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1、第9章 数/模和模/数转换器,9.1 数/模转换器DAC,9.2 模/数转换器ADC,理解数模和模数转换的基本概念；熟悉数模和模数转换器的工作原理及特点；了解常用数模和模数转换器主要技术指标的意义。,学习目的与要求,数/模与模/数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。 能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称D/A转换器；能将模拟量转换为数字量的装置称为模/转换器，简称A/D转换器。,概 述,传感器,ADC,数字计算机,DAC,模拟控制,控制对象,数字信号,模拟信号,9.1 数/模转换器DAC,数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表
2、示。目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。,1. DAC的基本概念,构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”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变换器的基本思想。,(1) DAC的转换特性,DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。,数字量输入,模拟量输出,DAC组成框图,基准电压,数 据 锁 存 器,电子开关,电阻网络,求和放大
3、,图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。,对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为2n-1、2n-2 21、20等，其大小可表示为：,DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：,电流转换系数,电压转换系数,当Ru（或Ri）为1、n时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示：,模拟输出,理想特性,数字输入,D
4、AC的转换特性曲线,(2) DAC的主要参数,1）分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是 0 )与最大输出电压 (此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比。,例,一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：,从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。,2）绝对精度(或绝对误差)和非线性度,绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。,在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差
5、与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。,3）建立时间,指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。,除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。,2. DAC的工作原理,(1) 权电阻网络DAC,模拟 电子开关,u0,集成运放,权电阻，从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍。,反馈网络,n位二进制 数字输入,u0,1,0,1,0,当输入的数字信号为1010时，电子模拟开关的动作受此二进制数控制，相应为“1”的开关接到位置1上；将基准电压UR经电阻引起的电流通入运放的反相
6、输入端，即流入求和电路；相应数字量为“0”的权电阻由开关S直接到“地”。,权电阻网络DAC工作原理,若RF=5K，R=80K时,u0,1,0,1,1,仍有RF=5K，R=80K,u0,1,1,0,0,仍有RF=5K，R=80K,显然，输出模拟电压的大小直接与输入的二进制数大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。,( 2) 倒T形电阻网络DAC,倒T形电阻网络的电阻均为R和2R，与权电阻网络不同。,UR,u0,模拟 电子开关,n位二进制 数字输入,基准电压,输出电压：,当R=RF时，输出电压：,2. 集成数/模转换器DA0832,DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数
7、字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。,片选信号输入端,输入锁存允许信号端,输入数据选通信号,数据传送选通信号,写信号2,基准电源输入端,反馈电阻,D为数字量输入端,电流输出端1和2,电源515V输入端,模拟“地”,数字“地”,当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工 作方式。 DAC0832中无运算放大器，且为电流输出，使用 时须外接运算放大器。芯片中已设置了RF，只要将9脚接到 运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须 外加反馈电阻。,DAC0832内部结构原理图,检验学习结果,DAC电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：,绝
8、对精度是指输入端给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间。,R-2R倒T形电阻网络流过各支路的电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，而且R-2R倒T型电阻网络DAC转换器中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。,DAC0832数模转换器采用的是CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。,检验学习结果,学习中一定要勤于思索主动练习，才能掌握已学知识。,9.2 模/数转换器ADC,1. 模/数转换的原理,在模拟量
9、转换为数字量的过程中，由 于输入的模拟量在时间上是连续的，而 输出的数字量是离散的，所以进行转换 时只能在一系列选定的瞬间对输入的模 拟量采样后再转换为输出的数字量。 模/数转换器的作用就是将输入的模拟 电压数字化。转换过程一般通过采样、 保持、量化和编码四个步骤完成。在实 际电路中，这些过程有的通常是合并进 行的，例如，取样和保持，量化和编码 往往都是在转换过程中同时实现的。,输入模拟电压,CP,采样保持电路,取样展宽信号,电子开关S 受CP控制,采样过程是通过模拟电子开 关 S实现的。模拟电子开关每 隔一定的时间间隔闭合一次， 当一个连续的模拟信号通过这 个电子开关时，就会转换成若 干个离
10、散的脉冲信号。,通过采样脉冲的作用，转 换成时间上离散、但幅值上 仍连续的离散模拟信号。量化编码就是先将幅值连 续可变的采样信号量化成幅 值有限的离散信号，再将这 些离散信号用对应量化电平 的一组二进制代码表示。,N位数字量 输 出,采样是将时间上、幅值上都连续变化的模拟信号，通过 采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的 离散模拟信号。因此采样又称为波形的离散化过程。,(1) 采样保持电路,CP,采样保持电路,CP1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。CP0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP1信号到来，再对新的电压信号进行采
11、样。,采样定理：输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率 为fs，如果fs2fmax，则可以无失真地复现输入信号。,ui,采样电路的 输入信号波形,采样电路的 离散输出波形,采样 间隔时间,采样 保持时间,为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，也就是前面我们所说的采样定理。,量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。即任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个最小数量单位的整数
12、倍，这一转化过程就称为“量化”。,两个量化电压之间的差值称为量化间隔S，量化电压的位 数越多，量化等级越细，S的数值就越小。显然，量化编码 电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限 的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二 进制代码表示。量化过程中所取的最小数量单位称为量化当 量。是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。,编码：将量化后的信号用对应量化电平的一组二进制代码 来表示的过程称为编码。,(2) 量化编码电路,将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。,方法一：取1/8 V，0 1/8 V 的电压以0表示，则,模拟电压,二进制编码,000,001,010,
13、011,100,101,110,111,代码对应的模拟离散电平,0 0V,1 1/8 V,122/8 V,3 3/8 V,44/8 V,55/8 V,66/8 V,77/8 V,可见，量化误差最大达=1/8 V。,例,方法二：取2/15 V，0 1/15V 的电压以0表示，则,0 0V ,1 2/15 V,24/15 V,36/15 V,48/15 V,510/15 V,612/15 V,714/15 V,将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。,例,模拟电压,二进制编码,000,001,010,011,100,101,110,111,代码对应的模拟离散电平,可见，量化误差最大达/2=1/15
14、 V。,对采样值量化的方法通常采用四舍五入法。当最小量化间隔为S时，若采样电压的尾数不足S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于S/2，则四舍五入，在原整数上加1。,已知S1V，若采样电压等于2.1V时，量化电压等于2V；若采样电压等于2.5V时，量化电压等于3V。,舍尾取整法,四舍五入法,不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测,输入量与量化值之间的误差。若要减小，就应在测量范围内减小量化间隔S，即增加数字量X的位数和模拟电压的最大值um。四舍五入量化方式的量化当量按下式选取：,例,分辨率,通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，转换精度越高。,指ADC完成一
15、次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。它反映了ADC转换的快慢速度。,指ADC转换后所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。,2. ADC的主要技术指标,转换时间,绝对精度,3逐次比较型ADC电路组成及工作原理,(1) 逐次比较型ADC方框图,输出数字量经DAC转换后产生相应的模拟电压uF，送到比较器中与输入信号ui进行比较，ui大时比较器输出“1”，否则为“0”。,CP,输出数字量,模拟信号输入,uF,反馈电压,转换开始前寄存器清零。转换后，在CP作用下，逻辑控制器首先使寄存器中最高有效位置“1”。,(2)逐次逼近型模/数转换
16、器电路原理图,逐次逼近寄存器,读出 “与”门,逻辑 控制门,电压 比较器,逐次比较型ADC是集成ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码的输出。,当uiuF时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高 位的1，次高位置“1”；当uiuF时，比较器输出“1”，控制 器控制寄存器最高位置“0”，次高位置“1”。寄存器内数据 经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较， 并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0”时保留寄存器中 高两位的值，并将第三位置“1”，若送入1保留最高位，次 高位置“0”，第三位置“1”，寄存器内数据经DAC电路后输 出反馈信号到比较器，经过逐次比较，直至得到寄存 器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态(即 产生的数码)就是所要求的ADC输出的数字量。,
