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1、第一节第一节 D/AD/A和和A/DA/D转换的根本原理转换的根本原理 第二节第二节 D/AD/A转换器转换器第三节第三节 A/DA/D转换器转换器 小结小结一、模拟量、数字量以及二者的相互转换一、模拟量、数字量以及二者的相互转换第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 延续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以延续取延续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以延续取值的。有规律但不延续的变化量称为数字量，也叫离散量。值的。有规律但不延续的变化量称为数字量，也叫离散量。数字量是不能延续取值的。数字量是不能延续取值的。 延续变化的延续变化的模拟量模拟量 电压、电流或电压、电流或频率等
2、电量频率等电量 被控对象被控对象传传感感器器A/D转转换换数字信号数字信号 处置后的数处置后的数字信息字信息 数字系统数字系统电的模拟量电的模拟量 D/A转转换换执执行行机机构构数字控制数字控制系统框图系统框图二、二、D/A转换的根本原理的根本原理第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 要将模拟量要将模拟量A转换为数字量转换为数字量D，需求一个模拟参考量，需求一个模拟参考量R ，使得，使得A = DR 假设假设 maxA=R 那么那么 0D1 即数字量即数字量D是一个不大于是一个不大于1的的n进制数。自然，这里的进制数。自然，这里的D是二进制数：是二进制数： D = a12
3、1 + a222 + + an2n , ai(0, 1) 实践中通常用一个参考电压实践中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。作模拟参考量。 第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 留意，留意，A虽是模拟量，虽是模拟量，但并不能取恣意值，而只但并不能取恣意值，而只能根据输入量能根据输入量D得到某些特得到某些特定值。定值。ADOLSBD/A转换特性转换特性 三、三、 D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨力：分辨力：D/AD/A转换器输出模拟量的最小值才干。转换器输出模拟量的最小值才干。 分辨率：通常指分辨率：通常指A/DA/D转换器输出数字的二进制位数。转换
4、器输出数字的二进制位数。 满量程：满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。转换器可输出模拟量的最大值。 非线性误差非线性误差 ：在满量程范围内偏离理想转换特性的最：在满量程范围内偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。大值称为非线性误差。 第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 也就是最低有效位也就是最低有效位LSB所对所对应的模拟量应的模拟量 ，记作，记作RLSB 。 显然位数越多，显然位数越多，D/A转换器所能输转换器所能输出的最小模拟量值也越小，因此分辨力出的最小模拟量值也越小，因此分辨力与分辨率是一致的。有时对二者不加区与分辨率是一致的。有时对二者不加区分。分。
5、转转换换精精度度：通通常常以以满满量量程程相相对对误误差差来来阐阐明明D/A转转换换器器的转换精度。的转换精度。 建立时间：从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定建立时间：从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定所需求的时间。所需求的时间。 (u)max为最大为最大绝对误差。绝对误差。 温度系数：在规定范围内，温度变化温度系数：在规定范围内，温度变化1时，增益、时，增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。 建立时间决议了建立时间决议了D/A
6、转换器输出信号转换器输出信号所能到达的最小反复周期。所能到达的最小反复周期。 三、三、 D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 四、四、 A/D A/D转换的根本原理转换的根本原理 A/D转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号的编码过程。的编码过程。 假假设设模模拟拟参参考考量量为为R，那那么么输输出出数数字字量量D和和输输入入模模拟拟量量A之间的关系为之间的关系为 D A/R第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 DA/D转换器转换器ARUREFA/D转换转换
7、A/D转换类转换类似用天平似用天平丈量质量丈量质量质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪mXmmin 数字数字D永远不能准确地表永远不能准确地表示被测物体质量示被测物体质量mx，而只能以，而只能以一个最小砝码一个最小砝码mmin的精度去的精度去逼近。逼近。 mmin称称为为量量化化单单位位。无无论论mmin多多小小，总总不不能能是是无无穷穷小，由小，由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。 量量化化误误差差是是不不能能消消除除的的。但但A/D转转换换得得出出的的数数字字量量可可以以提提供供较较模模拟拟量量更更多多的的有
8、有效效数数字字，使使得得数数据据处处置置的的总总体体精精度度大大大大提高。提高。第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 DAOLSB五、五、 A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨力：分辨力：A/DA/D转换器分辨最小模拟量的才干。转换器分辨最小模拟量的才干。 分辨率：分辨率：A/DA/D转换器的二进制位数。转换器的二进制位数。 量化误差：量化误差通常是指量化误差：量化误差通常是指1 1个个LSBLSB的输出变化所对的输出变化所对应模拟量的范围。应模拟量的范围。 转换精度：转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化转换器的转换精度不仅仅取决于量化误差，而
9、是由多种要素决议的。误差，而是由多种要素决议的。 A/D转换器的转换精度普转换器的转换精度普通表示为通表示为nLSB。 转换时间：完成一次转换所用的时间。转换时间：完成一次转换所用的时间。第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 五、五、 A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 转换速率：每秒转换的次数。转换速率：每秒转换的次数。 转换速率与转换时间不一定是倒数关系。转换速率与转换时间不一定是倒数关系。 第一节第一节 D/A和和A/D转换的根本原理转换的根本原理 两次转换过程允许有部分时间的重叠，两次转换过程允许有部分时间的重叠，因此转速率大于转换时间的倒数，这称作因
10、此转速率大于转换时间的倒数，这称作管线管线pipelining任务方式。任务方式。 例如：例如：一、一、权电阻型阻型D/A转换器器第二节第二节 D/A转换器转换器UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0iRf第二节第二节 D/A转换器转换器 右右图图所所示示的的电电路路中中，设设n=4, UREF =10V, R=100k, Rf=8k, 输输 入入 二二 进进 制制 数数 码码S3S2S1S0为为1011。试试问问运运算算放放大器输出电压是多少？大器输出电压是多少？解：解： 权权电电阻阻型型D/A转转换换器器中
11、中的的解解码码网网络络所所用用的的阻阻值值范范围围很很大大, 特别是当分辨率较高时特别是当分辨率较高时, 电阻值的范围会大得难以实现。电阻值的范围会大得难以实现。 UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0Rf二、二、R-2R 网网络型型D/A转换器器第二节第二节 D/A转换器转换器虚地虚地2R2RR对地电对地电阻为阻为2R2RR对地电对地电阻为阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0IREFIREF
12、 / 2IREF/2i 与权电阻网络相比，与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只需电阻网络中只需R、2R两种阻值，从而抑制了权电阻网络阻值多、阻两种阻值，从而抑制了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺陷。值差别大的缺陷。第三节第三节 A/D转换器转换器 一、一、A/D转换器的关键部件转换器的关键部件比较器比较器 A/D转转换换的的过过程程就就是是用用模模拟拟量量A与与参参考考量量R比比较较的的过过程程，因因此此，电电压压比比较较器器就就成成了了A/D转转换换器器中中重重要要部件。部件。 比较器的输出为比较器的输出为 +DuXUREF0 1tf(t)O模拟信号模拟信号第三节第三节 A/D转换器转换器
13、 二、取样二、取样- -坚持电路坚持电路 所所谓谓取取样样就就是是将将一一个个时时间间上上延延续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为时时间间上上离离散散的模拟量。的模拟量。 根根据据取取样样定定理理，每每经经过过一一定定时时间间隔间间隔TS取出信号的一个值，只需取出信号的一个值，只需TS fm为为信信号号频频带带中中的的最最高高频频率率，这这些些取取样样值值就就可可以以无无损损失失地表达原模拟信号。地表达原模拟信号。tf *(t)O76543211TS 2TS取样信号取样信号3TS 4TS 5TS 6TS 7TS8TS第三节第三节 A/D转换器转换器 二、取样二、取样- -坚持电路坚持电路
14、由由于于对对模模拟拟量量进进展展量量化化的的过过程程需需求求一一定定的的时时间间，所所以以为为保保证证转转换换精精度度，在在转转换换即即量量化化时时间间内内应应使使取取样样点点的的函函数数值坚持不变。值坚持不变。 这这种种暂暂时时坚坚持持由由瞬瞬时时取取样样得得到到的的模模拟拟信信号号的的电电路路，就就是是取取样样坚坚持持电电路路。右右图图是是一一种种常用的取样常用的取样坚持电路。坚持电路。 uIS(t) +uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO= -uC+ -+ -10tWS(t)TS-tW 在取样脉冲在取样脉冲St继续时继续时间间tw内内 ，T导通。输入信号导通。输入信号uI
15、经开关经开关T对电容对电容C进展充电。只进展充电。只需充电时间常数远小于取样信需充电时间常数远小于取样信号号St的继续时间的继续时间tw，那么，那么输出信号输出信号uO就能跟踪输入信号就能跟踪输入信号uI的变化。的变化。 当取样脉冲终了，即在当取样脉冲终了，即在TS-tw时间内，场效应管时间内，场效应管T关断，因关断，因此电容器上电压此电容器上电压uC无泄放回路，无泄放回路，坚持不变，那么坚持不变，那么uO=uC也坚也坚持不变。持不变。 LSB第三节第三节 A/D转换器转换器 三、并行比较型三、并行比较型A/D转换器转换器 假定被转换的模拟输假定被转换的模拟输入电压入电压uI在在0UREF范围
16、范围内变化。取内变化。取3位二进制数代位二进制数代表模拟输入表模拟输入uI的数字输出。的数字输出。 采用有舍有入的量采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压化方式，利用电阻分压把规范电压把规范电压UREF分成分成8段段量化阶梯量化阶梯，位数，位数越多，精度越高。越多，精度越高。UR1= UREFRRRRRRUR2= UREFUR3= UREFUR4= UREFUR6= UREFUR5= UREFUR7= UREFUREFLSB/2二进制数输出二进制数输出 其中其中6段间隔为段间隔为(1/7)UREF，另外两段间，另外两段间隔隔最初和最末最初和最末为为(1/14)UREF。因此，输入。因此，输入模拟
17、电压从模拟电压从0到到UREF整个整个范围内，它的最大量化误范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不差都是一样的，即永远不会超越会超越(1/14) UREF。010011100101110111 001是在是在(1/7)UREF时的时的值。在值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之间的值和之间的值和(1/7)UREF最多相差最多相差(1/14)UREF ，因此，最大量，因此，最大量化误差不会超越化误差不会超越(1/14) UREF。000001R8R1参考电压参考电压模拟输入电压模拟输入电压uI UREF UREF UREF UREF UREF UREF UREFRRRRRR分压
18、器组分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP 由由7个个D触发器组成触发器组成的同步存放的同步存放器组。器组。D2D1D0编码器编码器例：当例：当 ， 求输出的数字量。求输出的数字量。0000011001010001010000100 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI 5/14UREF 由于各个比较器的任务过程几由于各个比较器的任务过程几乎是同时的，所以并行比较型乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换速率在一切转换器的转换速率在一切A/D转换转换方案中是最高的。方案中是
19、最高的。 但需求运用大量的比较器。但需求运用大量的比较器。D/ACD/ACD/AC第三节第三节 A/D转换器转换器 四、串行比较型四、串行比较型A/D转换器转换器 串串行行比比较较型型A/D转转换换器器让让模模拟拟信信号号依依时时间间顺顺序序经经过过一一连连串比串比较较器，后面比器，后面比较较器的器的输输入信号反映了前面比入信号反映了前面比较较器的剩余。器的剩余。 由由于于后后一一位位的的比比较较需需求求运运用用前前一一位位的的结结果果，所所以以这这种种方方案案的的转转换换速速率率不不能能够够做做得得很很高高。但但一一样样分分辨辨率率的的A/D转转换换器器，串行比较法较并行比较法少用了大量的比
20、较器。串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。 UREFuIC3D3uX3UR3uY3D2uX2UR2uY2C2D1uX1UR1uY1C1D0 取并行比较型速度快与串行取并行比较型速度快与串行比较型构造简单之优点，构成了比较型构造简单之优点，构成了折中方案折中方案并并-串比较型串比较型A/D转转换器。换器。DAC第三节第三节 A/D转换器转换器 五、并五、并-串比较型串比较型A/D转换器转换器UREFuI高位比较器列高位比较器列 首先在高位比较器首先在高位比较器列上实现高列上实现高a位位A/D转换，转换，转换结果一方面作为高转换结果一方面作为高位输出。位输出。aa位高位比较位高位比较器器a
21、另一方面加到另一方面加到a位位D/A转转换器上将已转换的高位数字换器上将已转换的高位数字复原为模拟电压，再与输入复原为模拟电压，再与输入模拟电压作减运算，并将其模拟电压作减运算，并将其差值放大至差值放大至2a倍。倍。UR12a放大放大UIIb位低位比较位低位比较器器b输输出出寄寄存存器器 放大器的输出放大器的输出UII由由低位比较器列转换出低低位比较器列转换出低b位数字，并与高位数字位数字，并与高位数字一同输出。一同输出。a+bFF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=1/2LSB=
22、0.5V第三节第三节 A/D转换器转换器 六、逐次比较型六、逐次比较型A/DA/D转换器转换器10004V3.5V4.9V0 逐次比较型逐次比较型ADC任务原理也任务原理也可用天平丈量质可用天平丈量质量来对比。量来对比。 模数为模数为5的环型计的环型计数器。数器。 例：例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位码位码DAC电路电路000FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=1/2LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2
23、 Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0第三节第三节 A/D转换器转换器 六、逐次比较型六、逐次比较型A/DA/D转换器转换器 第二第二个时钟脉个时钟脉冲到来时。冲到来时。0100010001101 第三第三个时钟脉个时钟脉冲到来时。冲到来时。001001010 第五第五个时钟脉个时钟脉冲到来时。冲到来时。000011015V4.5V G4、G5、G6门门开，开，Q3、Q2、Q1数数据传出。据传出。UREF -uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S2第三节第三节 A/D转换器转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双双积积分分型型A/
24、D转转换换器器就就是是先先把把电电压压转转换换成成中中间间量量时时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。01- +1有效有效0001000101100011010111110001UREF -uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S210001有效有效第三节第三节 A/D转换器转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双双积积分分型型A/D转转换换器器就就是是先先把把电电压压转转换换成成中中间间量量时时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。间，再将时间转换为数字，这种转换方法属
25、于间接转换。0- +100 正电压正电压UREF向电容向电容C充电，电容两端电压不能充电，电容两端电压不能突变，使得突变，使得uO1电压逐渐电压逐渐下降，但还是正值，下降，但还是正值， uO2为负值。为负值。 非门输出维持不变，非门输出维持不变，还是高电平，使得还是高电平，使得CP信号信号继续有效，继续有效， 计数器继续计计数器继续计数。数。010110001 当输出当输出D为为100时，时，uo1小于零，使得小于零，使得uo2信号信号翻转为高电平。翻转为高电平。 此时非门输出为此时非门输出为0，关，关断断CP信号，存放器输出可信号，存放器输出可以作为数字量输出。以作为数字量输出。0无效无效(
26、式式7.3.2)第三节第三节 A/D转换器转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双双积积分分型型A/D转转换换器器在在开开场场一一定定时时间间内内，积积分分器器A1以以输输入入电电压压uI为为被被积积函函数数进进展展积积分分，然然后后以以与与输输入入电电压压uI极极性性相相反反的的参参考考电电压压为为被被积积函函数数进进展展积积分分，再再对对积积分分输输出出电电压压进进展展过零比较。过零比较。 uO2uO1斜率斜率uO1t0t1T1常数斜率斜率t2T2D的正向电压的正向电压-0.75V-0.75V t0tt1，uI0 式中：式中：T1= t1 - t0, t0 = 0, uI0。
27、 (式式7.3.4)第三节第三节 A/D转换器转换器 =七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器U02U01斜率斜率U01t0t1T1常数斜率斜率t2T2D的正向电压的正向电压-0.75V-0.75V将式将式7.3.2代入式代入式7.3.4得得第三节第三节 A/D转换器转换器 八、集成八、集成A/D转换器及其运用转换器及其运用ALEADDCADDBADDAIN0 IN1 IN2IN3 IN4 IN5 IN6 IN78路路模模拟拟输输入入 8路模拟输入信路模拟输入信号选择哪一路进展号选择哪一路进展转换，要靠多路选转换，要靠多路选择器来完成。择器来完成。例：例：ADDC=1 ADDB=1 ADD
28、A=0 的情况的情况 1101IN6 8位逐次比较存位逐次比较存放器共可记录放器共可记录28 = 256 种不用形状。种不用形状。 开关开关树输树输出出UREF也也有有256个参考个参考电压电压，将，将UREF送入比送入比较较器与器与输输入模入模拟电压拟电压uI进进展比展比较较 。 ADC0809是是8位位CMOS逐次比较型逐次比较型A/D转换器，具有转换器，具有8个输入个输入通道，可直接选通通道，可直接选通8路模拟量进展转换。路模拟量进展转换。 输出设有三态输出设有三态TTL锁存缓冲器，便于和各种微处置机接口。锁存缓冲器，便于和各种微处置机接口。 ADC0809的主要组成部分有的主要组成部分
29、有8路模拟开关、地址译码、路模拟开关、地址译码、256个个电阻组成的电阻网络和开关树、电阻组成的电阻网络和开关树、8位逐次比较存放器、位逐次比较存放器、8位三态输位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制电路。出锁存缓冲器、比较器和时序控制电路。 另外，另外，A/DA/D转换器的新产品也时有出现，如用于高精度音转换器的新产品也时有出现，如用于高精度音频信号处置的频信号处置的-型型A/DA/D转换器等。转换器等。1. 常用的常用的D/A转换器有权电阻型和转换器有权电阻型和R-2R网络型两种电路。网络型两种电路。 由于由于R-2R 网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精网络型电阻取值较少，易于集成，
30、便于提高精度，多为集成度，多为集成D/A转换器所采用。转换器所采用。2. 常用的常用的A/D转换器有双积分、逐次比较和并行比较型三种。转换器有双积分、逐次比较和并行比较型三种。 双积分型精度高，抗干扰才干强，对元件稳定性要求较低，但双积分型精度高，抗干扰才干强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低；转换速率低； 逐次比较型转换精度较高，本钱较低，速度适中；逐次比较型转换精度较高，本钱较低，速度适中； 并行比较型转换速率高，但集成度相对不高，且易受干扰。并行比较型转换速率高，但集成度相对不高，且易受干扰。小小 结结自我检测：自我检测：7.2，7.6，7.10，7.11，7.12思索题：思索题： 7.2，7.6，7.7，7.9，7.12，7.13 习题：习题： 7.2，7.4，7.6，7.9，7.10作作 业业
