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1、第16章 模拟量和数字量的转换,16.1 D/A转换器,16.2 A/D转换器,第16章 模拟量和数字量的转换,本章要求,1. 了解D/A、A/D转换的基本概念和转换原理;,2. 了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。,模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。,将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；,传感器,模拟控制,模拟信号,数字计算机,数字控制,数字信号,ADC,DAC,将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC),16.1 D/A转换器,数模转换（D/A转换器）的基本思想： 由于构成数
2、字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思想。,16.1.1倒T型电阻网络D A转换器,分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系(UR 取负值）,转换原理,倒T型电阻网络D A转换器,.,UC = UR / 2,UB = UR /4,UA = UR /8,由于电阻网络的电路结构和参数匹配，则图中各点(D、C、B、A) 电位逐位减半。,因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。,即：,16.1.2 D/A转换器的主要技术指标,指最小输出电压
3、和最大输出电压之比。,1.分辨率,2.线性度,通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。,3.输出电压( 电流 )的建立时间,例:十位D/A转换器 的分辨率为,从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,通常D/A转换器的建立时间不大于1S,16.1.2 D/A转换器的主要技术指标,转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。这误差是由于参考电压偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等原因引起的。,4.精度,5
4、.电源抑制比,在高质量的D/A转换器中，要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生变化时，对输出电压的影响非常小。输出电压的变化与相对应的电源电压变化之比，称为电源抑制比。,十位数模转换器,UR,16.2 A/D转换器,模数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。,下面介绍逐次逼近式A/D转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。,逐次逼近型模数转换器原理框图,16.2.1 逐次逼近式A/D转换器,其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克,每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx =
5、 13克，可以用下表步骤来秤量：,2,8 g + 4 g,3,8 g + 4 g + 2 g,4,8 g + 4 g + 1 g,1,8 g,8g 13g ，,12g 13g ，,14g 13g，,13g 13g，,8 g,12 g,12 g,13g,保留,保留,撤去,保留,1. 转换原理,放哪一 个砝码,砝码是 否保存,图16.2.1 四位逐次逼近型D/A转换器的原理电路,读出控制端,2. 转换过程,2,3,4,1,1 0 0 0,UA UI,6V,UA UI,5. 5V,留,去,留,留,4V,UA UI,5V,UA UI,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：UR= -8V，
6、UX= 5.52V,D/A转换器输出UA为正值,转换数字量1011 4+1+0.5 = 5.5V 转换误差为 0.02V,例：UR= -8V，UI = 5.52V,若输出为 8位数字量,转换数字量10110001 4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V 转换误差为 +0.01125V 位数越多误差越小,逐次逼近转换过程示意图,UA UI,UA UI,(转换误差: 0.02V),16.2.2 A/D 变换器的主要技术指标,1. 分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。 位数越多，误差越小，转换精度越高。,2. 转换速度 完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转 换控制信号起，到
7、输出端得到稳定的数字量输出 所需要的时间。,3. 相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,4.其它 功率、电源电压、电压范围等。,ADC0809八位A/D转换器,ADC 0809管脚 分布图,UR(-),B,D4,D0,D2,D7,D6,D5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,25,24,23,22,21,26,27,28,IN2,IN1,IN0,GND,D1,ALE,EOC,START,CLOCK,D3,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,EOUT,A,C,UR (+),UDD,A/D转换器原理与分类,下面简要介
8、绍常用的几种类型的基本原理及特点:积 分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调 制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型.,1)积分型(如TLC7135) 积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度 信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字 值.其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由 于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低.初期的 单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步 成为主流.,2)逐次比较型(如TLC0831) 逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次 比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入 电压与内置DA转换器输出进行比较,
9、经n次比较而输 出数字值.其电路规模属于中等.其优点是速度较高、 功耗低,在低分辩率(12位)时价格很高.,3)并行比较型/串并行比较型(如TLC5510) 并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行 转换,又称FLash(快速)型.由于转换速率极高,n位的转 换需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高, 只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域. 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间, 最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换 器组成,用两次比较实行转换,所以称为Half flash(半快 速)型.还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级 (Mult
10、istep/Subrangling)型AD,而从转换时序角度又 可称为流水线(Pipelined)型AD,现代的分级型AD中还 加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能. 这类AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小.,4)-(Sigma/FONTdelta)调制型(如AD7705) -型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和 数字滤波器等组成.原理上近似于积分型,将输入 电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处 理后得到数字值.电路的数字部分基本上容易单片 化,因此容易做到高分辨率.主要用于音频和测量.,5)电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩
11、阵方式,也可称为电荷再分配型.一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易.如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器.最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的.,6)压频变换型(如AD650) 压频变换型(Voltage-Frequency Converter)是 通过间接转换方式实现模数转换的.其原理是首 先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器 将频率转换成数字量.从理论上讲这种AD的分辨 率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足 输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度.其 优点是分辩率高、功耗低、价格低,但是需要外 部计数电路共同完成AD转换.,
