模拟量与数字量转换,电子技术

第8章模拟量与数字量转换概述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…信号放大多路开关一、D/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第1节D/A转换器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2．D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率指分辨最小电压的能力。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。121nREFLSBVV满量程输出电压最小输出电压分辨率（2）输出电压(电流)的建立时间输入数字量为全0到全1，输出电压达到稳定值所需要的时间。超高速（100nS);较高速(100nS~1S)；高速(1~10S)；中速(10~100S）；低速（100S）。（3）转换误差一般用最低有效位为1时输出电压的1/2来表示。失调误差增益误差非线性误差二、D/A转换器的构成1．二进制权电阻网络D/A转换器R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248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，各支路的电流不变的。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222(22001122334oddddViRiRuREFFF设RF=R/2输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，实现了数字量到模拟量的转换。10122niiinRfoDRURU对于权电阻DAC而言，n位二进制数转换为模拟量：1022niiinRoDUURRf212.倒T型电阻网络D/A转换器RRR2R2R2R2R2RRFI1I'1I'2I'3I'0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+BCDA①分别从虚线A、B、C、D处向右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。从参考电压端输入的电流为：RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF161618814412210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I'1I'2I'3I'0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I'1I'2I'3I'0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+BCDA三、集成D/A转换器及其应用DAC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDLCEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832简化电路框图八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位变换器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11本节小结D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器两大类。由于倒T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：)2222(200112211oddddVunnnnnREF第2节A/D转换器A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。一、A/D转换器的基本原理1．A/D转换器的基本原理取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号数字信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都离散模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。取样、保持vIvSS(t)(a)取样电路示意图vItOt1t2t3t4t5(b)输入模拟信号S(t)tt1t2t3t4t5tW(c)取样脉冲tt1t2t3t4t5(d)取样信号vSTStt1t2t3t4t5(e)取样保持信号vOOOO取样时间(tW)保持时间(TS－tW)（１）取样、保持取样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，取样值取决于取样时间内输入模拟信号的大小。根据取样定理，取样频率的选取一般为：ImaxS3~5.2ffvIS(t)vO＋－A7取样－保持电路C(a)S＋－A1LvIS(t)＋－A2vOCk30300RPVB6541238（外接）调零（外接）(b)V＋V－要对模拟信号的取样值进行量化和编码，必须使取样值保持一定的时间。取样和保持是由取样－保持电路完成的。模拟电压vI/V量化值二进制数输出765432107.56.55.54.53.52.51.50.57Δ=7V1116Δ=6V1105Δ=5V1014Δ=4V1003Δ=3V0112Δ=2V0101Δ=1V0010Δ=0V000量化方法之一有舍有五入法（２）量化、编码用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小数量单位(1LSB)的整数倍，这一转换过程称为量化，所取的最小单位称为量化单位，用Δ表示，Δ=1LSB。将量化的结果转化为对应的代码，称为编码。实际输入电压值与量化值之间的偏差称为量化误差。四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化取整。最大量化误差为Δ/2。模拟电压vI/V量化值二进制数输出876543217=7V1116=6V1105=5V1014=4V1003=3V0112=2V0101=1V0010=0V000量化方法之二只舍不入法0舍去小数量化法：舍去小数直接取整，最大量化误差为△。完成量化编码工作的电路是ADC。按工作原理不同，可分为直接ADC和间接ADC。直接ADC是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比较型ADC和逐次比较型ADC。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，如双积分型ADC。2．A/D转换器的主要技术指标（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）转换误差在零点和满度都校准以后，整个转换范围内实测值与理论值之间的最大偏差。通常以LSB为单位，以相对误差的形式来表示。（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。二、A/D转换器的类型直接型A/D转换器间接型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器并联比较型A/D转换器双积分型ADC1、并联比较型-++-++-++-++-++-++-++uiUsRRRRRRRRD2D1D0数字输出AGFECDB编码器7Us/86Us/85Us/84Us/83Us/82Us/8Us/8优点是转换速度快，缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。三位并联比较由以下3部分组成：比较器：由７个电压比较器组成，“＋”输入端接输入电压ui，“－”输入端接一定值的比较电压uR，若uiuR，比较器输出为1，反之输出为0。分压电阻链：由８个电阻组成，将基准电压进行分压，获得７个比较器的比较电压uR。８线－３线优先编码器：输入、输出均为高电平有效（具有优先级）。比较器输入7Us/8uiUs6Us/8ui7Us/85Us/8ui6Us/84Us/8ui5Us/83Us/8ui4Us/82Us/8ui3Us/81Us/8ui2Us/80ui1Us/8ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ui11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表2、逐次逼近式ADC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=13.4克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重待测重量Wx，故保留砝码总重仍待测重量Wx，故保留砝码总重待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克结论数模转换器逐次逼近寄存器控制电路顺序脉冲发生器数字量输出时钟脉冲电压比较器Muoui原理框图QARASAQBRBSBQCRCSC&&&3位数模转换器&&&Q1Q2Q3Q4Q5B2(22)B1(21)B0(20)CPuiuo顺序脉冲发生器0000000000000000CP10000010000100001CP0100010000100000CP120100000100010001CP10110000100010000CP1230110000001001001CP1241111000010000101CP1230110000000000100CP123450110000000000011110CP12340000000000000000CP1234551111000001001000CP123四、集成ADC集成ADC：逐次比较型、双积分型等；8位、12位、20位等集成ADC0809：8位、前置8选1模拟开关、后置三态输出数据锁存器，另有相应的控制端，便于程序控制，易于直接微机。思考题1、DAC和ADC有什么用途?2、R-2RT形电阻网络有什么特点？为什么通常采用R-2RT形电阻网络DAC而不用权电阻DAC?3、什么是DAC、ADC的分辨率和转换精度？4、比较并联比较型ADC和逐次比较型DAC的优缺点?习题：P3988.4.1，8.4.6That’sall!Thanksforyourcoo