第10章 模拟量与数字量的转换

主编李中发制作李中发2004年1月电子技术基础第10章模拟量与数字量的转换学习要点•数模转换器的组成和工作原理•模数转换器的组成和工作原理10.1数模转换器10.2模数转换器第10章模拟量与数字量的转换10.1数模转换器能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC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。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大…功率放大执行机构…执行机构加热炉…加热炉温度传感器…温度传感器信号放大…信号放大多路开关10.1.1T型电阻网络数模转换器10101010RRR2R2R2R2RRfS0S3S2S1d3d0d1d2URuoA∞－++2R2R数码di=1（i=0、1、2、3），即为高电平时，则由其控制的模拟电子开关Si自动接通左边触点，即接到基准电压UR上；而当di=0，即为低电平时，则由其控制的模拟电子开关Si自动接通右边触点，即接到地。RRR2R2R2R2RURA2RRfuo∞－++2Rd3d2d1d0=0001时的电路：用戴维南定理从左至右逐级对各虚线处进行等效。UR21RRR2R2RARfuo∞－++2R2RRUR22RRR2R2RARfuo∞－++2RUR23RR2RARfuo∞－++2RUR24RARfuo∞－++2R由图可得输出电压为：4Rf4Rfo02322RURURRRu由于d0=、d3=d2=d1=0，所以上式又可写为：04Rfo023dRURu同理，当d3d2d1d0=0010时的输出电压为：13Rfo123dRURu当d3d2d1d0=0100时的输出电压为：22Rfo223dRURu当d3d2d1d0=1000时的输出电压为：31Rfo323dRURu应用叠加原理将上面4个电压分量叠加，即得T形电阻网络数模转换器的输出电压为：)2222(2323232323001122334Rf31Rf22Rf13Rf04Rfo3o2o1o0oddddRURdRURdRURdRURdRURuuuuu当取Rf=3R时，则上式成为：)2222(2001122334RoddddUu如果输入的是n位二进制数，则：)2222(200112211RoddddUunnnnn括号中的是4位二进制数按权的展开式。可见，输入的数字量被转换为模拟电压，而且输出模拟电压uo与输入的数字量成正比。当输入信号00000123dddd时，输出电压0ou；当输入信号00010123dddd时，输出电压Ro161Uu，…，当输入信号11110123dddd时，输出电压Ro1615Uu。S0S3S2S110101010RRFd3d0d1d2URuo∞－++RR2R2R2R2R2RIRABCD①分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。从参考电压UR处输入的电流IR为：RUIRR10.1.2倒T型电阻网络数模转换器S0S3S2S110101010RRFd3d0d1d2URuo∞－++RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0IRUIIRUIIRUIIRUIIRRRFRRRR403122132161281241221各支路电流IR为：S0S3S2S110101010RRFd3d0d1d2URuo∞－++RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0I)2222(200112233433221100ddddRUdIdIdIdIIREF)2222(2001122334oddddRRUIRuFRF10.1.3集成数模转换器及其应用0.1μFIoUR(+5V)UEE(-5V)11621531441351261171089DAC0808NCGNDUEEIod7d6d5d4COPUR(-)UR(+)UCCd0d1d2d35131467158921011412316DAC0808UCC(+5V)2.4kΩ2.4kΩRLd0d1d2d3d4d5d6d7(a)(b)（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。001.0102311211010.1.4数模转换器的主要技术指标10.2.1逐次逼近型模数转换器输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理10.2模数转换器4位逐次逼近型A/D转换器G5G6G7G1G2G3G4Q1Q2Q3Q4Q5uiDCDCDCDCDC&&&≥1≥1&uoCuAd3(23)d2(22)d1(21)d0(20)FBQJKFAQJKFCQJK4位D/A转换器F1F2F3F4F5－++∞AFDQJK≥1&&&&d3d2d1d0CCCCG8G9G10G11工作原理为了分析方便，设D/A转换器的参考电压为UR=8V，输入的模拟电压为ui=4.52V。转换开始前，先将逐次逼近寄存器的4个触发器FA～FD清0，并把环形计数器的状态置为Q1Q2Q3Q4Q5=00001。第1个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器右移一位，其状态变为10000。由于Q1=1，Q2、Q3、Q4、Q5均为0，于是触发器FA被置1，FB、FC和FD被置0。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1000，D/A转换器的输出电压为：V48168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=0。第2个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为01000。这时由于uA=0，Q2=1，Q1、Q3、Q4、Q5均为0，于是触发器FA的1保留。与此同时，Q2的高电平将触发器FB置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1100，D/A转换器的输出电压为：V6)48(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=1。第3个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00100。这时由于uA=1，Q3=1，Q1、Q2、Q4、Q5均为0，于是触发器FA的1保留，而FB被置0。与此同时，Q3的高电平将触发器FC置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1010，D/A转换器的输出电压为：V5)28(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=1。第4个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00010。这时由于uA=1，Q4=1，Q1、Q2、Q3、Q5均为0，于是触发器FA、FB的状态保持不变，而触发器FC被置0。与此同时，Q4的高电平将触发器FD置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1001，D/A转换器的输出电压为：V5.4)18(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比较器中比较，由于uoui，所以比较器的输出电压为uA=0。第5个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00001。这时由于uA=0，Q5=1，Q1、Q2、Q3、Q4均为0，于是触发器FA、FB、FC、FD的状态均保持不变，即加到D/A转换器输入端的代码为d3d2d1d0=1001。同时，Q5的高电平将门G8～G11打开，使作为转换结果通过门G8～G11送出。这样就完成了一次转换。转换过程如表所示。顺序脉冲d3d2d1d0uo/V比较判断该位数码1是否保留123410001100101010014654.5uouiuouiuouiuoui保留除去除去保留10.2.2集成模数转换器及其应用(20)+5VUin(+)VCCD0Uin(-)D1AGNDD2ADC0801D3UR/2D4CLKRD5D6CLKinD7CSRDWRDGNDINTR1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ+5V(1)(2)(10)(6)(7)(8)(9)(19)(4)(18)(17)(16)(15)(14)(13)(12)(11)(5)(3)LED输入模拟电压ui0~5V调节时钟频率R10kΩC150pF空脚（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，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。（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。10.2.3模数转换器的主要技术指标