电工电子技术(西交大版)教学课件第十二章数模(DA)和模数(AD)转换.ppt

第十二章数第十二章数/模模（D/A）和模）和模/数数（A/D）转换）转换随着电子技术的高速发展和数字信号处理技术的广泛应用，模拟信号的数字化传输与处理已经越来越普遍如在工业过程控制、智能化仪器仪表和数字通信等领域，常要求把连续变化的模拟量（如温度、压力、速度、流量、位移等）经过传感器变成电信号，这些电信号需要转换成数字量，以便于计算机进行运算和处理，或把经过运算和处理的数字量用模拟量形式给出，实现对模拟系统的控制，如图12-1所示这就需要用转换器来转换模拟信号或数字信号将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器，简称D/A或DAC；将模拟量转换成数字量的装置称为模/数转换器，简称A/D或ADC本章主要讨论数/模和模/数转换器的原理及应用图12-1 、转换器在生产过程中的应用12.1概述概述12.2数数/模转换器（模转换器（D/A转换器）转换器）D/A转换器是用来将一组二进制代码转换成相应电压值的装置常用的D/A转换器有T型电阻网络、倒T型电阻网络D/A转换器、权电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器及权电容网络D/A转换器等几种类型12.2.1转换器的构成转换器的构成1.R-2RT型网络型网络D/A转换器的基本原理转换器的基本原理图12-2所示为一个4位的R-2R正型电阻网络D/A转换器的原理图。

它由模拟电子开关、T型电阻网络、基准电源和运算放大器等几部分组成12-2 4位梯形电阻网络D/A4个模拟电子开关S0、S1、S2、S3分别受对应数位的二进制码所控制当某位数码Di为1时，则由它控制的模拟电子开关Si自动接到基准电压UR上；当某位数码Di为0时，则由它控制的模拟电子开关Si自动接到基准电压源的地上如最低位数字信号D0=1时，开关S0合向1端与基准电压UR连接，此时这条支路有电流IO流向点；如D0=0时，开关S0合向0端与地连接，此时这条支路没有电流流向A点，因此流向运算放大器A点的总电流可表示为（12-1）由式（12-1）可知I正比于输入的二进制数D，故实现了数字量到模拟量的转换式中二进制数的系数是按二进制权的规律排列的，所以称此电阻网络为权电阻网络求和运算放大器的作用是将求和后的电流转换成模拟电压输出，其输出电压为(12-2)电阻网络D/C可以做到n位，且Rf=R/2，此时对应的输出电压为(12-3)输出的模拟电压正比于输入的数字信号，这样就实现了数字信号到模拟信号的转换2倒型电阻网络倒型电阻网络D/A转换器转换器如图12-3所示，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，则从参考电压端输入的电流为图12-3倒T型电阻网络D/A转换器图12-3所示为一个四位倒T型电阻网络D/A（按同样结构可将它扩展到任意位），它由数据锁存器（图中未画）、模拟电子开关（S）、R-2R倒T型电阻网络、运算放大器（A）及基准电压UREF组成。

S1、S2、S3、S4为模拟电子开关，分别受数据锁存器输出的数字信号D1、D2、D3、D4控制从图12-3所示电路UREF向左看，其等效电路如图12-4所示，等效电阻为R，因此总电流I=UREF/R图12-4 倒T型电阻网络所有Si都接0位的简化等效电路各支路电流自左向右依次为：则电路中电流i的大小取决于电路中开关（数字信号）的状态，其合成电流为 集成运算放大器的输出电压uo为将上述结论推广到n位倒型电阻网络D/A转换器，同学们可以自己推算一下显然可以知道，输出电压的大小与输入数字量的状态和参考电压的大小有关12.2.2D/A的主要技术指标的主要技术指标1.分辨率分辨率分辨率说明D/A转换器输出最小电压的能力分辨率用输入二进制数的有效位数表示在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同输入二进制码的状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压也可用D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量ULSB（对应的输入数字量仅最低位为1）与满刻度输出电压UFSR（对应的输入数字量各有效位全为1）之比来表示，即式中，n表示输入数字量的位数可见，分辨率与D/A转换器的位数有关，位数n越大，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，即分辨最小输出电压的能力也就越强。

例如：n=8时，D/A转换器的分辨率为2转换精度转换精度转换精度是电路的理论值与实际输出值之差,即最大静态转换误差这种差值由转换过程中各种误差引起的主要包括以下内容：（1）非线性误差它是由模拟电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的2）比例系数误差它是由参考电压的偏离而引起的误差3）漂移误差它是由运算放大器零点漂移产生的误差3.转换时间转换时间转换时间是指D/A转换器从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间转换时间越小，工作速度就越高12.2.3集成集成D/A的应用的应用D/A的集成器件有很多产品，现以D/A0832为例，讨论集成D/A的电路结构和应用方面的一些问题D/A0832采用CMOS工艺，是具有20个引脚的双列直插式单片八位D/A转换器，其结构如图12-3（a）所示a）引脚图 （b）电路结构图 图12-3 D/A0832引脚图和电路结构图D/A0832由三大部分组成：一个八位输入寄存器、一个八位D/A寄存器和一个八位D/A转换器在D/A转换器中采用的是T型R-2R电阻网络D/A0832器件由于有两个可以分别控制的数据寄存器，使用时有较大的灵活性，可以根据需要接成多种工作方式。

其引脚排列如图12-3(b)所示：各引脚名称和功能介绍如下：“1”（CS）：片选信号，低电平有效2”（WR1）：数据输入选通信号，低电平有效3”（AGND）：模拟地74”（D0D3）、“1613”（D4D7）：数字量输入端，由低位至高位，共8位8”（VREF）：参考电压输入端9”（Rf）：运算放大器的输出端接D/A的反馈电阻10”（DGND）：数字地11”（I01）、“12”（I02）：D/A的两个电流输出端17”（XFER）：数据传送控制信号，低电平有效，它控制输入寄存器的内容是否传送给D/A寄存器18”（WR2）：数据传送选通信号，低电平有效19”（ILE）：输入允许信号，高电平有效20”（VCC）：电路工作的电源电压，其值为+515V常用的D/A转换器大部分都是数字-电流转换器，即输出的为电流因此，在实际应用时需要将电流转换成电压通常是按输出方式的要求，外接运算放大器，这样才能构成完整的D/A由于D/A0832中不包含求和运算放大器，因此需要外接运算放大器才能构成完整的D/A，如图12-4所示图12-4 D/A0832与运算放大器连接12.3模模/数转换器（数转换器（A/D转换器）转换器）A/D转换是将模拟信号转换为数字信号。

A/D转换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路12.3.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程通常A/D需经过采样、保持、量化和编码这几个步骤来完成1.采样与保持采样与保持采样是将随时间连续变化的模拟量转化为时间离散的模拟量，即转换为一系列等间隔的脉冲采样保持电路工作原理可以用一受控的理想模拟开关S及储存电容C来表示，如图12-5所示，其工作原理如下：图12-5 取样保持电路当CP=1时，采样开关S接通，u(t)信号被采样，并送到电容C中暂存当CP=0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP=1信号到来，在对新的电压信号进行采样其过程如图12-6所示图中Ui为模拟输入信号，CP为取样信号，U0为取样后输出信号由图分析可得取样定理：设取样信号S（t）的频率为fs，输入模拟信号ui(t)的最高频率分量的频率为fimax,则fs与必须满足下面的关系式（12-4）图12-6 取样过程一般取fs2fimax模拟信号经取样后输出一系列的断续脉冲A/D把采样信号转换成数字信号需要一定的时间，需要将这个断续的脉冲信号保持一定时间以便进行转换2.量化和编码量化和编码量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化点评的一组二进制代码表示。

图12-7 两种量化方法比较（a）只舍不入法 （b）有舍有入法 输入模拟电压经过采样保持以后，得到的是阶梯波该阶梯波仍是一个可能取任意值的电压量，而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另外，由于数字量的位数有限，只能表示有限个数值（n位数字量只能表示2n个数值）因此，用数字量来表示模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题，即必须将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化；用二进制码来表示各个量化电平称为编码量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法，如图12-7所示12.3.2逐次逼近型转换器逐次逼近型转换器 A/D转换器种类繁多，按照转换方法不同主要分为3种:并联比较型，其特点是转换速度快，但精度不高；双积分型，其特点是转换精度较高，抗干扰能力强，但转换速度慢；逐次逼近型，其特点是转换精度高，速度快，在集成单元电路中用的最多以下我们就主要学习逐次逼近型A/D转换器逐次逼近A/D结构图如12-8所示：图12-8 逐次逼近A/D结构图转换开始前先将所有寄存器清零开始转换以后，在时钟脉冲的作用下，首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到电压比较器中与ui进行比较。

若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除，比较器输出0，寄存器保留最高位的1，次高位的1；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留,比较器输出1，寄存器最高位0，次高位1然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较后确定这个1是否应该保留这样逐位比较下去，一直到最低位为止比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出12.3.3 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率以输出二进制数的位数表示，位数越分辨率以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电压的变化范围为05V，输出，输出8位二进制数可以位二进制数可以分辨的最小模拟电压为分辨的最小模拟电压为20mV若其分辨率用百分数表示，即2.相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上相对精度是指实际的相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差各个转换点偏离理想特性的误差若用精确度百分比表示，即 一般A/D的精度为0.02，当输入模拟量满量程为10V时，其最大误差为10V的万分之二，即2mV。

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采用不同的制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间采用不同的转换电路，其转换速度是不同的转换电路，其转换速度是不同的12.3.4 A/D转换器的应用转换器的应用集成电路也有多种型号供选择，下面以A/DC0804为例，讨论A/D的结构和应用A/DC0804是8位的模数转换，采用逐次逼近型工作原理图12-9是它的引脚图，图12-10是它的结构框图各引脚名称和功能介绍如下:VCC：电源电压端该芯片由单一+5V电源供电VREF/2：参考电压端是芯片内部电阻网络所需用的基准电压，该电压应是输入电压范围的1/2如输入电压是0.54.5，则于该引脚处外加2V电压当输入电压是05V时，该引脚可以悬空，基准电压可由VCC经内部分压得到DGND和AGND：分别是数字接地端和模拟接地端两者分别设置是为了减小两部分电路之间的干扰UIN（）和UIN（）：被转换的电压信号自该两端加入，此信号可为差动电压信号或不。