《数模模数转换》PPT课件.ppt

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1、第十一章第十一章 数数-模（模（D/AD/A）和模）和模-数（数（A/DA/D）转换）转换11.1 概述概述计计算算机机模模拟拟信信号号模模拟拟信信号号A/DD/AA/D：Analog to DigitalD/A：Digital to Analog分类分类一、电路结构和工作原理一、电路结构和工作原理11.2.1 11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器权电阻权电阻是指电阻值的大小，是指电阻值的大小，有关有关数字量数字量的的权权重密切相关重密切相关优缺点：优缺点：1.1.优点：简单优点：简单2.2.缺点：电阻值缺点：电阻值相差大，难于相差大，难于保证精度，且保证精度，且大电阻不

2、宜于大电阻不宜于集成在集成在ICIC内部内部11.2.2 11.2.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC希望用较少类型的电阻，仍然希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流能得到一系列权电流RRRR11.2.3 11.2.3 权电流网络型权电流网络型 D/A D/A 转换器转换器 +-voR-VREFI/16I/8I/4I/2S0S1S2S3iID0D1D2D3vo I R24(8 D3 +4 D2 +2 D1 +D0 )=每个支路每个支路电流的大小，电流的大小，与有关数字量与有关数字量的权重密切相的权重密切相关。关。11.2.6 11.2.6 具有双极性输出的具有双极性输出的DA

3、CDAC补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V一、原理一、原理例：输入为例：输入为3 3位二进制位二进制补码。最高位为符号补码。最高位为符号位，正数为位，正数为0 0，负数为，负数为1 1当输入数字量有当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压极性时，希望输出的模拟电压也对应为也对应为。原码输入原码输入对应对应的的输出输出偏移后偏移后的输出的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011

4、+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为01二、电路实现二、电路实现*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为将输出偏移使输入为100100时，输出为时，输出为0 011.2.7 DAC11.2.7 DAC的转换精度与速度的转换精度与速度一、转换精度一、转换精度1.1.分辨

5、率（理论精度）分辨率（理论精度）用输入数字量的二进制数码位数给出用输入数字量的二进制数码位数给出n n位位DAC,DAC,应应能输出能输出0 02 2n n-1-1个不同的等级电压，区分出输入的个不同的等级电压，区分出输入的000000到到111111，2 2n n 个不同状态个不同状态用输入数字量的用输入数字量的有效位数有效位数来表示分辨率来表示分辨率用用D/AD/A转换器能够分辨出来的转换器能够分辨出来的最小输出电压最小输出电压与与最大输出电压最大输出电压之比之比例如，对一个十位例如，对一个十位D/AD/A转换器来说转换器来说 210 1110231 0.00111.2.7 DAC11.2

6、.7 DAC的转换精度与速度的转换精度与速度用最低有效位的倍数来表示用最低有效位的倍数来表示有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示一、转换精度一、转换精度2.2.转换误差（实际精度）转换误差（实际精度）表示实际的表示实际的DACDAC转换特性和理想转换特性之间的最大偏差转换特性和理想转换特性之间的最大偏差 造成转换误差的造成转换误差的原因原因主要有主要有：参考电压参考电压 V VREFREF的波动的波动 ；运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移 ；模拟开关的导通内阻和导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压 ；电阻网络中的电阻值偏差电阻网络中

7、的电阻值偏差 ；.误差分析误差分析二、二、D/A转换器的转换器的转换速度转换速度 为了便于定量地描述为了便于定量地描述D/A转换器的转换转换器的转换 度度，定义了定义了建立时间建立时间 tSet 建立时间建立时间 tSet 通常以大信号工作情况下通常以大信号工作情况下 (输入由全输入由全 0 变为变为全全 1 或者由全或者由全 1 变为变为 全全 0)输出电压到达某一输出电压到达某一规定值所需要的时规定值所需要的时 间定为建立时间间定为建立时间 tSet。建立时间最短的可达建立时间最短的可达 0.1 s。这个参数的值越小越好这个参数的值越小越好。11.2.7 DAC11.2.7 DAC的转换精

8、度与速度的转换精度与速度9.2.5 集成集成 DAC 0808及其应用及其应用DAC0808的电路结构框图的电路结构框图 因为输入的模拟量在因为输入的模拟量在时间上是连续的，时间上是连续的，11.3.1 A/D 11.3.1 A/D 转换的基本原理转换的基本原理 在在A/D转换中，转换中，而输出的数字信号是离而输出的数字信号是离 散量，散量，所以进行转换时只能在一系列选定所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间的瞬间(亦即瞬间坐标轴上的一些规定点亦即瞬间坐标轴上的一些规定点)对输入的模拟信号取样，对输入的模拟信号取样，然后再把这些取然后再把这些取样值转换为输出的数字量样值转换为输出的数字量。A/D

9、 转换过程应包括转换过程应包括：取样、取样、保持、保持、量化、量化、编码编码 这四个步骤这四个步骤。11.3 A/D11.3 A/D转换器转换器0tVI1.取样定理取样定理0tVI 为了保证能从取样为了保证能从取样信号将原来的被取样信信号将原来的被取样信号恢复，号恢复，必须满足必须满足fS 2 f i maxfS：采样频率采样频率。f i max：VI 的最高频分的最高频分 量的频率量的频率。2.量化和编码量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，数字信号不仅在时间上是离散的，而且，而且，数值大小的变化也是不连续的。数值大小的变化也是不连续的。这就是说，这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个

10、规定的最任何一个数字量的大小只能是某个规定的最 小数量单位的整数倍。小数量单位的整数倍。因此因此，在进行在进行 A/D 转转换时也必须把采样电压化为这个最小单位换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的整的整数倍。数倍。这个转化过程就叫做这个转化过程就叫做“量化量化”，所所取的最少数量单位叫做取的最少数量单位叫做量化单位量化单位，用用表示。表示。显然，数字信号最低有效位的显然，数字信号最低有效位的 1 代表的数量代表的数量 大大小就等于小就等于 。把量化的结果用代码把量化的结果用代码(二进制或二二进制或二 十十 进制进制)表示出来，表示出来，称为称为“编码编码”。11.3.2 11.3.2 抽样

11、保持电路抽样保持电路当当 VL为高电平时，为高电平时，MOS管管T导通，导通，VI 经电阻经电阻 R1和管和管T向电容向电容 CH充电充电。当当 VL为低电平时，为低电平时，MOS管管T截止，截止，忽略各种漏电流，电容忽略各种漏电流，电容CH上的电压得以保持上的电压得以保持。11.3.3 11.3.3 并联比较型并联比较型A/DA/D转换器转换器量化量化输入输入量化量化 编码编码1111101011000110100010002 2、特点、特点*快，快，CLKCLK触发信号到达触发信号到达到输出稳定建立只需到输出稳定建立只需几十纳秒几十纳秒*精度，受参考电压、分精度，受参考电压、分压网络等因素

12、影响压网络等因素影响*有存储器，不需要取样有存储器，不需要取样-保持电路保持电路*电路规模，电路规模，n n位需要位需要2 2n n-1 1比较器，触发器比较器，触发器11.3.4 11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/DA/D转换器转换器1.1.计数型计数型2.2.基本原理：基本原理：取一个取一个“D”D”加到加到DACDAC上，得到模拟输上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整则调整D D的大小，到相等为止，则的大小，到相等为止，则D D为所求值为所求值！简单！慢2、逐次渐近型！电路不太复杂！较快1 0 0 0 03位：5个C

13、LKN位:(n+2)个CLK11.3.5 11.3.5 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器双积分型（双积分型（V-TV-T变换型）变换型）先将先将V V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数这个时间内用固定频率脉冲计数电路实现电路实现11.3.6 V-F11.3.6 V-F变换型变换型A/DA/D转换器转换器11.3.7 ADC11.3.7 ADC的转换速度与转换精度的转换速度与转换精度一、速度取决于电路结构类型一、速度取决于电路结构类型并联比较型：并联比较型：11微秒微秒逐次渐近型：逐次渐近型：1010010100微秒微秒/次次双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒/次次二、转换精度二、转换精度1.1.分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，说明说明A/DA/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。2.2.转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。量之间的差别。