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1、第一节模拟-数字转换器 第第1111章章 A/D A/D 和和D/AD/A 11.1 概述 11.3 A/D转换器 11.2 D/A转换器 1 第一节模拟-数字转换器 下页下页总目录总目录 11.1 11.1 数数- -模转换模转换 vv 概述概述 vv 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器 vv 倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络D/AD/A转换器转换器 vv D/AD/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度 2 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 为了能够使用数字电路处理模拟信号，为了能够使用数字电路处理模拟信号， 必须把模拟信号转换成相应的数字信号，必须把
2、模拟信号转换成相应的数字信号， 才能送入数字系统（计算机）进行处理。才能送入数字系统（计算机）进行处理。 还经常需要把处理后的数字信号再转换成模拟信号，还经常需要把处理后的数字信号再转换成模拟信号， 作为最后的输出。作为最后的输出。 11.1、 概述 3 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 从模拟信号到数字信号的转换从模拟信号到数字信号的转换称为称为模模数转换数转换， 简称简称A/DA/D转换转换。 从数字信号到模拟信号的转换称为从数字信号到模拟信号的转换称为数数模转换模转换， 简称简称D/AD/A转换转换。 转换精度转换精度和和转换速度转换速度是衡量是衡量A/DA/D转换器和转
3、换器和D/AD/A转换器转换器 性能优劣的主要指标。性能优劣的主要指标。 4 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 各各支路电流为支路电流为 二、权电阻网络D/A转换器 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器 REF V 5 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 取RF = R/2 ，得 对n位权电阻网络D/A转换器取RF = R/2 ，得 6 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。 缺点：各个电阻的阻值相差较大。缺点：各个电阻的阻值相差较大。 权电阻网络权电阻网络D/AD
4、/A转换器转换器 7 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 d di i = 0= 0时时开关开关 S S i i 接至接至放大器的放大器的 V V + + 。 d di i = 1= 1时开关时开关 S S i i 接接至放大器的至放大器的 V V - - 。 三. 倒T形电阻网络D/A转换器 倒T形电阻网络D/A转换器 8 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 计算倒T形电阻网络支路电流的等效电路 可计算出各支路中的电流: 每个支路的电流依次为： 9 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 倒T形电阻网络D/A转换器 10 第一节模拟-数字转换器 下页下页
5、上页上页返回返回 四. D/A转换器的转换精度与转换速度 在D/A转换器中常用分辨率和转换误差来描述 转换精度。 分辨率：分辨率： 用输入二进制数码的位数给出。 用D/A转换器能够分辨出的最 小电压与最大电压之比给出。 11 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 转换误差：转换误差： 实际D/A转换特性和理想D/A转换特性间的最大偏差。 一般用最低有效位的倍数表示。 也可用输出电压满刻度FSR的百分数。 表示输出电压误差绝对值的大小。 如果VREF偏离标准值 VREF ，则4位倒T形电阻网 络D/A转换器的输出电压误差为： 表示方法：表示方法： 12 第一节模拟-数字转换器 下页下
6、页上页上页返回返回 转换速度：转换速度： 通常用建立时间tset来定量描述D/A转换器的转换速度。 tset vo t o 稳态值 13 第一节模拟-数字转换器 下页下页总目录总目录 11.2 11.2 模模- -数转换数转换 vv A/DA/D转换器的基本原理转换器的基本原理 vv 取样取样- -保持电路保持电路 vv 并联比较型并联比较型A/DA/D转换器转换器 vv A/DA/D转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度 vv 反馈比较型反馈比较型A/DA/D转换器转换器 vv V V- - F F变换型变换型A/DA/D转换器转换器 14 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回
7、返回上页上页 1. 取样定理 一、 A/D转换器的基本原理 对输入模拟信号的取样 模拟信号 取样信号 取样信号必须有取样信号必须有 足够高的频率足够高的频率 取样频率 vI最高频率 15 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 还原取样信号所用滤波器的频率特性 满足取样定理条件下， 可用低通滤波器将取样信号还原为输入模拟信号。 16 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 2. 量化和编码 量化： 进行A/D转换时， 取样电压表示为数字信号所取的最小数量单位的整数倍, 所取最小数量叫做量化单位，用表示。 数字信号最低有效位的1所代表的数量大小就等于。 编码：把量化的结果用代
8、码表示出来， 这些代码是A/D转换的结果。 量化误差：量化过程引入的误差。 当输入的模拟电压在正、负范围内变化时， 一般要求采用二进制补码的形式编码。 17 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 二、取样-保持电路 模拟开关模拟开关 控制信号控制信号 vL为高电平时T导通，取样。 vL返回低电平后T截止，保持。 取样保持电路的基本形式 以上电路很不完善，取样速度受限制。 动画动画 18 第一节模拟-数字转换器 下页下页返回返回上页上页 集成取样-保持电路LF398 vL为高电平时S闭合，电路处于取样工作状态。 vL返回低电平后S 断开，电路进入保持状态。 典型接法 LF398 2
9、3 8 7 6 5 1 4 2 3 8 7 6 5 电路结构 19 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 三、并联比较型A/D转换器 并联比较型A/D转换器 属于直接A/D转换器， 它能将输入的模拟电 压直接转换为输出的 数字量而不需要经过 中间变量。 图示电路输入为0VREF间 的模拟电压，输出为3位 二进制数码d2d1d0。 20 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 四、反馈比较型A/D转换器 1. 计数型A/D转换器 转换开始前先用复位信号将计数器置零， 而且转换控制信号应停留在vL=0的状态。 并 行 数 字 输 出 计数器 输 出 寄 存 器 21 第一节模
10、拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 当vL变为高电平时开始转换，计数器开始计数， vO不 断增加。 当增至vO = vI时， vB=0将门封锁，计数器停止计数， 这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。 并 行 数 字 输 出 计数器 输 出 寄 存 器 这种方案的明显缺点是转换时间太长。 22 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 2. 逐次渐近型A/D转换器 并 行 数 字 输 出 转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转 换器的数字量也全是0。 23 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 并 行 数 字 输 出 转换控制信号vL变为高电平时开始转换，
11、时钟信号 首先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为 10000。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模 拟电压vO，并送到比较器与输入信号vI进行比较。 24 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 如果vO vI，说明数字过大了，则这个1应去掉； 如果vO vI ，说明数字还不够大，这个1应保留。 然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较vO与vI的 大小以确定这一位的1是否应当保留。 这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄 存器里所存的数码就是所求的输出数字量。 逐次渐近型A/D转换器的转换速度比并联比较型A/D转 换器低，但比计数型A/D转换器的转换速度要高得多。
12、而且在输出位数较多时，逐次渐近型A/D转换器的电路 规模要比并联比较型小得多。因此逐次渐近型A/D转换 器是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种电路。 25 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 计 数 器 寄 存 器 五、V- F变换型A/D转换器 并 行 数 字 输 出 单稳态 触发器 计数 脉冲V-F 变换器 V-F变换型A/D转换器的电路结构框图 26 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 六、A/D转换器的转换精度与转换速度 单片集成的A/D转换器采用分辨率和转换误差来描述。 分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示， 说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。 转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出， 表示实际输出的数字量 和理论上应有的输出数字量之间的差别。 1. A/D转换器的转换精度 27 第一节模拟-数字转换器 下页下页上页上页返回返回 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型， 不同类型的A/D转换器的转换速度相差悬殊。 并联比较型A/D转换器的转换速度最快。 逐次渐近型A/D转换器的转换速度次之。 间接A/D转换器的转换速度要低得多了。 高速A/D转换器应将取样-保持电路的获取时间 计入转换时间之内。 2. A/D转换器的转换速度 28
