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第九章 数模转换第一页，本课件共有24页第九章第九章 数数/模与模模与模/数转换电路数转换电路9.1 D/A转换器转换器 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.2 A/D转换器转换器 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器转换器重庆工学院电子信息与自动化学院重庆工学院电子信息与自动化学院重庆工学院电子信息与自动化学院重庆工学院电子信息与自动化学院第二页，本课件共有24页9.1 D/A转换器转换器一一 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。模拟转换。第三页，本课件共有24页二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。第四页，本课件共有24页基准电流基准电流:I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 输出电压：输出电压：总电流：总电流：其中：其中：分析计算：分析计算：EWB演示演示D/A转换器转换器第五页，本课件共有24页三三 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。图示为一图示为一4位权电流位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到转换器原理电路。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。第六页，本课件共有24页四四.D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0808是是8位位权权电电流流型型D/A转转换换器器，其其中中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。使使用用时时，需需要要外外接接运运算算放放大大器器和和产产生生基基准准电电流流用用的的电阻电阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：第七页，本课件共有24页DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）第八页，本课件共有24页1.转换精度转换精度 五五 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2 2）转换误差）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。比例系数误差、失调误差、非线性误差。此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压(数数字字量量：00000001)与与最最大大输输出出电电压压(数数字字量：全量：全1）之比来表示分辨率，）之比来表示分辨率，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/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3.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出条件下温度每升高输出条件下温度每升高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。（2 2）转换速率（）转换速率（SRSR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1 1）分辨率分辨率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。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常常用用数数字字量量的的位数表示位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。（1 1）建建立立时时间间（t tsetset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电电压压变变化化到到相相应应稳稳定定电电压压值值所需时间。最短可达所需时间。最短可达0.1S0.1S。vO=-KNB最小最小 vO=-KNB=-K1 最大最大 vO=-KNB=-K(2n-1)第九页，本课件共有24页9.2 A/D转换器转换器一一A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。第十页，本课件共有24页二二 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）:当当vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经经Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。vO=vI=vC。当当vL返回低电平后，返回低电平后，T截止。截止。Ch无放电回路，所以无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。第十一页，本课件共有24页01tvI00110110vIt基本原理：基本原理：三三 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器第十二页，本课件共有24页3位并行比较型位并行比较型A/D转换器转换器第十三页，本课件共有24页 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（1/15 3/15）VREF（3/15 5/15）VREF（5/15 7/15）VREF（7/15 9/15）VREF（9/15 11/15）VREF（11/15 13/15）VREF（13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1第十四页，本课件共有24页输输 入入输输 出出 EI I0 I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GS EO11111101111111111110000000100100101001101001001110110100111110001001111110101001111111100100111111111101集成优先编码器集成优先编码器7414874148（8 8线线-3-3线）线）第十五页，本课件共有24页四四 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器1 转换原理：转换原理：Gd3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：第十六页，本课件共有24页2 转换框图：转换框图：第十七页，本课件共有24页 3 逻辑电路逻辑电路101111110100001111001010011111101101010100第十八页，本课件共有24页五双积分型五双积分型A/D转换器转换器 它它由由积积分分器器、过过零零比比较较器器（C）、时时钟钟脉脉冲冲控控制制门门（G）和和定定时时器器、计计数数器器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。第十九页，本课件共有24页（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段 计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电，vO=0V 。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：第二十页，本课件共有24页由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，计被关闭，计数停止。数停止。同时，同时，N级计数器又从级计数器又从0开始计数。开始计数。第二十一页，本课件共有24页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，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输入内输入电压的平均值电压的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。，转换器就能将输入电压转换为数字量。T2=TC 第二十二页，本课件共有24页六六 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分分辨辨率率说说明明A/D转转换换器器对对输输入入信信号号的的分分辨辨能能力力。一一般般以以输输出出二二进进制制（或或十十进进制制）数数的的位位数数表表示示。因因为为，在在最最大大输输入入电电压压一一定定时时，输输出出位位数数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度 例如，相对误差例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出出数数字字量量之之间间的差别。常用最低有效位的倍数表示。的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字信信号号所所经经过的时间。过的时间。并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换换器器次次之之；间间接接A/D转转换换器器的的速速度最慢。度最慢。第二十三页，本课件共有24页本章小结本章小结1 1A/DA/D和和D/AD/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器的的主主要要技技术术参参数数是是转转换换精精度度和和转转换换速速度度，在在与与系系统统连连接接后后，转转换换器器的的这这两两项项指指标标决决定定了了系系统统的的精精度度与与速速度度。目目前前，A/DA/D与与D/AD/A转转换换器器的的发发展展趋趋势势是是高高速速度度、高高分分辨辨率率及及易易于于与与微微型型计计算算机机接接口口，用用以以满满足各个应用领域对信号处理的要求。足各个应用领域对信号处理的要求。2 2倒倒T T型型电电阻阻网网络络D/AD/A转转换换器器中中电电阻阻网网络络阻阻值值仅仅有有R R和和2 2R R两两种种，各各2R2R支支路路电电流流I Ii i与与D Di i数数码码状状态态无无关关，是是一一定定值值。由由于于支支路路电电流流流流向向运运放放反反相相端端时时不不存存在在传输时间，因而具有较高的转换速度。传输时间，因而具有较高的转换速度。3 3在在权权电电流流型型D/AD/A转转换换器器中中，由由于于恒恒流流源源电电路路和和高高速速模模拟拟开开关关的的运运用用使使其其具具有有精度高、转换快的优点，双极型单片集成精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/AD/A转换器多采用此种类型电路。转换器多采用此种类型电路。4 4不不同同的的A/DA/D转转换换方方式式具具有有各各自自的的特特点点，并并行行A/DA/D转转换换器器速速度度高高；双双积积分分A/DA/D转转换换器器精精度度高高；逐逐次次比比较较型型A/DA/D转转换换器器在在一一定定程程度度上上兼兼有有以以上上两两种种转转换换器器的优点，因此得到普遍应用。的优点，因此得到普遍应用。第二十四页，本课件共有24页