第十章 模拟量和数字量的转换

第十章模拟量和数字量的转换第一节数字－模拟转换器第二节模拟－数字转换器目录第一节数字－模拟转换器DAC基本概念DAC的电路结构及工作原理DAC的主要技术指标返回我们把从数字信号到模拟信号的转换成为数－模转换，或D/A转换；把从模拟信号到数字信号的转换成为模－数转换，或A/D转换。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC；实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC。返回传感器模拟信号ADC数字信号计算机DAC模拟控制返回ADC和DAC是将数字计算机应用于生产过程自动控制的桥梁。一、DAC基本概念返回DACDn-1Dn-2D0Uo1.DAC的基本框图DAC的输入是一个n位的二进制数D，表示为：D=Dn-1×2n-1+Dn-2×2n-2+…+D0×20经过DAC电路后输出为模拟电压Uo，其大小与输入的二进制代码的大小成比，设比例系数为K，则1o0D2niiiUK＝二、DAC的电路结构及工作原理1.T形电阻网络DACDAC包括权电阻网络、模拟开关和求和放大器三个部分。返回3R－＋＋Uo∞2RRRR2R2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDAT形电阻网络2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDAUD1000UDUR/24R同理:返回戴维宁等效电路D1=1等效电压源为UE=UR/23D2=1等效电压源为UE=UR/22D3=1等效电压源为UE=UR/21返回DAC等效电路3R－＋＋Uo∞R2RUE应用叠加原理电阻网络开路电压UE为：3210RE32104=(D2+D2+D2+D2)2UUoEE3==3RUUUR－－3R4=0=D22iiiU－返回当输入D是n位数字量时：-1Ro=0=D22niiniUU－T形电阻网络DAC的特点：电阻种类只有R和2R两种，便于集成和提高精度。返回2.倒T形电阻网络DACR－＋＋Uo∞2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URII=UR/RI/21I/22I/23I/243Ro4=0=D22iiiUU－当输入D是n位数字量时：-1Ro=0=D22niiniUU－返回三、DAC的主要技术指标1.分辨率数－模转换器的分辨率是指最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压（对应的输入二进制数的所有位全为1）之比。分辨率＝1/（2n－1）例如：常用的8位DAC的分辨率约为1/（28－1）≈0.004返回2.精度转换器的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.线性度通常用非线性误差的大小表示数－模转换器的线性度。4.输出电压（或电流）的建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定所需的时间，称为建立时间。5.电源抑制比输出电压的变化与相对应的电源电压变化之比，称为电源抑制比。返回例、已知倒T形电阻网络DAC的参考电压UR=10V，试求出4位和8位DAC的输出最小电压和输出最大电压。4位：omin410=1V=0.625V2U－－3210omax410=(2+2+2+2)V=9.375V2U－－8位：omin810=1V=0.039V2U－－8omax410=(21)V=9.96V2U－－－返回常用D／A转换器DAC08328位CMOSD/A转换器DAC100210位COMSD/A转换器AD7541A12位乘法型D/A转换器DAC6312位超高速D/A转换器DAC72918位超高分辨率D/A转换器并联比较型ADC逐次逼近型ADCADC的主要技术指标返回第二节模拟－数字转换器返回模拟－数字转换的过程包括取样、保持、量化、编码四个步骤。一般取样、保持用一个取样保持电路完成，量化与编码用ADC完成。一、并联比较型ADC包括分压器、比较器、编码器三部分：分压器将输入模拟量予以量化；再把得到的2N个量化电平与基准电压进行比较；再将比较结果进行编码，从而得到相应的数字量。编码器－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞RRRRRRREux8E28E38E48E58E68ER78EABCDEFGD0D1D2数字输出输入电压ux比较器输入编码器输入ABCDEFGD2D1D0Eux7E/811111111117E/8ux6E/811111101106E/8ux5E/811111001015E/8ux4E/811110001004E/8ux3E/811100000113E/8ux2E/811000000102E/8uxE/81000000001E/8ux00000000000优点：转换速度快。缺点：需要的比较器数目多，位数越多此矛盾越突出。返回返回二、逐次逼近型ADC逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数-模转换器和电压比较器等几部分组成。逐次逼近是由D/A转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压UA，把输入电压Ui逐次与这些已知电压进行比较而实现。顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输入电压Ui输出数字量dUA基准UR返回8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g8g13g，12g13g，14g13g，13g＝13g，2341砝码重比较判断顺序保留保留撤去保留其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：返回输出为四位逐次逼近A／D转换过程23411000UAUi6UAUi5.5留去留留4UAUi5UAUi“1”留否d3d2d1d0UA(V)顺序比较判断110010101011例、UR=8V，Ui=5.52V3210A321048(d2d2d2d2)2U转换数字量10114V+1V+0.5V=5.5V转换误差为–0.02V返回逐次逼近转换过程A/VU65432101011清零t5.52返回1.分辨率以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。3.转换速度完成一次转换所需要的时间，即从接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。2.相对精度实际转换值和理想特性之间的最大误差。三、ADC的主要技术指标返回常用A／D转换器ADC08098位逐次比较型A/D转换器AD574A12位A/D转换器AD7541A12位乘法型A/D转换器AD37512位高速A/D转换器ADC7116位高分辨率A/D转换器