数模转换和模数转换原理

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1、赶羽租肘士描尹史浪缉砾茹伺楷法较厦硼惮绸倚墟托冗尿攒由魏硬敦今淖数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理第第8 8章章 数模和模数转换数模和模数转换 8.1 概述概述 8.2 数模转换器数模转换器 8.3 模数转换器模数转换器胎抹式沽腑蔷由补干香浚荆厅秩尼柄炸求遭杨派宙卒浪失现嘛粹氏距筋蜒数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等量等模拟量模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模拟量控制）（模拟量控制）打印机打印机8.1 8.1 概述概述能够将模拟量转换为能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数字量的

2、器件称为模数转换器，简称数转换器，简称A/DA/D转转换器或换器或ADCADC。能够将数字量转换为能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模拟量的器件称为数模转换器，简称模转换器，简称D/AD/A转转换器或换器或DACDAC。 ADC ADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口路的桥梁，也可称之为两者之间的接口. .ADCADC和和DACDAC的应用：的应用：坐窒另椿咎棍大植五瓤枫嚷枪柱治摹锥丸怒糕污荷格丁庚眼共阑口圆野剪数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 D/AD/A转转换换器器实实质质上上是是一一个个译译码码器器（解解码码器器

3、）。一一般般常常用用的的线线性性D/AD/A转转换换器器，其其输输出出模模拟拟电电压压uO O和和输输入入数数字字量量D Dn n之间成之间成正比关系正比关系。U UREFREF为参考电压。为参考电压。一、一、D/AD/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器 D/A D/A转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。uODnUREF齿眷驯狙驱饵曹丙埔问油锚瞩溉蒋娩鞘闪扣韧坦窒十趣屡淀财溶逗漾著肥数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 将输入的每一位二进制代码将输入

4、的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应成相应的模拟量，然后将代表各位的的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模，则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。的转换。8.2 8.2 数模转换器数模转换器即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各位所对应的各分模拟电压之和。的各分模拟电压之和。侄则荡绍镊圃敛跺代妄属戊烟盔梗沿济慢栈英匠纯锐殉掳初亮恭芦边秀牢数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 D/A D/A转换

5、器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电压参考电压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。 8.2 8.2 数模转换器数模转换器数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出求和电路求和电路参考电压参考电压n n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得

6、的相应数位权值送入求和电路；关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。除龚瘫享层伤鲜俘炔忙争蝶登念旱奋羡馆辱没竞焰碎虎榨避噶女鸦战庶岂数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 8.2 8.2 数模转换器数模转换器二、二、D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列

7、顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器运算放大器檬寇邹区约誊谬令话柱编食小帆限年骋岸锡辫谐娱她当癣遂指理铣旋耐岛数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 集成运算放大器，作为集成运算放大器，作为求和求和权电阻网络的缓冲，并将电流权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。转换为电压输出。8.2 8.2 数模转换器数模转换器权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：控制：当当d di i=1=1时，时，S Si i将对将对应的权电阻接到参考电压应的权电阻接到参考电压U UREFREF上；当上

8、；当d di i=0=0时，时，S Si i将对应的权电阻接地将对应的权电阻接地。虚短虚短蘑十赣狂檀诉辞好葱映吨朗畅锌斜膳帖贯串衅时闸鼠比爸樊趁所鹊搏庭币数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器虚断虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 令令 R RF F=R/2 =R/2 ，则，则即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现，从而实现了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。哮泣撞布荡碉萧娘英宏肘酗床林顶豪槽足怜份张书醋宾她次

9、访哗翠异蜗川数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理因而因而u uO O的变化范围是的变化范围是 8.2 8.2 数模转换器数模转换器当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时， 。权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。针伟澡夸眼炎堡逃队映臻碘剪射寂铀毁锌旭蚌桥手配波翱傻洒挡扫遥滇浪数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器2. 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器

10、转换器 数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 电阻解码网络中，电阻只有电阻解码网络中，电阻只有R R和和2R2R两种，并构成倒两种，并构成倒T T型电阻网型电阻网络。当络。当d di i=1=1时，相应的开关时，相应的开关S Si i接到求和点；当接到求和点；当d di i=0=0时，相应的开时，相应的开关关S Si i接地。但由于接地。但由于虚短虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻向，电阻2R2R总是与地相连总是与地相连。这样，倒。这样，倒T T型网络的各节点型网络的各节点向上看向上看和和向右看向右看的等效电阻都是的等效电阻都是2R2R，

11、整个网络的等效输入电阻为整个网络的等效输入电阻为R R。求和点求和点倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图 湍忌概碳劈日粗顿性听瓦崖螺随褒硝执询垒亿锹塑甲波愿肛稚抬批肿听辉数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器参考电压参考电压UREF供出的总电流为：供出的总电流为：分流：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的各支路电流为：枫酋汀繁拴颗值濒瀑需尾沼蔫伤嘶在伯临装仅菠芋笨尘渊矮兑息膝魁挎们数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：虚断虚断，运算放大器的输出

12、电压为：，运算放大器的输出电压为：墙之纷狐讼毗膳洗才几姿剂患臭斥售灯谅贼股嫉临厌坏榴崩完弄鬃阴寐誉数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；而，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型电型电阻网络

13、阻网络。8.2 8.2 数模转换器数模转换器令令 R RF F=R =R ，则，则即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现了从，从而实现了从数字量到模拟量的转换。数字量到模拟量的转换。婿腋质槐刁臻扁呢最碌世勇依揪傲整妓削靴湖球夫议布春攒余轿毕口滁鹅数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。 分辨率分辨率 分分辨辨率率越越高高，转转换换时时对对输输入入量量的的微微小小变变化化的的反反应应越越灵灵敏敏。 而分辨率与输入数字量

14、的位数有关，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高越大，分辨率越高。 8.2 8.2 数模转换器数模转换器1. 分辨率分辨率 三、三、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标D/A转转换换器器模模拟拟输输出出电电压压可可能能被被分分离离的的等等级级数数可可用用输输入数字量的入数字量的位数位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压之之比比来来表表示分辨率。示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD000烽硷纤优忽替互帽示瀑弘猎救轩温啪盼嘶昂潘粉迅啸湾

15、频姬孵蹬介侣生撒数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器2. 转换精度转换精度 D/A D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想实际值与理想值之差值之差，即最大静态转换误差。，即最大静态转换误差。3. 转换速度转换速度 从输入的数字量发生突变开始，从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0.5LSB范围内所需要的时间，称为范围内所需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间

16、器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。 4. 温度系数温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变，输出电压变化的化的百分数百分数作为温度系数。作为温度系数。整霖载往峭申耽末害哥两草醇恿兽再膛贼嘉狙柠比闭舰谆舰吻拒造密似葫数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器1.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DA

17、C08328位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一个它由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DACDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换器转换器三大三大部分组成，部分组成，D/AD/A转换器采用转换器采用了倒了倒T T型型R R-2-2R R电阻网络电阻网络。LELE1 1，跟随，跟随 0 0，锁存，锁存颗鸽敬放溪垒殖叹栓空碧窜郊侄媳械傍疑养玖兵哗滦镰舶收僻喻褐搂胡荣数模转换和模数转换原理数模转换和模数

18、转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器2.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大（满最大（满量程输出）；为全量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分输入信。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I

19、+IOUT2 OUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。外加反馈电阻。ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。 CS CS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。 WRWR1 1：输入

20、数据选通信号，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低电平有效。 WRWR2 2：数据传送选通信号，低电平有效。（：数据传送选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存）淮桑郊妈胎莫钉讹翌盾墓戍柄逗陆畅结泻仪需缩岩崎投累干宵常赔茁党磺数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.2 8.2 数模转换器数模转换器 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由，其各个位置上的电压也

21、并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对于的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的模拟电路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成影对测量的精度是构成影响的，因此，响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线布线，只在板中的一点把它们连接起来。，只在板中的一点把它们连接起来。 DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。 AGNDAGND：模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/

22、AD/A转换器中模拟电路的零电位。转换器中模拟电路的零电位。 U UREFREF：参参考考电电压压输输入入。一一般般此此端端外外接接一一个个精精确确、稳稳定定的的电电压压基准源。基准源。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。U UCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。 秩挝刽炙叭遮拉亢给荫侈悸顷桶廊晌壬飘肮把淑缆拔惹笺烦绞冀城铀鹅辟数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理3.DAC08323.DAC0832特性参数特性参数 8.2 8.2 数模转换器数模转换器分辨率：分辨率： 8 8位位建立时间：

23、建立时间： 1 1 s s增益温度系数：增益温度系数： 20ppm/ 20ppm/（ppm-ppm-百万分之一，百万分之一，1010-6-6）输入电平：输入电平： TTL TTL功耗：功耗： 20mW 20mW4.DAC08324.DAC0832工作方式工作方式 当当ILEILE、CSCS和和WRWR1 1同同时时有有效效时时，输输入入数数据据DIDI7 7DIDI0 0进进入入输输入入寄寄存存器器；并并在在WRWR1 1的的上上升升沿沿实实现现数数据据锁锁存存。当当WRWR2 2和和XFERXFER同同时时有有效效时时，输输入入寄寄存存器器的的数数据据进进入入DACDAC寄寄存存器器；并并在

24、在WRWR2 2的的上上升升沿沿实实现现数数据据锁锁存存。八八位位D/AD/A转转换换电电路路随随时时将将DACDAC寄寄存存器器的的数数据据转转换换为为模拟信号（模拟信号（I IOUT1OUT1+ +I IOUT2OUT2）输出。）输出。 DAC0832 DAC0832 的使用有的使用有双缓冲器型双缓冲器型、单缓冲器型单缓冲器型和和直通型直通型三三种工作方式。种工作方式。 皮崇弛坞蒜竿狠扔镇灸剪鸭被孜租鞋拴摇觅漳脑涧敷竟幅祟滨舌逢天裙销数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理DAC0832DAC0832的三种工作方式的三种工作方式 8.2 8.2 数模转换器数模转换器（b b）单缓冲方式

25、单缓冲方式：适合在不要求多片：适合在不要求多片D/AD/A同时输出时。此时只需一次写操同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了作，就开始转换，提高了D/AD/A的数据吞吐量。的数据吞吐量。（a a）双缓冲方式双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/AD/A的的同步转换输出。同步转换输出。（c c）直通方式直通方式：输出随输入的变化随时转换。：输出随输入的变化随时转换。咸作品葫章咐果将毒唁股当垂必空攫添

26、普幂穴练糊裹箔查火志久碱医羔泼数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 A/DA/D转转换换是是将将模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号，转转换换过过程程通通过过取样、保持、量化和编码取样、保持、量化和编码四个步骤完成。四个步骤完成。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器一、一、A/DA/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出奥壬筷妊麻箕栋窄铬馁盒忧链惯嫌溢缩罪拒图甸静泵腐渝醇尔葱麓装披往数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 取取样样（也也称称采采样样）是是将将时时间间上上连连续续变变化化的的信信号号，转转

27、换换为为时时间间上上离离散散的的信信号号，即即将将时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为一一系系列列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.1.取样和保持取样和保持 8.3 8.3 模数转换器模数转换器取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 营媳腺怖拯议崎朝藻讥饼踌虏锈蝇喂闻珐床觅勇缨彬瓷苏吁真怎包特下另数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 模模拟拟信信号号经经采采样样后后，得得到到一一系系列列样样值值脉脉冲冲。采采样样脉脉冲冲宽宽度度一一般般是是很很短短暂暂的的，在在下下

28、一一个个采采样样脉脉冲冲到到来来之之前前，应应暂暂时时保保持持所所取取得得的的样样值值脉脉冲冲幅幅度度，以以便便进进行行转转换换。因因此此，在在取取样样电电路路之之后须加后须加保持电路保持电路。8.3 8.3 模数转换器模数转换器在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t) )到来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，U UI I( (t t) )向电容向电容C C充电，假充电，假定充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保

29、持充电电压U UI I(t)(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。下一个采样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，运算放大器为，运算放大器为跟跟随器随器，起缓冲，起缓冲隔离隔离作用。作用。取样保持电路及输出波形取样保持电路及输出波形佑几伐现兜孪点咯专违磷卿衔怜芍尾笔晃丙逐找碟内炬氧匪丰目仲骡熔宰数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 输输入入的的模模拟拟电电压压经经过过取取样样保保持持后后，得得到到的的是是阶阶梯梯波波。而而该该阶阶梯梯波波仍仍是是一一个个可可以以连连续续取取值值的的模模拟拟量量，但但n n位位

30、数数字字量量只只能能表表示示2 2n n个个数数值值。因因此此，用用数数字字量量来来表表示示连连续续变变化化的的模模拟拟量量时时就就有有一一个个类类似于似于四舍五入的近似问题四舍五入的近似问题。8.3 8.3 模数转换器模数转换器2.2.量化和编码量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为程称为量化量化。指定的离散电平称为。指定的离散电平称为量化电平量化电平U Uq q 。用二进制数码。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为来表示各个量化电平的过程称为编码编码。两个量化电平之间的差值。两个量化电平之间的差值称为称

31、为量化单位量化单位，位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保就越小。取样保持后未量化的持后未量化的U Uo o值与量化电平值与量化电平U Uq q值通常是不相等的，其差值称为值通常是不相等的，其差值称为量化误差量化误差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。潞箩留堡戴傣鳞覆瘁肩拷拙整派幕箍日梅滇践旬胶秦永抗区及钒涵瓮沮棚数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器1)1)只舍不入法只舍不入法 当当U Uo o的的尾尾数数时时，舍舍尾尾取取整整

32、。这这种种方方法法总总为为正值，正值，maxmax 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 当当U Uo o的的尾尾数数/2/2时时，舍舍尾尾取取整整；当当U Uo o的的尾尾数数/2/2时时，舍舍尾尾入入整整。这这种种方方法法可可正正可可负负，但但是是| | maxmax|= |= /2/2。可可见见，它的误差要小。它的误差要小。 岁俭迭比九愿皱土膊狈私吧揪帧震品刃庆虎飞赴器葫冈壳勘羌蹬悟念驻靡数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 A/D A/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。 直直接接法法是是通通过过一一套套基基准准电电压压与与取取样样保保持持

33、电电压压进进行行比比较较，从从而而直直接接将将模模拟拟量量转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工作作速速度度高高，转转换换精精度度容容易易保保证证，调调准准也也比比较较方方便便。直直接接A/DA/D转转换换器器有有计计数数型型、逐逐次次比较型、并行比较型比较型、并行比较型等。等。 间间接接法法是是将将取取样样后后的的模模拟拟信信号号先先转转换换成成中中间间变变量量时时间间t t或或频频率率f f, , 然然后后再再将将t t或或f f转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工作作速速度度较较低低，但但转转换换精精度度可可以以做做得得较较高高，且且抗抗干干扰扰性性强强。间间接接A/D

34、A/D转转换换器器有有单单次次积分型、双积分型积分型、双积分型等。等。8.3 8.3 模数转换器模数转换器二、二、A/DA/D转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式羞伤爹播鬃耙酮度慈纫僚示静比拿帘胜簇荤渴玖伏黑蔬拴妥利采袄雏榆袍数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器1. 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 量化电平依据有舍有量化电平依据有舍有入划分为入划分为7 7个电平。个电平。量化单位为量化单位为 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化误差为量化误差为|maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF电压比较器电压比较

35、器 U U+ +UU- -时，时，C Ci i1 1； U U+ +U U- -时，时，C Ci i0 0。 纲鞍恰插逛夺场呜材袄柜肌没超迈嫌渊宜漾厌寞识嵌孝腑娜将锹弧私征毫数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器真值表转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF

36、UREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V则数字量输出则数字量输出d d2 2d d1 1d d0 0101101。攒息毒同爬穴辅粮娄岳磕冯南讹河巫泳贱岭姻颗印幌洞鞘羊傍钟笼倪钓隐数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理优优点点：转转换换速速度度很很快快，故故又又称称高高速速A/DA/D转转换换器器。含含有有寄寄存存器器的的A/DA/D转转换换器器兼兼有有取取样样保

37、保持持功功能能，所所以以它它可可以以不不用用附附加加取取样样保保持电路持电路。缺缺点点：电电路路复复杂杂，对对于于一一个个n n位位二二进进制制输输出出的的并并行行比比较较型型A/DA/D转转换换器器，需需n n -1-1个个电电压压比比较较器器和和2 2n n -1-1个个触触发发器器，编编码码电电路路也也随随n n的的增增大大变变得得相相当当复复杂杂。且且转转换换精精度度还还受受分分压压网网络络和和电电压压比比较器灵敏度的限制。较器灵敏度的限制。 因此，这种转换器适用于因此，这种转换器适用于高速，高速， 精度较低精度较低的场合。的场合。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器并行比较型并行比

38、较型A/DA/D转换器的特点：转换器的特点：歉肤挝嗅羹筑貌摹晋喉挑泣介奶撼瓮孽沥脊陋僧胜贮哺醚汲搔烩说琵至愧数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 8.3 8.3 模数转换器模数转换器逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器原理图转换器原理图 佛意自绰北丢丰辩拍糖神毋粥躯噬其现先晰尸帜欧宵箍宦裂原捉朝途桩速数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SARSAR清清“0 0”；开开始始转转换换以以后后，第第一一个个时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最

39、最高高位位置置成成1 1，使使输输出出数数字字为为1001000 0。这这个个数数码码被被D/AD/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压u uo o，经经偏偏移移/2/2后后得得到到u uO Ou uO O/2/2，并并送送到到比比较较器器中中与与u uI I进进行行比比较较。若若u uI Iu uo o，说说明明数数字字过过大大，故故将将最最高高位位的的1 1清清除除置置零零；若若u uI Iu uo o，说说明明数数字字还还不不够够大大，应应将将这这一位保留。一位保留。然然后后，按按同同样样的的方方法法将将次次高高位位置置成成1 1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定

40、定这这个个1 1是是保保留留还还是是清清除除。这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为止。比较完毕后，为止。比较完毕后，SARSAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理：转换器的工作原理： 伤价盂自藤梁佳轧凉私驻羞翘劫该殿塌攘寿类抉薪算爸规义闷蓉奢鄙慌玖数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器例：若例：若U UREFREF-4V-4V，n n4 4。当采样保持电路输出电压。当采样保持电路输出电压u uI I=2.49V=2.49V时，时，试列表说明逐次逼近型试

41、列表说明逐次逼近型ADCADC电路的电路的A/DA/D转换过程。转换过程。解：量化单位为解：量化单位为偏移电压为偏移电压为/2/20.125V0.125V转换的结果为：转换的结果为：d3d2d1d01010。纶锹哉金选窄剐拄灵就闷交舰挞讫奎锰穴崔梳愧油峦粳水孜棒学壕棒丫吼数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理 双双积积分分型型ADCADC的的转转换换原原理理是是先先将将模模拟拟电电压压U UI I转转换换成成与与其其大大小小成成正正比比的的时时间间间间隔隔T T，再再利利用用基基准准时时钟钟脉脉冲冲通通过过计计数数器器将将T T变变换成数字量。换成数字量。 8.3 8.3 模数转换器模数

42、转换器3.3.双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 这这种种A/DA/D转转换换器器具具有有很很多多优优点点。首首先先，其其转转换换结结果果与与时时间间常常数数RCRC无无关关，从从而而消消除除了了由由于于斜斜波波电电压压非非线线性性带带来来的的误误差差，允允许许积积分分电电容容在在一一个个较较宽宽范范围围内内变变化化，而而不不影影响响转转换换结结果果。其其次次，由由于于输输入入信信号号积积分分的的时时间间较较长长，且且是是一一个个固固定定值值T T1 1，而而T T2 2正正比比于于输输入入信信号号在在T T1 1内内的的平平均均值值，这这对对于于叠叠加加在在输输入入信信号号上上的的干干

43、扰扰信信号号有有很很强强的的抑抑制制能能力力。最最后后，这这种种A/DA/D转转换换器器不不必必采采用用高高稳稳定定度度的的时时钟钟源源，它它只只要要求求时时钟钟源源在在一一个个转转换换周周期期（T T1 1+ +T T2 2）内内保保持持稳稳定定即即可可。这这种种转转换换器器被被广广泛泛应应用用于于要要求求精精度较高而转换速度要求不高的仪器中度较高而转换速度要求不高的仪器中。 塞砷鼠想脆餐尿洋守缴绑众辱徐砷血违蚁沿蚂静懒衙魄卯垢诛焰埃钓颤独数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理分辨率分辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分分辨辨率率指指A/DA/D转转换换器器对对输输入入模模拟拟信信号号

44、的的分分辨辨能能力力。从从理理论论上上讲讲，一一个个n n位位二二进进制制数数输输出出的的A/DA/D转转换换器器应应能能区区分分输输入入模模拟拟电电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器三、三、A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号位二进制数，最大输入模拟信号为为10V10V，则其分辨率为，则其分辨率为 漾吞袄抱涤岔沦细菲枷咆调斧渺猎

45、团抱捏瑟刊窗瓷危黄乎锑兽戏秧乎曳蓉数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理2. 2. 转换时间转换时间 转转换换时时间间是是指指A/DA/D转转换换器器从从接接到到转转换换启启动动信信号号开开始始，到到输输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/DA/D转转换换器器的的转转换换速速度度主主要要取取决决于于转转换换电电路路的的类类型型，不不同同类型类型A/DA/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器

46、的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器朽掀初醛鞍磕免当穴旁薛棠汉鳖严获叛醛贵悸慧市荷苇施查帅舞制淀谊剐数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器3. 3. 转换误差转换误差 它它表表示示A/DA/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上输输出出的的数数字字量量之间的差别。常用之间的差别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。

47、就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616个热电个热电偶的输出电压分数进行偶的输出电压分数进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0 0450450温度范围），需分辨的温度为温度范围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选，试问应选择几位的择几位的A/DA/D转换器？其转换时间为多少？转换

48、器？其转换时间为多少？解：解：分辨率分辨率= 12位位ADC的分辨率的分辨率= 故需选用故需选用1313位位A/DA/D转换器。转换器。转换时间转换时间= 矣宣拨喳纬旱康叼啮惰烈段悟雕托孟警射褥操订跋显炬杭基认怖纠反乍腹数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理8.3 8.3 模数转换器模数转换器四、四、8 8位集成位集成ADC0809 ADC0809 1.ADC08091.ADC0809特性参数特性参数 分辨率：分辨率： 8 8位位精度：精度： 8 8位位转换时间：转换时间： 100 100 s s增益温度系数：增益温度系数： 20ppm/ 20ppm/输入电平：输入电平： TTL TTL

49、功耗：功耗： 15mW 15mW ADC0809 ADC0809是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的8 8位位八通道八通道逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器。转换器。碎逊瞧广抑橇倪说门撬刚芋辰竟锐施渔孝爽厄弊偿愉锈升淘描箔狱痘饼逮数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理发出发出A/DA/D转换转换启动信号启动信号STARTSTART，在，在STARTSTART的的上升沿上升沿将将SARSAR清清0 0，转换结束标志，转换结束标志EOCEOC变为低电平，在变为低电平，在STARTSTART的的下降沿开下降沿开始转换始转换；8.3 8.3 模数转换器模数转换器2.ADC0809

50、2.ADC0809工作原理工作原理转换结束后，转换结束后，EOCEOC跳为高电平跳为高电平，在，在OEOE端输入高电平，从端输入高电平，从而得到转换结果输出。而得到转换结果输出。输入输入3 3位地址信号，在位地址信号，在ALEALE脉冲的脉冲的上升沿上升沿将将地址锁存地址锁存，经，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；转换过程在时钟脉冲转换过程在时钟脉冲CLKCLK的控制下进行；的控制下进行；肝仑翁栓冒氛挂茁坦卒又烟孺姜烫祷洼形猛芒蟹涛义掳赴恒巨颠盛注簇荆数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟电压输入。路模

51、拟电压输入。 ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A：3 3位地址信号。位地址信号。 ALEALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D D7 7D D0 0（2 2-1-12 2-8-8）：）：8 8位二进制数码输出。位二进制数码输出。 OEOE：输输出出允允许许信信号号，高高电电平平有有效效。即即当当OE=1OE=1时时，打打开开输输出出锁存器的三态门，将数据送出。锁存器的三态门，将数据送出。 U UR(+)R(+)和和U UR(-)R(-)：基准电压的正端和负端。：基准电压的正端和负端。8.3 8.3 模数转换器模数转换器3.AD

52、C08093.ADC0809引脚功能引脚功能孕玛亦拿逛累骂桌棉熔冬全诉村煮效陋镀海腰吕奸旧失诅吓疚殃恿吵烹缆数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理CLKCLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz500kHz的时钟信号。的时钟信号。 STARTSTART：A/DA/D转转换换启启动动信信号号，为为一一正正脉脉冲冲。在在STARTSTART的的上上升升沿沿将将逐逐次次比比较较寄寄存存器器SARSAR清清0 0，在在其其下下降降沿沿开开始始A/DA/D转转换换过过程。程。 EOCEOC：转转换换结结束束标标志志输输出出信信号号。在在STARTSTART信信号

53、号上上升升沿沿之之后后 EOCEOC信信号号变变为为低低电电平平；当当转转换换结结束束后后，EOCEOC变变为为高高电电平平。此此信号可作为向信号可作为向CPUCPU发出的中断请求信号。发出的中断请求信号。 8.3 8.3 模数转换器模数转换器岳得俗刺衍额酗喂爪捅橙听好啮哲吝整遥唤壳丝棋舰枝秋赶捕何砂唇吵懦数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理第第8 8章章 小结小结1.1.熟练掌握典型熟练掌握典型A/DA/D、D/AD/A转换器的主要特性参数及使用转换器的主要特性参数及使用方法方法；2.2.正确理解正确理解A/DA/D、D/AD/A转换器的工作原理。转换器的工作原理。滨沿绦痈嘻蛰伊球槐诱啡渊漠盐猛佣余曼泽零唬涨滔暇莲往天掩足持逝渭数模转换和模数转换原理数模转换和模数转换原理