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1、电子技术（数字部分）第8章数模与模数转换器8.1DA转换器8.2AD转换器2AD转换转换器DA转换转换器模拟拟控制器工业业生产过产过程控制对对象模拟拟传传感器ADC和DAC已成为计为计算机系统统中不可缺少的接口电电路。将温度、压压力、流量、应应力等物理量转换为转换为模拟电拟电量。计计算机进进行数字处处理（如计计算、滤滤波）、保存等用模拟拟量作为为控制信号数字控制计计算机8.1DA转换器8.1.1DA转换器的基本原理8.1.2DA转换器电路8.1.3DA转换器主要参数3将数字量转换为转换为与之成正比模拟拟量。n位数字量DAC8.1.1DA转换转换器的基本原理模拟拟量1.数模转换转换器A=KDO=
2、KNB4数字量是用代码码按数位组组合而成的，对对于有权码权码，每位代码码都有一定的权值权值，如能将每一位代码码按其权权的大小转换转换成相应应的模拟拟量，然后，将这这些模拟拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟拟量，从而实现实现数字量-模拟拟量的转换转换。2.实现实现DA转换转换的基本思想NDb424b323b222b121b020124123022021120将二进进制数ND(11001)B转换为转换为十进进制数。53.DA转换转换器的组组成DAC的数字数据可以并行输输入也可串行输输入用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码码由输输入数字量控制产产生权电权电流将权电权电流相加产产生与输输入成正比
3、的模拟电拟电压压64.实现实现DA转换转换的原理电电路，78一、权电权电阻型DA转换转换器VREFvOSn-1Sn-2SiS1S01010101010Dn-1Dn-2DiD1D0iRf8.1.2DA转换转换器电电路例1图所示的电路中，设n=4VREF=10VR=100kRf=8k输入二进制数码S3S2S1S0为1011。试问运算放大器输出电压是多少？解：权电阻型DA转换器中的解码网络所用的阻值范围很大特别是当分辨率较高时电阻值的范围会大得难以实现。VREFvOSn-1Sn-2SiS1S01010101010Dn-1Dn-2DiD1D0Rf9二、倒T形电电阻网络络DA转换转换器Di=0Si则则将
4、电电阻2R接地Di=1Si接运算放大器反相端，电电流Ii流入求和电电路电电阻网络络模拟电拟电子开关求和运算放大器输输出模拟拟电电压压输输入4位二进进制数根据运放线线性运用时时虚地的概念可知，无论论模拟拟开关Si处处于何种位置，与Si相连连的2R电电阻将接“地”或虚地。4位倒T形电电阻网络络DA转换转换器基准电压电压电电阻网络络模拟电拟电子开关求和运算放大器10DA转换转换器的倒T形电电阻网络络基准电电源VREF提供的总电总电流为为：I=？流过过各开关支路的电电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I4I8I16RRRRI2I4I8I16I2I3I2I1I0流入每个2R电电阻的电电流从高位到低位按
5、2的整数倍递递减。I3=VREF2RI2=VREF4RI1=VREF8RI0=VREF16R11流入运放的总电总电流：iI0+I1+I2+I3输输出模拟电压拟电压：124位倒T形电电阻网络络DAC的输输出模拟电压拟电压：n位倒T形电电阻网络络DAC有：令：则则O=KNB在电电路中输输入的每一个二进进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输拟电压输出。138.1.3DA转换转换器的主要技术术指标标分辨率：其定义为义为DA转换转换器模拟输拟输出电压电压可能被分离的等级级数。n位DAC最多有2n个模拟输拟输出电压电压。位数越多DA转换转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输输出电压电压与最大
6、输输出电压电压之比给给出。n位DA转换转换器的分辨率可表示为为1、分辨率142、转换转换精度：o转换转换精度是指对给对给定的数字量，DA转换转换器实际值实际值与理论值论值之间间的最大偏差。o产产生原因：由于DA转换转换器中各元件参数值值存在误误差，如基准电压电压不够稳够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。o几种转换误转换误差：有如比例系数误误差、失调误调误差和非线线性误误差等153输输出建立时间时间从送入数字信号起，到输输出电压电压（或电电流）到达稳态值稳态值所需要的时间时间，称为输为输出建立时间时间。输输出建立时间时间也称为转换时间为转换时间。4输输出极性及范围围输输出信号的极性有单单极
7、性和双极性两种。输输出信号的形式有电电流输输出和电压输电压输出。对电对电流输输出的DAC，常常需外接运放将电电流转换转换成电压电压。5温度系数温度系数是指在输输入不变变的情况下，输输出模拟电压拟电压随温度变变化产产生的变变化量。一般用满满刻度输输出条件下温度每升高1，输输出电压变电压变化的百分数作为为温度系数。168.2AD转换器8.2.1AD转换器的基本原理8.2.2AD转换器电路8.2.3AD转换器主要参数17ADCDnD0输输出数字量输输入模拟电压拟电压能将模拟电压拟电压成正比地转换转换成对应对应的数字量。1.AD功能:8.2.1AD转换转换器的基本原理182.AD转换转换器分类类并联联
8、比较较型特点:转换转换速度快转换时间转换时间10ns1s但电电路复杂杂。逐次逼近型特点:转换转换速度适中转换时间转换时间为为几s100s转换转换精度高，在转换转换速度和硬件复杂杂度之间间达到一个很好的平衡。双积积分型特点:转换转换速度慢转换时间转换时间几百s几ms但抗干扰扰能力最强。19取样样时间时间上离散的信号保持、量化量值值上也离散的信号编编码码模拟拟信号时间时间上和量值值上都连续连续数字信号时间时间上和量值值上都离散AD转换转换的一般工作过过程AD转换转换器一般要包括取样样，保持，量化及编码编码4个过过程。201.取样样与保持采样样是将随时间连续变时间连续变化的模拟拟量转换为转换为在时间
9、时间离散的模拟拟量。采样样信号S(t)的频频率愈高，所采得信号经经低通滤滤波器后愈能真实实地复现输现输入信号。合理的采样样频频率由采样样定理确定。采样样定理：设设采样样信号S(t)的频频率为为fs，输输入模拟拟信号I(t)的最高频频率分量的频频率为为fimax，则则fs2fimaxS(t)=1:开关闭闭合S(t)=0:开关断开21采得模拟拟信号转换为转换为数字信号都需要一定时间时间，为为了给给后续续的量化编码过编码过程提供一个稳稳定的值值，在取样电样电路后要求将所采样样的模拟拟信号保持一段时间时间。采样样保持取样样与保持电电路及工作原理222.量化与编码编码数字信号在数值值上是离散的。采样样保
10、持电电路的输输出电压还电压还需按某种近似方式归归化到与之相应应的离散电电平上，任何数字量只能是某个最小数量单单位的整数倍。量化后的数值值最后还还需通过编码过过编码过程用一个代码码表示出来。经编码经编码后得到的代码码就是AD转换转换器输输出的数字量。量化（归归一，小数变变整数）3.编码编码23在量化过过程中由于所采样电压样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误误差，此误误差我们们称之为为量化误误差，用表示。量化误误差属原理误误差，它是无法消除的。AD转换转换器的位数越多，各离散电电平之间间的差值值越小，量化误误差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化误误差：量
11、化前的电压电压与量化后的电压电压差5.量化方式24011111101011000110100010000=0v7=78v6=68v5=58v4=48v3=38v2=28v1=18v输输入信号编码编码量化后电压电压a)只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单单位的部分舍弃；对对于等于或大于一个量化单单位部分按一个量化单单位处处理。最大量化误误差为为：最小量化单单位18V=1LSB=18V例：将01V电压转换为电压转换为3位二进进制代码码25b)四舍五入量化方式:量化过过程将不足半个量化单单位部分舍弃，对对于等于或大于半个量化单单位部分按一个量化单单位处处理。最大量化误误差为为：最小量化单单位：0
12、11111101011000110100010000=0v7=1415v6=1215v5=1015v4=815v3=615v2=415v1=215v输输入信号编码编码模拟拟电电平=1LSB=215V115V例：将01V电压转换为电压转换为3位二进进制代码码261.并行比较较型AD转换转换器电压电压比较较器输输入模拟拟电压电压精密电电阻网络络精密参考电压电压VREF153VREF157VREF159VREF1511VREF155VREF1513VREF15输输出数字量8.2.2AD转换转换器电电路27VI=8VREF15111100000128vICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7D2D
13、1D07VREF15vI9VREF1500011111009VREF15vI11VREF1500111111015VREF15vI7VREF1500001110113VREF15vI5VREF15000001101011VREF15vI13VR15011111111013VREF15vIVREF151111111111VREF15vI3VREF1500000010010vIVREF150000000000根据各比较较器的参考电压值电压值，可以确定输输入模拟电压值拟电压值与各比较较器输输出状态态的关系。比较较器的输输出状态态由D触发发器存储储，经优经优先编码编码器编码编码，得到数字量输输出。29
14、3、电电路特点：在并行AD转换转换器中，输输入电压电压I同时时加到所有比较较器的输输入端。如不考虑虑各器件的延迟迟，可认为认为三位数字量是与I输输入时时刻同时获时获得的。所以它的转换时间转换时间最短。缺点是电电路复杂杂，如三位ADC需7个比较较器、7个触发发器、8个电电阻。位数越多，电电路越复杂杂。为为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级级并行转换转换的方法。单单片集成并行比较较型AD转换转换器的产产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺艺8位)、AD9002(ECL工艺艺，8位)、AD9020(TTL工艺艺，10位)等。30所加砝码重量结果2.逐次比较较型AD转换转换器逐次
15、逼近转换过转换过程与用天平称物重非常相似。第一次8克砝码总重待测重量Wx，8克砝码保留8克第二次再加4克砝码总重仍待测重量Wx，2克砝码撤除12克第四次再加1克砝码总重待测重量Wx，1克砝码保留13克转换转换原理所用砝码码重量：8克、4克、2克和1克。设设待秤重量Wx=13克。3110001000I5V1A=6.84VVREF=10V第一个CP：32第二个CP：0100110010I7.5VI=6.84VVREF=10V33第三个CP：00101010I6.25V101A=6.84VVREF=10V3410000000A=6.84VVREF=10V10101111110000001010000
16、0101100001010100010101100101011101010111135FF1FF2FF3FF4FF5QAQBQCQDQECPvI(t)vOCOCOCO1vIvO3位码DAC电路补偿电压=（12）LSB=0.5V10004V3.5V4.9V0模数为5的环型计数器。例：vI(t)=4.9V10000G3G2G1RdQ3Q2Q1G4G5G6D2D1D03位码DAC电路00036FF1FF2FF3FF4FF5QAQBQCQDQECPvI(t)uOCOCOCO1vIvO3位码DAC电路补偿电压=（12）LSB=0.5VG3G2G1RdQ3Q2Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0第二个时钟脉冲到来时。0100010001101第三个时钟脉冲到来时。001001010第五个时钟脉冲到来时。000011015V4.5VG4、G5、G6门开，
