出模拟电压当RF=3R时，则可得（2）工作原理2.T型电阻网络DAC10.1数模转换器（DAC）4位二进制数按“权”的展开式2Ruo++-RF+=3RR0A+−UE例如：d3d2d1d0=1111时（3）举例应用2.T型电阻网络DAC10.1数模转换器（DAC）2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0

d1d2d30RRR110uo++-RF2R0011+Q0Q1Q2Q3数码寄存器最低位（LSB）最高位（MSB）例如：d3d2d1d0=1001时（3）举例应用2.T型电阻网络DAC10.1数模转换器（DAC）2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0

d1d2d30RRR110uo++-RF2R0011+Q0Q1Q2Q3数码寄存器最低位（LSB）最高位（MSB）2R+URS2S3S1S02R2R2R2RRRRI0I2I3I1IRuo++−RFI01∞I02

d0d1d2d3电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成双向模拟开关d＝1时接运放d＝0时接地求和集成运算放大器

R－2R倒T形电阻解码网络基准参考电压（1）电路组成3.倒T型电阻网络DAC10.1数模转换器（DAC）2R支路电流逐位减半由于集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络各支路电流分别为2R+URS2S3S1S02R2R2R2RRRRI0I2I3I1IRuo++−RFI01∞I02

d0d1d2d3Σ10.1数模转换器（DAC）3.倒T型电阻网络DAC（2）工作原理2R+URS2S3S1S02R2R2R2RRRRI0I2I3I1IRuo++−RFI01∞I0201010101d0d1d2d31）S0~S3全部合向高电平1时有

等效电阻为R，故运算放大器的输入电流I01为10.1数模转换器（DAC）3.倒T型电阻网络DAC（2）工作原理2R+URS2S3S1S02R2R2R2RRRRI0I2I3I1IRuo++−RFI01∞I0201010101d0d1d2d32）输出模拟电压为由此可见，输出模拟电压uo与输入数字量D成正比，实现了数模转换1）S0~S3全部合向高电平1时有

等效电阻为R，故运算放大器的输入电流I01为10.1数模转换器（DAC）3.倒T型电阻网络DAC（2）工作原理3）优点

▲

倒T电阻网络仅有R和2R

两种规格电阻，便于集成

▲

倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故具有较高的工作速度

▲精度比较高、损耗低，应用广泛2R+URS2S3S1S02R2R2R2RRRRI0I2I3I1IRuo++−RFI01∞I0201010101d0d1d2d310.1数模转换器（DAC）3.倒T型电阻网络DAC（2）工作原理

（2）转换误差绝对误差：实际与理想值之差相对误差：绝对值与满量程比值

输入二进制LSB=1、其余为0的输出电压变化分辨率=（1）分辨率n---数码位数（3）转换时间

从转换控制信号开始，到输出端数字信号稳定所需时间（<

1

S

）（3）更新速率

数据寄存器精确地向DAC传输数据的快慢精度速度10.1数模转换器（DAC）4.DAC技术指标计算机与外部设备接口：DAC（Digital

toAnalogconverter）

ADC（AnalogtoDigitalconverter）对控制系统要求精度！速度！被控制对象数控计算机（数字量）ADC（模拟量）模拟传感器（非电量）DAC

执行元件（控制量）典型数字控制系统框图10.2模数转换器（ADC）1.问题提出（3）常用ADC分类逐次逼近型ADC；双积分型ADCA/D信号转换电路（ADC）D（离散信号）00111001A（连续信号）u或i？ui采样Do保持量化编码数字量输出Otui模拟量输入（1）ADC任务（2）转换过程10.2模数转换器（ADC）1.问题提出（1）采样：将随时间连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量uI（t）CADC的量化编码电路dn-1d1d0…u

I(t)S模拟量数字量量化编码采样保持电路（S/H—Sample/Hold）（2）保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号（3）采样定理：合理采样频率由取决采样定理

（当满足fs

≥

2fimax

时,取样信号可恢复原信号）fs---取样频率fimax---信号的最高频率分量

tOusuItO10.2模数转换器（ADC）2.采用和保持1）在uS有效期间，开关管T导通，uI向电容C

充电，uo（=uC）跟随uI的变化而变化

2）在uS无效期间，开关管T截止，uo（=uC）保持不变，直到下次采样（由集成运放具有很的输入阻抗，在保持阶段，C无法放电）

采样保持由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间（4）S/H电路分析（5）S/H电路输出波形10.2模数转换器（ADC）2.采用和保持CRiuIuOuST∞-++（1）量化

将采样后保持信号化为量化单位的整数倍1）量化单位：数字信号LSB对应的模拟信号

大小用

表示（即1）2）量化误差：一个n位二进制数只能表示2n

个量化电平，量化过程不可避免会产生误

差。量化级分得越多（n越大），量化误

差越小（2）编码1）量化方式只舍不入量化；四舍五入量化例题1：将0~1V电压转换为3位二进制代码解：（1）只舍不入量化用二进制代码来表示各个量化电平的过程10.2模数转换器（ADC）3.量化和编码01V1111101000110Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v输入信号编码量化后电压101001000010最大量化误差==(1/8)V最大量化误差

=/2=（1/15）V解:（2）四舍五入量化应注意:（1）只舍不入量化方式量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理（2）四舍五入量化方式量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理10.2模数转换器（ADC）3.量化和编码01V1111101000110Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v输入信号编码量化后电压101001000010（1）电路组成&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0E读出控制端uIuA－＋∞△＋电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门时钟脉冲五位顺序脉冲发生器四位D/A转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1QFF31SC11RQFF2QFF1QFF01SC11R1SC11R1SC11R10.2模数转换器（ADC）4.逐次逼近型ADC4位ADC电路00001000010011001000当

uA>uI，数字量过大当

uA<uI，数字量不够大（待转换电压）顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输出数字量输入电压uIuA逐次逼近型ADC原理框图（模拟电压）当

uA≈

uI，数字量输出10.2模数转换器（ADC）4.逐次逼近型ADC（2）转换原理设：uI=5.52VuR=+8V1&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0EQFF31SC11RuIuA－＋∞△＋五位顺序脉冲发生器四位D/A转换器CPQ4Q3Q2Q1Q0d2d1QFF2QFF1QFF001SC11R1SC11R1SC11R转换前先清0Q3~Q0=0000100010.2模数转换器（ADC）4.逐次逼近型ADC（2）转换原理21&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0EQFF31SC11RuIuA－＋∞△＋五位顺序脉冲发生器四位D/A转换器CPQ4Q3Q2Q1Q0d2d1QFF2QFF1QFF001SC11R1SC11R1SC11R1100设：uI=5.52VuR=+8V10.2模数转换器（ADC）4.逐次逼近型ADC（2）转换原理213&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0EQFF31SC11RuIuA－＋∞△＋五位顺序脉冲发生器四位D/A转换器CPQ4Q3Q2Q1Q0d2d1QFF2QFF1QFF001SC11R1SC11R1SC11R1010设：uI=5.52VuR=+8V10.2模数转换器（ADC）4.逐次逼近型ADC（2）转换原理2134&d3&d2&d1&d0读出