第九章数模与模数转换PPT讲稿.ppt

第九章数模与模数转换第1页，共79页，编辑于2022年，星期二 数数/模与模模与模/数转运换器是计算机与外部数转运换器是计算机与外部设备的重要接口设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系也是数字测量和数字控制系统的重要部件。统的重要部件。能将数字量转换为模拟量的装置称为数能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模模转换器转换器(简称简称D/A转换器转换器);能将模拟量转换为能将模拟量转换为数字量的装置称为模数字量的装置称为模/数转换器数转换器(简称简称A/D转转换器换器)。数数/模与模模与模/数转换数转换第2页，共79页，编辑于2022年，星期二3、正确、正确理解理解D/A、A/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。1、掌握倒、掌握倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器(DAC)、集成、集成D/A转换转换器的工作原理及相关计算。器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器转换器(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。教学基本要求教学基本要求第3页，共79页，编辑于2022年，星期二A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模应力等物理量转换为模拟电量。拟电量。计算机进行数字处理计算机进行数字处理（如计算、滤波）、（如计算、滤波）、保存等保存等用模拟量作为控用模拟量作为控制信号制信号数字控制数字控制 计算机计算机 概述概述 第4页，共79页，编辑于2022年，星期二9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理 9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 9.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器 9.1.5 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标 9.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用 第5页，共79页，编辑于2022年，星期二将数字量转换为与之成正比模拟量将数字量转换为与之成正比模拟量 。n n位位数字量数字量1.1.概述概述 DAC 9.1 D/A转换器转换器模拟量模拟量1 1、数、数/模转换器模转换器:A=K D O=K NB 第6页，共79页，编辑于2022年，星期二 数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数从而实现数字量字量-模拟量的转换。模拟量的转换。实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120 将二进制数将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。转换为十进制数。9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理第7页，共79页，编辑于2022年，星期二 由于构成数字代码的每一位都有一定由于构成数字代码的每一位都有一定的的“权重权重”，因此为了将数字量转换成模，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将拟量，就必须将每一位代码按其每一位代码按其“权重权重”转换成相应的模拟量转换成相应的模拟量，然后再将代表，然后再将代表各位各位的模拟量相加的模拟量相加，即可得到与该数字量成正，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是比的模拟量，这就是构成构成D/A转换器的基转换器的基本思想。本思想。D/A 转换器转换器第8页，共79页，编辑于2022年，星期二 D/A转换器的组成转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字用存放在数字寄存器中的数字量寄存器中的数字量的各位数码的各位数码由输入数字量由输入数字量控制控制产生权电流产生权电流将权电流相加将权电流相加产生与输入成正比产生与输入成正比的模拟电压的模拟电压第9页，共79页，编辑于2022年，星期二 实现实现D/A转换的原理电路转换的原理电路，,第10页，共79页，编辑于2022年，星期二一、二进制权电阻一、二进制权电阻DAC 这种转换器由这种转换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权电阻求和权电阻求和网络网络”、“运算放大器运算放大器”和和“基准电源基准电源”等部分组成。等部分组成。UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR=80 k00111.四位二进制权电阻四位二进制权电阻DAC电路结构：电路结构：求和运放求和运放模拟模拟开关开关求和求和电阻电阻基准电压基准电压第11页，共79页，编辑于2022年，星期二 电子模拟开关电子模拟开关(S(S0 0-S-S3 3)由电子器件构成，其动作受二由电子器件构成，其动作受二进制数进制数D D0 0DD3 3 控制。当控制。当 D DK K1 1 时，则相应的开关时，则相应的开关S SK K 接接到位置到位置1 1上上，将基准电源，将基准电源U UR R经电阻经电阻R Rk k引起的电流接到运算引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中放大器的虚地点（如图中S S0 0、S S1 1）；当）；当D Dk k0 0 时，开关时，开关S Sk k 接到位置接到位置0 0 ，将相应电流直接接地而不进运放（如图，将相应电流直接接地而不进运放（如图中中S S2 2、S S3 3）。）。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k2.2.电子模拟开关电子模拟开关:第12页，共79页，编辑于2022年，星期二T1T2SDa电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路 当当 D D=1=1 时，时，T T2 2 管饱管饱和导通，和导通，T T1 1 管截止，则管截止，则 S S 与与 a a 点通点通 ；当当 D D=0=0 时，时，T T1 1 管饱管饱和导通，和导通，T T2 2 管截止，则管截止，则 S S 被接地被接地 。前者相当于开关前者相当于开关S 接到接到“1”端端，后者则，后者则 相当于开关相当于开关S 接到接到“0”端端。3.电子模拟开关简化原理电路电子模拟开关简化原理电路1 10 0第13页，共79页，编辑于2022年，星期二uo =-URRFR（）D3D0D1D223202122根据反相比例运算公式：根据反相比例运算公式：显然，显然，输出模拟电压的大小直接与输入输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大二进制数的大小成正比小成正比，从而实现了数字量，从而实现了数字量 到模拟量的转换到模拟量的转换。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k4.转换转换 计算计算uo =-RFiF第14页，共79页，编辑于2022年，星期二+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k第15页，共79页，编辑于2022年，星期二D/A转换器的组成转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字用存放在数字寄存器中的数字量寄存器中的数字量的各位数码的各位数码由输入数字量控由输入数字量控制制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压第16页，共79页，编辑于2022年，星期二 D/A转换器的分类转换器的分类:按解码网络结按解码网络结构分类构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开关按模拟电子开关电路分类电路分类 CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转转换换器器第17页，共79页，编辑于2022年，星期二9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器Di=0,Si则将电阻则将电阻2R接地接地 Di=1,Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器输输出出 模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于处于 何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地”或虚地或虚地。1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器基准电压基准电压 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器和权电阻网络相比，和权电阻网络相比，T形解码网络中电形解码网络中电阻的类型少，只有阻的类型少，只有R、2R两种，电路构两种，电路构成比较方便。成比较方便。00001111第18页，共79页，编辑于2022年，星期二D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16R R R R I/2I/4I/8I/16I/2I3 I2 I1 I0 流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3=VREF/2R I2=VREF/4R I1=VREF/8R I0=VREF/16 R 因此，每个因此，每个 2R支路中的电流也逐位减半。支路中的电流也逐位减半。第19页，共79页，编辑于2022年，星期二流入运放的总电流：流入运放的总电流：i I0+I1+I2+I3输出模拟电压：输出模拟电压：I3=VREF/2R I2=VREF/4R I1=VREF/8R I0=VREF/16 R 第20页，共79页，编辑于2022年，星期二4 4 位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络DAC的输出模拟电压：的输出模拟电压：n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DAC有：有：令：令：则则 O=K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电，均能得到与之成正比的模拟电压输出。压输出。第21页，共79页，编辑于2022年，星期二例：若例：若UR=10V，数字量，数字量D4D3D2D1D0=10011,求求转换后的输出模拟电压（设转换后的输出模拟电压（设R=RF=10K）？）？解：解：第22页，共79页，编辑于2022年，星期二数数/模与模模与模/数转换数转换例：若例：若UREF =10V，数字量，数字量d4d3d2d1d0=10011，求转换后，求转换后的输出模拟电压（设的输出模拟电压（设R=RF=10K）？）？第23页，共79页，编辑于2022年，星期二AD7533D/A转换器转换器使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放，2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻也可采用外接电阻）2.2.集成集成D/A转换器转换器10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 第24页，共79页，编辑于2022年，星期二关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2)倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(3)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。为提高为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等第25页，共79页，编辑于2022年，星期二Di=1时，开关时，开关S Si i接运放的反相端接运放的反相端;Di=0时，开关时，开关S Si i接地接地。9.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器1.4位权电流位权电流D/A转换器转换器第26页，共79页，编辑于2022年，星期二在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。第27页，共79页，编辑于2022年，星期二实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路电压恒定电压恒定各各BJT的的 发射结发射结电压相等电压相等基准电流产生电路基准电流产生电路+-第28页，共79页，编辑于2022年，星期二9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系 00000000 10000000 11111110 00000001 10000001 11111111模拟量模拟量 数字量数字量 MSB LSB第29页，共79页，编辑于2022年，星期二常用双极性编码 十十进进 制制数数 2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模模拟拟量量D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0/VLSB 12701111111111111111271260111111011111110126 100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1 -1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256 第30页，共79页，编辑于2022年，星期二 第31页，共79页，编辑于2022年，星期二9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率转换器的分辨率越高。越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。给出。n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为1、分辨率、分辨率第32页，共79页，编辑于2022年，星期二2、转换精度：、转换精度：n转换精度是指对给定的数字量，转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论转换器实际值与理论值之间的最大偏差。值之间的最大偏差。n产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器转换器中各元件参数值存在误差，如基中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。n几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等第33页，共79页，编辑于2022年，星期二3、建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。4、温温度度系系数数在在输输入入不不变变的的情情况况下下，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量，一一般般用用满满刻刻度度输输出出条条件件下下温温度度每每升升高高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。，输出电压变化的百分数作为温度系数。5、电电源源抑抑制制比比输输出出电电压压的的变变化化量量与与相相对对应应的的电电源源电电压压变变化化量量之之比比，定定义义为为电电源源抑抑制制比比，要要求求电电源源电电压压变变化化时时，对对输输出出电压的影响越小越好电压的影响越小越好 第34页，共79页，编辑于2022年，星期二9.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D 2 D 7 O D 0 D 1 2R 2R 2R 2R R R R D 8 D 9 R R R I 2R 2R 2R -+R F I OUT1 I OUT 2 V REF 第35页，共79页，编辑于2022年，星期二 D 2 D 7 O D 0 D 1 2R 2R 2R 2R R R R D 8 D 9 R R R I 2R 2R 2R -+R F I OUT1 I OUT 2 V REF O -+R I OUT2 I I OUT1 倒倒T形电阻网络形电阻网络O V I A u u=Iout1out1 I0 0+I1 1+I2 2+I9 9根据虚断有根据虚断有:第36页，共79页，编辑于2022年，星期二(2)脉冲波产生电路脉冲波产生电路 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：和与非门构成十进制计数器：00001001第37页，共79页，编辑于2022年，星期二9.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用 9.2 A/D 转换器转换器9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 第38页，共79页，编辑于2022年，星期二概述概述ADCDnD0 输出数字量输出数字量输入模拟电压输入模拟电压 能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能功能:9.2 A/D 转换器转换器第39页，共79页，编辑于2022年，星期二模模/数转换器（数转换器（ADCADC）A/D变换器的任务是变换器的任务是将模拟量转换成数字量将模拟量转换成数字量,它是模拟信号它是模拟信号和数字仪器的接口。和数字仪器的接口。由由于于输输入入的的模模拟拟信信号号在在时时间间上上是是连连续续量量，所所以以一一般般的的A/DA/D转转换换过程为：过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。第40页，共79页，编辑于2022年，星期二2.A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s,但电路复杂。但电路复杂。逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s,转换精度高，在转换速度转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型双积分型 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。第41页，共79页，编辑于2022年，星期二取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样，保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。第42页，共79页，编辑于2022年，星期二1.取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在转换为在时间离散的时间离散的模拟量模拟量。采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采得信的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定信号。合理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频率为的频率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最高频率分的最高频率分量的频率为量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合 S(t)=0:开关断开开关断开只有当只有当取样频率在大于模拟信号最高频率分量的取样频率在大于模拟信号最高频率分量的2倍时倍时，所采集的信号，所采集的信号样值才能不样值才能不失真失真地扫映原来模拟信号的变化规律地扫映原来模拟信号的变化规律第43页，共79页，编辑于2022年，星期二采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。间。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理 第44页，共79页，编辑于2022年，星期二 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:取样取样-保持电路的种类很多，下面分析一种电路：保持电路的种类很多，下面分析一种电路：控制信号控制信号uL=1时，时，T导通导通ui经电阻经电阻Ri和和T向电容向电容C充电充电充电结束后充电结束后 uO=-uI=uC控制信号控制信号uL=0时，时，T截止，截止，Ch无放电回路，无放电回路，uO保持保持NMOS管，作为管，作为开关开关用用第45页，共79页，编辑于2022年，星期二2.量化与编码量化与编码 数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需按保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。个最小数量单位的整数倍。量量化化与与量量化化单单位位任任何何一一个个数数字字量量的的大大小小，都都是是以以某某个个最最小小数数量量单单位位的的整整数数倍倍来来表表示示的的。因因此此，在在用用数数字字量量表表示示取取样样电电压压时时，也也必必须须把把它它化化成成这这个个最最小小数数量量单单位位的的整整数数倍倍，这这个个转转化化过过程程就就叫叫做做量量化化。所规定的所规定的最小数量单位叫做量化单位，最小数量单位叫做量化单位，用用表示表示。量化量化第46页，共79页，编辑于2022年，星期二编编码码把把量量化化的的数数值值用用二二进进制制代代码码表表示示，称称为为编码。编码。它就是它就是A/D转换的输出信号。转换的输出信号。3.编码编码量化后的数值最后还需通过编码过程用一个量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。第47页，共79页，编辑于2022年，星期二在量化过程中由于所采样电压不一定能被在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量化前后一定存整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越转换器的位数越 多，多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式量化方式第48页，共79页，编辑于2022年，星期二011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后 电压电压a)只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位1/8V=1LSB=1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码第49页，共79页，编辑于2022年，星期二b)四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟 电平电平=1LSB=2/15 V1/15V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码第50页，共79页，编辑于2022年，星期二9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 电压比较器电压比较器输入模输入模拟电压拟电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/15 3VREF/15 7VREF/15 9VREF/15 11VREF/15 5VREF/15 13VREF/15 输出输出数字数字量量1、电路组成、电路组成 寄存器寄存器第51页，共79页，编辑于2022年，星期二VI=8VREF/1511110000 0 1VREF/15 3VREF/15 7VREF/15 9VREF/15 11VREF/15 5VREF/15 13VREF/15 第52页，共79页，编辑于2022年，星期二 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存储，经优先编码器编码，触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。得到数字量输出。第53页，共79页，编辑于2022年，星期二（三）并行比较型（三）并行比较型A/DA/D转换器特点转换器特点1.1.由于转换是并行的，其转换时间只受比较器和编由于转换是并行的，其转换时间只受比较器和编码器延迟时间限制，因此码器延迟时间限制，因此转换速度最快转换速度最快。2.2.随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，一个一个n n位位的转换器，所用的比较器个数为的转换器，所用的比较器个数为2 2n n 11,如一个如一个8 8位位并行并行A/DA/D转换器就需要转换器就需要2 28 8-1=255-1=255个比较器。个比较器。因此因此制成分辨率较高的制成分辨率较高的集成并行集成并行A/DA/D转换器是比较困难的。转换器是比较困难的。3.3.比较器和寄存器兼有取样保持功能，因此并行比较型比较器和寄存器兼有取样保持功能，因此并行比较型A/DA/D转换器，转换器，不需附加取样保持电路。不需附加取样保持电路。第54页，共79页，编辑于2022年，星期二3、电路特点：、电路特点：在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输入端。同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I输入时刻同时获输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电个电阻。位数越多，电路越复杂。阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012(TTL工艺工艺8位位)、AD9002(ECL工艺，工艺，8位位)、AD9020(TTL工艺，工艺，10位位)等。等。第55页，共79页，编辑于2022年，星期二所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，1克砝码保留克砝码保留13 克克1.转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx=13克。克。第56页，共79页，编辑于2022年，星期二比较步骤：转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转换器的数字量也全是0，转换控制信号变为高电平时开始第57页，共79页，编辑于2022年，星期二1.转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：模拟量与基准电压逐次加以模拟量与基准电压逐次加以比较，从最大的一位基准码比较，从最大的一位基准码开始比较。开始比较。将基准电压分成若干将基准电压分成若干位基准码，每位权重位基准码，每位权重由数码的编码确定由数码的编码确定存放转换结果，存放转换结果，并提供并提供D/A转转换的输入量换的输入量将数字量从高将数字量从高位到低逐位送位到低逐位送到数据寄存器到数据寄存器第58页，共79页，编辑于2022年，星期二1.1.转换原理转换原理 第二个第二个CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V第59页，共79页，编辑于2022年，星期二1.转换原理转换原理 第三个第三个CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V第60页，共79页，编辑于2022年，星期二1 0 0 0 0 0 0 0 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 11 1 0 0 0 0 0 01 0 1 0 0 0 0 01 0 1 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 01 0 1 0 1 1 0 01 0 1 0 1 1 1 01 0 1 0 1 1 1 1第61页，共79页，编辑于2022年，星期二2 2四位逐次比较型四位逐次比较型A/DA/D型转换器的逻辑电路型转换器的逻辑电路第62页，共79页，编辑于2022年，星期二小结：小结：1、逐次比较型逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；精度越高；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与转换器完成一次转换所需时间与其位数其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短率越高，转换所需时间越短；第63页，共79页，编辑于2022年，星期二9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器1、双积分式双积分式A/D转换器的基本指导思想转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式量输出。双积分式A/D转换器也称为电压时间数字式转换器也称为电压时间数字式积分器积分器。第64页，共79页，编辑于2022年，星期二1、电路组成：、电路组成：由积分器、过零比较器（由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数）和定时器、计数器（器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。第65页，共79页，编辑于2022年，星期二0 00 00 00 00 0Cr信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2 使使电容的初始电压为电容的初始电压为0。2、工作原理、工作原理 准备阶段：准备阶段：第66页，共79页，编辑于2022年，星期二经过经过2n个个CP(2)第一次积分：第一次积分：t=t0时，开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分。积分。经经2n个个CP后后,开关切换到开关切换到B，=VP。第一积分时间为第一积分时间为2nTC第67页，共79页，编辑于2022年，星期二VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时时积分器输出电压积分器输出电压 O0，比较器输出，比较器输出 C=0，时钟脉冲控制门，时钟脉冲控制门G被关闭，计数被关闭，计数停止。停止。(3)(3)第二次积分：第二次积分：第68页，共79页，编辑于2022年，星期二工作原理：工作原理：（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段（1）准备阶段：）准备阶段：计数器清零，计数器清零，积积分电容放电，分电容放电，uo=0V t=0时，开关时，开关S1与与A端接通，端接通，输入电压输入电压uI加到积分器的输加到积分器的输入端。积分器从入端。积分器从0开始积分：开始积分：由由于于uO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关被关闭，计数停止。闭，计数停止。第70页，共79页，编辑于2022年，星期二在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写为：的表达式可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。上式表明，上式表明，计数器中所计得的数计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输入电压的平均值内输入电压的平均值VI成正比成正比。只要。只要VIVREF，转换器就能将输入，转换器就能将输入电压转换为数字量。电