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1、第九章 数-模和模-数转换,本章要求,1. 掌握数-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。,D/A转换器的基本原理,将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,基本原理,转换特性,D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出模拟电流io=KiD。其中Ku或Ki为电压
2、或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：,（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。 分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为： （2）转换精度 D/A转换器的转换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。 （3）输出建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。,9.1 数-模
3、转换器 9.1.1 T型电阻网络数-模转换器,一、电路,分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系,T型网络开路时的输出电压UA即是反相比例运算电路的输入电压。,反相比例 运算电路,T型电 子网络,二、转换原理,用戴维宁定理和叠加定理计算UA,最低位 (LSB),最高位 (MSB),1 0 0 0,对应二进制数为0001,对应二进制数为0001时，,等效电路如右下图,对应二进制数为0001时， 等效电路如下,同理：对应二进制数 为0010时，有,同理：对应二进制数 为1000时，有,同理：对应二进制数 为0100时，有,A,T型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE 。,等效电阻为 R,
4、等效电路如右图,若输入的是 n位二进制数，则,若取 RF = 3R，则,若输入的是 n位二进制数，则,9.1.2 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,转换原理,Uc = UR / 2,UB = UR /4,UA = UR /8,由于解码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：,9.1.3 D/A转换器的主要技术指标,指最小输出电压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
5、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,DAC0832是八位的D/A转换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。,9.1.4 DAC0832 D/A转换器。,一、内部简化电路框图,DAC 0832 简化电路框图,八位,寄存器,输入,八位,寄存器,DAC,八位,转换器,UREF,RF,Iout1,Iout2,AGND,UCC,DGND,&,ILE,CS,WR1,WR2,XFER,D/
6、A,1,1,二、芯片管脚,DAC 0832 管脚分布图,片选信号， 低电平有效,写入控制， 低电平有效,模拟地端,D0 D7 数字量输入,参考电压 输入端,DAC 0832 管脚分布图,数字地端,DAC 0832 管脚分布图,输入锁存允许信 号，高电平有效,芯片工作电压 输入端,电流输出端 单极性输出时。 Iout2接模拟地,9.2模-数转换器,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。,A/D转换器的基本原理,模拟电子开关S在采样脉冲CPS
7、的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。,t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。,（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电
8、压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。 （2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。 （3）转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,9.2.1 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，
9、到输出端得到稳定 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。,9.2.2 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 = 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,一、 转换原理,放哪一 个砝码,砝
10、码是 否保存,二、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，UI = 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:
11、0.02V),9.2.3 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,9.2.3 双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器的逻辑图如下所示。 AD转换器实现转换的全过程，是在控 制电路控制下，按下图所示的三个阶段 进
12、行的。,双积分型A/D转换器逻辑图,双积分式AD转换器工作波形,(1)准备阶段(t0t1) 逻辑控制电路控制电子开关，首先使A输入端接地，积分器输入电压为零，输出也为零。同时计数器复零，整个电路处于初始状态。,当Ux为直流时：,(2)采样阶段(t1t2) 在t1时刻，A端与地断开，接入被测电压，于是积分器对被测电压Ux进行正向积分。当被测电压为负值时，积分器输出电压线性上升，向时逻辑控制电路使闸门打开，时钟脉冲通过闸门计数。到t2时刻计数器记满，获得固定时间T1=t2-t1。在t2时刻，积分 器输出电压为：,(3)比较阶段(t2t3) 当采样阶段结束时，A端与Ux断开，而接入与被测电压极性相反
13、的比较电压VREF，积分器开始反向积分，同时在t2时刻计数器清零后，重新开始计数。到t3时刻，积分器输出电压已从Uom线性下降到零，比较器输出一个控制信号经控制电路使A端与VREF断开，又与地端接通，完成一次转换。,又因为,、,，则有：,当Ux为直流时：,比较阶段所用时间为T2=t3-t2，所以在t3时刻：,因为VREF和T2都为常数，所以T2与被测电压成正比，在T2时间计的脉冲个数N2也与被测电压成正比，从而完成了模拟电压数字的转换。如果参数选择合适，可以实现显示的脉冲个数N2就代表被测电压值。 双积分式DVM的准确度主要取决于比较基准电压的准确度和稳定度，而与积分参数RC无关，即不必精选元
14、件，就能保证仪表的准确度，这是双积分式DVM的一个重要特点。双积分式DVM对串入的对称性交变干扰有很强的抑制能力；缺点是转换速度慢。,一、模拟量转换为数字量的过程称为模拟数字转换；完成这种转换的装置称为模拟数字转换器(Analog to Digital Converter)，简称为模数转换器或ADC。 二、常用的模/数转换有：逐次逼近比较型A/D转换器、双积分型A/D转换器 1逐次逼近比较式DVM的准确度由基准电压、D/A转换器及比较器的准确度和稳定度所决定。转换时间是由时钟脉冲频率和输出数码的位数决定。 特点是测量速度较快，每秒可达数千次；但对混入被测电压中的干扰抑制能力较差。,本章小结,2
15、双积分式DVM的准确度主要取决于比较基准电压的准确度和稳定度，而与积分参数RC无关；双积分式DVM对串入的对称性交变干扰有很强的抑制能力，但转换速度慢。 三、数字量转换为模拟量的过程称为数字模拟转换；把完成这种转换的装置称为数字模拟转换器(Digital to Analog Converter)，简称为数模转换器或DAC。 DAC的精度主要与变换器中所用元件精度及稳定性、电路中的噪声及漏电等因素有关。 四、常用的数/模转换有：权电阻DA转换器、R-2R梯形网络的D/A转换器、倒置R-2R梯形转换器等。,2R-2R梯形网络D/A转换器的输出模拟电压与输入数字量的关系为：,3倒置R-2R梯形转换器的输出模拟电压与输入数字量的关系为：,1权电阻DA转换器的输出模拟电压与输入数字量的关系为：,
