第9章 模拟量与数字量的转换

中国水利水电出版社数字电子技术（第二版）第9章模拟量与数字量的转换学习要点•理解数模与模数转换的基本原理•了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法9.1数模转换器9.2模数转换器第9章模拟量与数字量的转换9.1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9.1.1D/A转换器的基本原理1．D/A转换器的基本原理和转换特性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，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的转换。基本原理uo或io输出D/Ad0d1dn－1输入…)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000001010011100101110111uo(V)D转换特性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：)2222(00112211oddddKunnnnu9.1.2T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=1、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9.1.3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ddddRRUIRuFRF9.1.4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9.1.5数模转换器的主要技术指标9.2.1A/D转换器的基本原理1．A/D转换器的基本原理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路CPSSCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)…模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。9.2模数转换器2．采样-保持电路t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。采样定理：max2isff∞-+Δ+CHuoui∞-+Δ+采样脉冲开关驱动电路SA1A2uo,uiuoui0t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t9.2.2并联比较型模数转换器ui1DC11DC11DC11DC11DC11DC11DC1&&&&&&URd2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1RRRRRRRCP比较器寄存器编码器F7F6F5F4F3F2F1++-∞C7++-∞C6++-∞C5++-∞C4++-∞C3++-∞C2++-∞C12R20≤ui＜UR/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。UR/14≤ui＜3UR/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。3UR/14≤ui＜5UR/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝010。5UR/14≤ui＜7UR/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。ui1DC11DC11DC11DC11DC11DC11DC1&&&&&&URd2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1RRRRRRRCP比较器寄存器编码器F7F6F5F4F3F2F1++-∞C7++-∞C6++-∞C5++-∞C4++-∞C3++-∞C2++-∞C12R2输入模拟电压寄存器状态输出二进制数uiQ7Q6Q5Q4Q2Q2Q1d2d1d0REFV)~0(1410000000000REFV)~(1431410000001001REFV)~(1451430000011010REFV)~(1471450000111011REFV)~(1491470001111100REFV)~(14111490011111101REFV)~(141314110111111110REFV)1~(141311111111119.2.3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