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1、第一节第一节D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 第二节第二节D/A转换器转换器第三节第三节A/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转换的基本原理转换的基本原理 连续变化的物理量称为连续变化的物理量称为模拟量模拟量，模拟量是可以连续取，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为值的。有规律但不连续的变化量称为数字量数字量，也叫，也叫离散量离散量。数字量是不能连续取值的。数字量是不能连续取值的。 连续变化的连续变化的模拟量模拟量 电压、电流或频电压、电流或频率等电量率等电量 被控被控对象对象
2、传传感感器器A/D转转换换数字信号数字信号 处理后的数处理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转换的基本原理转换的基本原理第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 要将模拟量要将模拟量A转换为数字量转换为数字量D，需要一个模拟参考量需要一个模拟参考量R ，使得使得A = DR 若若 maxA=R 则则 0D1 即即数数字字量量D是是一一个个不不大大于于1的的n进进制制数数。自自然然，这这里里的的D是二进制数：是二进制数： D = a121 + a222 + + an2n , ai
3、(0, 1) 实际中通常用一个参考电压实际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转换的基本原理转换的基本原理 注意，注意，A虽是模拟量，虽是模拟量，但并不能取任意值，而只但并不能取任意值，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：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。转换器分辨最小模拟量的能力。 分辨率：分辨率：通常指通常指A/D转换器的二进制位数。转换器的二进制位数。 满量程满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。转
4、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转换的基本原理转换的基本原理 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转换器所能输出转换器所能输出的最小模拟量值也越小，因而分辨力与分的最小模拟量值也越小，因而分辨力与分辨率是统一的。有时对二者不加区分。辨率是统一的。有时对二者不加区分。 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说说明明D/A转
5、转换换器器的转换精度。的转换精度。 建立时间建立时间：从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定所需要的时间。所需要的时间。 (u)max为最大为最大绝对误差。绝对误差。 温度系数温度系数：在规定范围内，温度变化在规定范围内，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。 建立时间决定了建立时间决定了D/A转换器输出信号转换器输出信号所能达到的最小重复周期。所能达到的最小重复周期。 三、
6、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转换的基本原理转换的基本原理 四、四、 A/D转换的基本原理转换的基本原理 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。 若若模模拟拟参参考考量量为为R，则则输输出出数数字字量量D和和输输入入模模拟拟量量A之之间的关系为间的关系为 D A/R第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 DA/D转换器转换器AR（UREF）A/D转换转换A/D转换类转换类似用天平似用天平测量质量测量质量质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪
7、mX质量天平仪质量天平仪mXmmin 数字数字D永远不能精确地表永远不能精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的精度去逼的精度去逼近。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小，由由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有效效数数字字，使使得得数数据据处处理理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/
8、A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 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/D转换器分辨最小模拟量的能力。转换器分辨最小模拟量的能力。 分辨率分辨率：A/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：量化误差通常是指量化误差通常是指1个个LSB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，而是由多种因素决定的。误差，而是由多种因素决定的。 A/D转换器的转换精度一转换器的转换精度一般表示为般表示为nLSB。 转换时间
9、转换时间：完成一次转换所用的时间。完成一次转换所用的时间。第一节第一节 D/A和和A/D转换的基本原理转换的基本原理 五、五、 A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 转换速率转换速率：每秒转换的次数。：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转换的基本原理转换的基本原理 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，因而转速率大于转换时间的倒数，这称作管因而转速率大于转换时间的倒数，这称作管线（线（pipelining）工作方式。工作方式。 例如：例如：一、权电阻型一、权电阻型D/
10、A转换器转换器第二节第二节 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
11、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 网络型网络型D/A转换器转换器第二节第二节 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 D0IREF2/ IREF2/ IREFi 与权电阻网络相比，与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有电阻网络中只有R、2R两种阻两种阻值，从
12、而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。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 二、取样二、取样保持电路保持电路 所所谓谓取取样样就就是是将将一一个个时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换
13、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，只要取出信号的一个值，只要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地表达原模拟信号。表达原模拟信号。tf *(t)O76543211TS2TS取样信号取样信号3TS4TS5TS6TS7TS8TS第三节第三节 A/D转换器转换器 二、取样二、取样保持电路保持电路 由由于于对对模模拟拟量量进进行行量量化化的的过过程程需需要要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
14、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保持不变。值保持不变。 这这种种暂暂时时保保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，就就是是取取样样保保持持电电路路。右右图图是是一一种种常用的取样常用的取样保持电路。保持电路。 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S（t）持续时间持续时间tw内内 ，T导通。输入信号导通。输入信号uI经开经开关关T对电容对电容C进行充电。只要充进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间的持续
15、时间tw，则输出信则输出信号号uO就能跟踪输入信号就能跟踪输入信号uI的变的变化。化。 当取样脉冲结束，即在当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管时间内，场效应管T关断，因关断，因而电容器上电压而电容器上电压uC无泄放回路，无泄放回路，保持不变，则保持不变，则uO=-uC也保持不也保持不变。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范围内范围内变化。取变化。取3位二进制数代表位二进制数代表模拟输入模拟输入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
16、式，利用电阻分压化方式，利用电阻分压把标准电压把标准电压UREF分成分成8段段（量化阶梯），位数越（量化阶梯），位数越多，精度越高。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，另外两段间隔另外两段间隔（最初和最末）为（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入因此，输入模拟电压从模拟电压从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
17、不会超过会超过(1/14) UREF。010011100101110111 001是在是在(1/7)UREF时的时的值。值。在在(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，最大量化误差不会因此，最大量化误差不会超过超过(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分压器组分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q
18、2FF1Q1CP 由由7个个D触发器组成触发器组成的同步寄存的同步寄存器组。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 I 5/14UREF 由于各个比较器的工作过程几由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，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所有转换器的转换速率在所有A/D转换转换方案中是最高的。方案中是最高的。 但需要使用大量的比较器。但需要使用大量的比较器。D/ACD/ACD/AC第三节第三节 A/D转换器转换器 四、串
19、行比较型四、串行比较型A/D转换器转换器 串串行行比比较型型A/D转换器器让让模模拟拟信信号号依依时时间间顺顺序序通通过过一一连连串比较器，后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余。串比较器，后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余。 由由于于后后一一位位的的比比较较需需要要使使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可可能能做做得得很很高高。但但相相同同分分辨辨率率的的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较器。串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。 UREFuIC3D3uX3UR3uY3D2uX2UR2uY2C2D1uX1UR
20、1uY1C1D0 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结构简单之优点，构成了比较型结构简单之优点，构成了折中方案折中方案并并-串比较型串比较型A/D转换器器。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位位高位比较高位比较器器a 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还原为模拟电压，再与输入还原为模拟电压，再与输
21、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=（1/2）LSB=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
22、比较型逐次比较型ADC工作原理也可工作原理也可用天平测量质量来用天平测量质量来比照。比照。 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D/AC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=（1/2）LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2 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/
23、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/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
24、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
25、得uo1电压逐步下电压逐步下降，但还是正值，降，但还是正值， uo2为负为负值。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信号翻转信号翻转为高电平。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，寄存器输出可信号，寄存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(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
26、器器在在开开始始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行行积积分分，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行行积积分分，再再对对积积分分输输出出电电压压进进行行过零比较。过零比较。 UO2UO1斜率斜率UO1t0t1T1（常数）斜率斜率t2T2D的正向的正向电压电压-0.75V-0.75V（ t0tt1，uI0 ） 式中：式中：T1= t1 - t0, t0 = 0, uI0。（t t = = t t2 2） (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
27、/D转换器转换器U02U01斜率斜率U01t0t1T1（常数）斜率斜率t2T2D的正向的正向电压电压-0.75V-0.75V将将式（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转换器及其应用转换器及其应用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行号选择哪一路进行转换，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 ADDA=0 的情况的情况 1101IN6 8位逐次比位逐次比较寄寄
28、存器共可存器共可记录28 = 256 种不用状种不用状态。 开关开关树输出出UREF也也有有256个参考个参考电压，将，将UREF送入比送入比较器与器与输入入模模拟电压uI进行比行比较 。 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个输入通道，可直接选通个输入通道，可直接选通8路模拟量进行转换。路模拟量进行转换。 输出设有三态输出设有三态TTL锁存缓冲器，便于和各种微处理锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。机接口。 ADC0809的主要组成部分有的主要组成部分有8路模拟开关、地址译路模拟开关、地址译码、码、256个电阻组成的电阻网络和开关树、个电阻组成
29、的电阻网络和开关树、8位逐次比较位逐次比较寄存器、寄存器、8位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制电路。电路。 另外，另外，A/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理的频信号处理的- -型型A/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，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
30、、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，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低；但转换速率低； 逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度适中；逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度适中； 并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰。并行比较型转换速率高，但要求集成度高，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思考题：思考题： 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
