（本科）第9章数模和模数转换ppt课件（全）.ppt

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1、第第9 9章章 数模和模数转换数模和模数转换第九章第九章 数数/模和模模和模/数转换数转换第九章第九章 数数/模和模模和模/数转换数转换8.1 概述概述8.2 D/A转换器转换器8.3 A/D转换器转换器掌握掌握A/D、D/A的转换原理。的转换原理。本章要点本章要点了解转换精度和转换速度的概念。了解转换精度和转换速度的概念。一、数一、数/模和模模和模/数转换器是模拟、数字系统间的桥梁数转换器是模拟、数字系统间的桥梁模模 /数数（A/D）转换转换:Analog to Digital Converter（ADC）数数/模（模（D D /A A）转换）转换:Digital to Analog Con

2、verter（DAC）9.1 概述概述二、二、常见常见数数/模、模模、模/数转换器应用系统举例数转换器应用系统举例压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象 DACADC物理量物理量物理量物理量二进制二进制二进制二进制信号信号信号信号模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号三、三、A/D、D/A 转换器的精度和速度转换器的精度和速度精度精度保证转换的保证转换的准确性准确性速度速度保证

3、保证适时控制适时控制9.2 数数/模转换器（模转换器（DAC）D/AD111101A(电压电压 或或 电流电流)？一、一、D/A转换器的基本原理和电路结构及分类转换器的基本原理和电路结构及分类1、D/A转换器的基本原理转换器的基本原理K为为比例系数（比例系数（转换转换系数）系数）,为为电路的最小输出电压电路的最小输出电压3位二位二进进制数制数时时D/A转换器的转换特性转换器的转换特性2、D/A转换器的转换器的分类分类电路构成电路构成分类分类二、权电阻网络二、权电阻网络D/A转换器转换器取取RF=R/2，得，得对对n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器取转换器取RF=R/2，得，得电压变化范围电

4、压变化范围：优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻 不宜于集成在不宜于集成在不宜于集成在不宜于集成在ICIC内部。内部。内部。内部。d di i=0=0时开关时开关时开关时开关 S Si i 接至放大器的接至放大器的接至放大器的接至放大器的 V V+。d di i=1=1时开关时开关时开关时开关 S Si i

5、 接至放大器的接至放大器的接至放大器的接至放大器的 V V-。三、三、倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器希望用较少类型的电阻，仍然能得希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流到一系列权电流计算倒计算倒T形电阻网络支路电流的等效电路形电阻网络支路电流的等效电路可计算出各支路中的电流可计算出各支路中的电流:每个支路的电流依次为：每个支路的电流依次为：RRRR倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器实例：实例：CB 7520四、四、集成集成D/A转换器转换器DAC0832DAC0832是是8位位DAC。它内部具有两个数据寄存器和一个。它内

6、部具有两个数据寄存器和一个R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络 DAC0832中不包含求和运算放大器，所以需要外接运算放大器才能构成完中不包含求和运算放大器，所以需要外接运算放大器才能构成完整的整的DAC。应应用用举举例例如如图所示是用图所示是用DAC0832和和4位二进制计数器芯片位二进制计数器芯片74LS161构成的阶梯构成的阶梯波发生器电路。设要求产生的阶梯波有波发生器电路。设要求产生的阶梯波有15个阶梯，每个阶梯高个阶梯，每个阶梯高0.5V。解：解：选择基准电压选择基准电压 ，将将DAC8032输入数据的高输入数据的高4位与位与74LS61计数器的输出相联，在时钟信号计数器的输出相联，在

7、时钟信号CLK的作用下，的作用下，74LS161的的输出依次为：输出依次为：000000010010 00000001001011110000 11110000 阶梯波发生器电路阶梯波发生器电路DAC0832的数据线的数据线D7D0依次为：依次为：000000000001000001000001111000000000000经经D/A转换后，可以得到模拟的阶梯电压波形。转换后，可以得到模拟的阶梯电压波形。阶梯波形图阶梯波形图五、五、D/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度在在D/A转换器中常用转换器中常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述转换精度。来描述转换精度。分辨率：

8、分辨率：分辨率：分辨率：用输入二进制数码的位数给出。用输入二进制数码的位数给出。n n位位位位DACDAC,应能输出应能输出应能输出应能输出0-20-2n n-1-1个不同的等级电压，区个不同的等级电压，区个不同的等级电压，区个不同的等级电压，区分出输入的分出输入的分出输入的分出输入的000000000 0 0 0到到到到111111111 1 1 1，2 2n n个不同个不同个不同个不同状态。状态。状态。状态。用用D/A转换器能够分辨出的最转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比给出。小电压与最大电压之比给出。一个一个10位的位的D/A转换器，其转换器，其分辨率分辨率为为如果满量程输出电压为

9、如果满量程输出电压为10V，DAC能分辨的最小电压为能分辨的最小电压为:转换速度：转换速度：转换速度：转换速度：通常用建立时间通常用建立时间tset来定量描述来定量描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。tsetvoto稳态值稳态值转换误差：转换误差：转换误差：转换误差：实际实际D/A转换特性和理想转换特性和理想D/A转换特性间的最大偏差。转换特性间的最大偏差。一般用最低有效位的倍数表示。一般用最低有效位的倍数表示。A/DD111101？9.3 模拟模拟-数字转换器数字转换器(DAC)A(电压电压 或或 电流电流)一、一、A/D转换器的基本原理及转换器的基本原理及ADC分类分类uI(t)

10、C量化量化编码编码电路电路Dn-1D1D0uI(t)S采样保持电路采样保持电路输入模拟量输入模拟量输入模拟量输入模拟量输出数字量输出数字量输出数字量输出数字量1、A/D转换器的基本原理转换器的基本原理一般步骤：一般步骤：采样、保持、量化、编码采样、保持、量化、编码（1）采样、保持采样、保持电路工作原理：电路工作原理：，VT导通导通，对电容对电容C充电，充电，电路处于采样阶段；电路处于采样阶段；，VT截止，截止，C无放电通道无放电通道电，电路处于电，电路处于保持保持阶段阶段。取样定理取样定理取样信号必须有取样信号必须有取样信号必须有取样信号必须有足够高的频率足够高的频率足够高的频率足够高的频率取

11、样频率取样频率v vI I最高频率最高频率量化：量化：量化：量化：将采样电压表示为最小数量单位（将采样电压表示为最小数量单位（将采样电压表示为最小数量单位（将采样电压表示为最小数量单位（）的整数倍。）的整数倍。）的整数倍。）的整数倍。数字信号最低有效位的数字信号最低有效位的数字信号最低有效位的数字信号最低有效位的1 1所代表的数量大小就等于所代表的数量大小就等于所代表的数量大小就等于所代表的数量大小就等于。编码：编码：编码：编码：将量化的结果用代码表示出来，代码即是将量化的结果用代码表示出来，代码即是将量化的结果用代码表示出来，代码即是将量化的结果用代码表示出来，代码即是A/DA/D转换的结果

12、。转换的结果。转换的结果。转换的结果。量化误差：量化误差：量化误差：量化误差：当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差。（2）量化和编码量化和编码量化方法量化方法只舍不入法只舍不入法取取 ，若，若 ，量化为，量化为四舍五入法四舍五入法取取 ，若，若 ，量化为，量化为划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111输入输入信号信号二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电压模拟电压0 =01 =1/

13、82 =2/83 =3/84 =4/85 =5/86 =6/87=7/81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110输入输入信号信号二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电压模拟电压0 =01 =2/152 =4/153 =6/154 =8/155 =10/156 =12/157 =14/15最大量化误差最大量化误差=(1/8)V =/2=(1/15)V举例：举例：将将01V的模拟信号转换为的模拟信号转换为3位二进制数字信号。位二进制数字信号。2、ADC分类分类二、并联比较型二、并联比较型A/D转换器转换器并联比较型并联比

14、较型量化量化输入输入量化量化 编码编码111110101100011010001000并联比较型并联比较型A/D转换器属于直转换器属于直接接A/D转换器，它能将输入的转换器，它能将输入的模拟电压直接转换为输出的数模拟电压直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。字量而不需要经过中间变量。输入为输入为0VREF间的模拟电压，输出为间的模拟电压，输出为3位二进制数码位二进制数码d2d1d0。转换速度快，转换精度取决于量化电平。转换速度快，转换精度取决于量化电平。电路规模电路规模:n位需要位需要2n-1比较器、比较器、触发器触发器并并行行数数字字输输出出 转换开始前先将寄存器清零，所以加给转换开始

15、前先将寄存器清零，所以加给D/A转换器的数字转换器的数字量也全是量也全是0。三、三、逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器（转换器（反馈比较型反馈比较型）并并行行数数字字输输出出 转换控制信号转换控制信号vL变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置成存器的最高位置成1，使寄存器的输出为，使寄存器的输出为10000。这个数字量被。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压vO，并送到比较器与输入信号，并送到比较器与输入信号vI进行比较。进行比较。如果如果vO vI，说明数字过大了，则这个，说明数字过大了，则这个1应去掉；应去

16、掉；如果如果vO vI，说明数字还不够大，这个，说明数字还不够大，这个1应保留。应保留。然后，再按同样的方法将次高位置然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较，并比较vO与与vI的大小以确定的大小以确定这一位的这一位的1是否应当保留。是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄存器里所存这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量。的数码就是所求的输出数字量。逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的转换速度比并联比较型转换器的转换速度比并联比较型A/D转换器慢，转换器慢，但比计数型但比计数型A/D转换器的转换速度要快得多。而且在输出位数较转换器的

17、转换速度要快得多。而且在输出位数较多时，逐次渐近型多时，逐次渐近型A/D转换器的电路规模要比并联比较型小得多。转换器的电路规模要比并联比较型小得多。因此逐次渐近型因此逐次渐近型A/D转换器是目前集成转换器是目前集成A/D转换器产品中用得最多转换器产品中用得最多的一种电路。的一种电路。电路实现电路实现例例图（图（a）为）为4位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器的结构框图，其转换器的结构框图，其 和和 的比较结果如图所示。试求的比较结果如图所示。试求（1 1）转换结束时，）转换结束时，A/D转换器的输出数字量为多少？转换器的输出数字量为多少？（2 2）若）若4 4位位DAC的输出电压的输出电压 ，

18、试估计上述，试估计上述数字量所对应的模拟输入电压数字量所对应的模拟输入电压 的范围是多少？的范围是多少？（a a）（b b）解：解：（1）输出数字量为）输出数字量为1011。（2）输输入模入模拟拟量介于数字量量介于数字量1011和和1100所对应的值所对应的值 先将先将V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内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用固定频率脉冲计数四、双积分型四、双积分型A/D转换器（转换器（V-T变换型）变换型）特点：特点：1.1.工作性能稳定工作性能稳定 2.2.抗干扰能力强抗干扰能力强 3.3.工作速度低工作速度低电路实现电路实现五、

19、五、集成集成A/D转换器转换器ADC0809CMOS、8通道、通道、8位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器转换器电路构成：电路构成：8路模路模拟拟开关、地址开关、地址锁锁存与存与译码电译码电路、路、8位逐次逼近位逐次逼近型型A/D转换器和三态锁存缓冲器转换器和三态锁存缓冲器。ADC0809地址与输入通道的对应关系地址与输入通道的对应关系ADC0808典型典型应应用用电电路路图图六、六、A/D转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度单片集成的单片集成的A/D转换器采用转换器采用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。分辨率：分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，以输出二进制

20、或十进制的位数表示，说明说明A/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。转换误差：转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实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际输出的数字量 和理论上应有的输出数字量之间的差别。和理论上应有的输出数字量之间的差别。1.1.A/D转换器的转换精度转换器的转换精度A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型:并联比较型并联比较型A/D转换器的转换速度最快。转换器的转换速度最快。逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的转换速度次之。转换器的转换速度次之。间接间接A/D转换器的转换速度要低得多了。转换器的转换速度要低得多了。高速高速A/D转换器应将取样转换器应将取样-保持电路的获取时间保持电路的获取时间计入转换时间之内。计入转换时间之内。2.A/D转换器的转换速度转换器的转换速度并联比较型：并联比较型：并联比较型：并联比较型：1111微秒微秒微秒微秒逐次渐近型：逐次渐近型：逐次渐近型：逐次渐近型：10-10010-10010-10010-100微秒微秒微秒微秒/次次次次双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒/次次次次第第 九九 章章 结结 束束