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1、第八章第八章 数模和模数转换器数模和模数转换器8. 1 概述概述8. 3 模模 / 数转换器数转换器8. 2 数数 / 模转换器模转换器 8.1 概述概述计计算算机机模模拟拟信信号号模模拟拟信信号号A / DD / AA / D ： Analog to DigitalD / A ：Digital to Analog 8. 2 数数 / 模模 转换器转换器 ( DAC )8. 2. 2 T型电阻网络型型电阻网络型 8. 2. 1 权电阻网络型权电阻网络型 8. 2. 3 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标13.2.1 权电阻权电阻D/A转换器转换器 这种转换器由这种转换器由“电子模拟
2、开关电子模拟开关”、“权电阻求和网络权电阻求和网络”、“运算运算放大器放大器”和和“基准电源基准电源”等部分组等部分组成。成。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR = 80 k0011 电子模拟开关电子模拟开关( ( S S0 0-S-S3 3) )由电子器件构成，其动作由电子器件构成，其动作受二进制数受二进制数D D0 0-D-D3 3 控制。当控制。当 D DK K 1 1 时，则相应的开时，则相应的开关关S SK K 接到位置接到位置1 1上，将基准电源上，将基准电源U UR R经电阻经电阻R Rk k引起的电引起的电流
3、接到运算放大器的虚地点（如图中流接到运算放大器的虚地点（如图中S S0 0、S S1 1）；）；当当D Dk k0 0 时，开关时，开关S Sk k 接到位置接到位置0 0 ，将相应电流直接接地，将相应电流直接接地而不进运放（如图中而不进运放（如图中S S2 2、S S3 3）。）。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR = 80 k电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路 当当 D D = 1 = 1 时，时，T T2 2 管管饱和导通，饱和导通，T T1 1 管截止，管截止，则则 S S 与与 a a 点通点通
4、； 当当 D D = 0 = 0 时，时，T T1 1 管管饱和导通，饱和导通，T T2 2 管截止，管截止，则则 S S 被接地被接地 。 前者相当于开关前者相当于开关S 接到接到 “ 1 ” 端端 ，后者，后者则则 相当于开关相当于开关S 接到接到“ 0 ”端端 。T1T2SDa1T2Sa0T1SUo = - URRFR（）D3D0D1D223202122根据反相比例运算公式可得：根据反相比例运算公式可得： 显然，输出模拟电压的大小直接与输入显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换到模拟量的转换 。+-
5、AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR = 80 k8.2.2 T形解码网络形解码网络D/A变换器变换器( 以以4位为例位为例 ) 由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中中D、C、B、A四点的电位逐位减半四点的电位逐位减半.AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD 和权电阻网络相比，和权电阻网络相比，T T形解码网络中电阻的类型少，形解码网络中电阻的类型少，只有只有R、2R两种，电路构成比较方便。两
6、种，电路构成比较方便。UD = URUC = UR/ 2UB = UR/4UA = UR/8即：即： 因此，每个因此，每个 2R支路中的支路中的电流也逐位减电流也逐位减半。半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICDI = I3 + I2 + I1 + I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=URRF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0R
7、FD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD8. 2. 3 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标一、一、分辨率分辨率 用输入数字量的用输入数字量的有效位数有效位数来表示分辨率。来表示分辨率。此外，此外， 也可以用也可以用D/A转换器能够分辨出来转换器能够分辨出来的的最小输出电压最小输出电压 (此时输入的数字代码只有最此时输入的数字代码只有最低有效位为低有效位为 1，其余各位都是，其余各位都是 0 ) 与与最大输出最大输出电压电压 (此时输入的数字代码所有各位全是此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比之比来给出分辨率来给出分辨率 。例如，例如，对一个十位对一个十
8、位D/A转换器来说转换器来说 ，210 1110231 0. 001 二、二、转换误差转换误差 转换误差通常用输出电压满刻刻度转换误差通常用输出电压满刻刻度FSR ( Full Scale Range ) 的百分数表示的百分数表示 。 例如例如 ，给出转换误差为给出转换误差为 LSB ，21 这就表示输出模拟这就表示输出模拟 电压的绝对误差等于输入数字代码为电压的绝对误差等于输入数字代码为 0001 时输出电压的一半时输出电压的一半 。 造成转换误差的造成转换误差的原因原因主要有主要有 ：参考电压参考电压 VREF的波动的波动 ；运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移 ；模拟开关的导通内阻和
9、导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压 ；电阻网络中的电阻值偏差电阻网络中的电阻值偏差 ；. 为了便于定量地描述为了便于定量地描述D/A转换器的转换转换器的转换 速度速度 ， 定义了定义了建立时间建立时间 tS 和和转换速率转换速率 SR两两 个参数个参数 。1. 建立时间建立时间 tS 通常以大信号工作情况下通常以大信号工作情况下 ( 输入由输入由全全 0 变为全变为全 1 或者由全或者由全 1 变为变为 全全 0 )输出电压到达某一规定值所需要的时输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间间定为建立时间 tS 。 建立时间最短的可达建立时间最短的可达 0. 1 s 。 这个参数的值越小
10、越好这个参数的值越小越好 。2. 转换速率转换速率 SR 转换速率转换速率 SR 以大信号工作状态下以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示输出模拟电压的变化率表示 。 D/A转换器完成一次转换所需要的转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升时间应包括建立时间和上升(或下降或下降)时时 间两部分间两部分 ， 它的最大值为它的最大值为TTR(max) = tS + VO(max) / SR其中其中 VO(max) 为输出电压的最大值为输出电压的最大值 。8. 3 模模 数数 转换器转换器 ( ADC ) 8. 3. 2 并联比较型并联比较型 8. 3. 3 逐次逼近型逐次逼近型
11、8. 3. 4 A / D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 8. 3. 1 A / D 转换的一般过程转换的一般过程 因为输入的模拟量在因为输入的模拟量在时间上是连续的，时间上是连续的， 8. 3. 1 A / D 转换的一般过程转换的一般过程 在在A / D转换中，转换中， 而输出的数字信号是离而输出的数字信号是离 散量，散量， 所以进行转换时只能在一系列选定所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间的瞬间 (亦即瞬间坐标轴上的一些规定点亦即瞬间坐标轴上的一些规定点) 对输入的模拟信号采样，对输入的模拟信号采样， 然后再把这些采然后再把这些采样值转换为输出的数字量样值转换为输出的数字量
12、。A / D 转换过程应包括转换过程应包括 ：采样、采样、保持、保持、量化、量化、编码编码 这四个步骤这四个步骤 。0tui1. 采样定理采样定理0tui 为了保证能从采样为了保证能从采样信号将原来的被采样信信号将原来的被采样信号恢复，号恢复，必须满足必须满足fS 2 f i maxfS ： 采样频率采样频率 。 f i max ： ui 的最高频分的最高频分 量的频率量的频率 。2. 量化和编码量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，数字信号不仅在时间上是离散的，而且，而且，数值大小的变化也是不连续的。数值大小的变化也是不连续的。这就是说，这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最任
13、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。小数量单位的整数倍。因此因此 ， 在进行在进行 A / D 转换时也必须把采样电压化为这个最小单位转换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的整数倍。的整数倍。这个转化过程就叫做这个转化过程就叫做 “量化量化”， 所所取的最少数量单位叫做取的最少数量单位叫做量化单位量化单位， 用用表示。表示。显然，数字信号最低有效位的显然，数字信号最低有效位的 1 代表的数量代表的数量 大大小就等于小就等于 。 把量化的结果用代码把量化的结果用代码 (二进制或二二进制或二 十十 进制进制 )表示出来，表示出来，称为称为 “ 编码编码 ” 。3. 采样采样
14、 保持电路保持电路T+-uouiULR1RFCF当当 UL为高电平时，为高电平时， MOS管管T导通，导通，ui 经电阻经电阻 R1和管和管T向电容向电容 CF充电充电 。当当 UL为低电平时，为低电平时， MOS管管T截止，截止，忽略各种漏电流，电容忽略各种漏电流，电容CF上的电压得以保持上的电压得以保持 。 8. 3. 2 并联比较型并联比较型-+-+-+-+-+-+-+uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出数字输出AGFECDB编编码码器器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8 电路如左图电路如左图所示，所示， 它由三它由三部分组成：部分组成： 这种这种A/D 变变换
15、器的优点是换器的优点是转换速度快，转换速度快，缺点缺点 是所需比是所需比较器数目多，较器数目多，位数越多矛盾位数越多矛盾越突出。越突出。 分压分压器器、ERRRRRRRR7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8比较器比较器、和和编码器编码器。D2D1D0数字输出数字输出AGFECDB编编码码器器+-+-+-+-+-+-+-+ux比较器输出比较器输出E ux 7E / 87E / 8 ux 6E / 86E / 8 ux 5E / 85E / 8 ux 4E / 84E / 8 ux 3E / 83E / 8 ux 2E / 82E / 8 ux 1E / 81E / 8 ux 0
16、A B C D E F G D2D0D1编码器输出编码器输出输入电压输入电压ux1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000逻辑状态关系表逻辑状态关系表 设待设待秤重量秤重量 Wx = 13克，克， 8. 3. 3 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。比喻来说明。 若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为 8、4、2、1克克 。 可以用下表
17、步骤可以用下表步骤来秤量来秤量 ：砝码重砝码重暂时结果暂时结果 结结 论论第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8 克克第二次第二次加加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，12 克克第四次第四次砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，加加1克克13 克克 故故保留保留 故故保留保留 故故撤除撤除 故故保留保留1000移位寄存器移位寄存器1000数码寄存器数码寄存器A / Duo清清 0、置数、置数控控制制逻逻辑辑ux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uc时钟时钟清清 0、置数、置数“1”状态是否保状态是否保留留控制端控制端CP、(移位命令移位命令)逐
18、次逼近型逐次逼近型 ADC工作过程展示工作过程展示 8. 3. 4 A / D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 一、一、分辨率分辨率： 以输出二进制代码的以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数表示分辨率。 位数越多，量化误差位数越多，量化误差越小，转换精度越高。越小，转换精度越高。 二、二、转换速度转换速度： 完成一次完成一次 A / D转转换所需要的时间，换所需要的时间， 即从它接到转换命即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。出所需要的时间。 三、三、相对精度相对精度： 实际转换值和理想实际转换值和理想特性之间的最大偏差。特性之间的最大偏差。 四、四、其它其它： 功率、功率、 电源电压、电源电压、 电压电压范围等。范围等。1.数模和模数转换器是数字系统和模拟系统的接口电路。2.数模转换器用以将输入的二进制数字信号转换成与之成正比的模拟电压。3.模数转换器用以将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数字信号。4.数模和模数转换器的主要参数是转换精度和转换速度。小结：小结：
