數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三9-1概述一、定義能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。二、性能指標轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量ADC和DAC轉(zhuǎn)換性能的主要指標。

第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三將輸入的每一位二進制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換?；驹硪?、DAC的轉(zhuǎn)換原理和轉(zhuǎn)換特性9-2D/A轉(zhuǎn)換器第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓

uo=Ku×D

或輸出模擬電流io=Ki×D

其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三二、DAC的類型在常見的DAC中，主要有如下幾種類型：⒈權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC；★2.倒梯形（T型）電阻網(wǎng)絡(luò)DAC；★3.權(quán)電流型DAC；

4.開關(guān)樹型DAC等；

5.權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)DAC。第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三三、典型DAC電路的結(jié)構(gòu)及工作原理⒈倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC輸入數(shù)字量電流值？第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三計算倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的等效電路①分別從虛線A、B、C、D處向左看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。②不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三⒉權(quán)電流型DAC（克服模擬開關(guān)引起的誤差）第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三四、DAC的主要性能指標（轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度）（1）分辨率

①用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。

②用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換誤差：是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差。有各種因素引起：VREF波動——比例系數(shù)誤差；運放零點漂移——漂移誤差；模擬開關(guān)、電阻、三極管等不對稱——非線形誤差等。⒈轉(zhuǎn)換精度第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三2.轉(zhuǎn)換速度：即建立時間tset，指從輸入數(shù)字量發(fā)生突變起，到輸出電壓或電流進入與穩(wěn)態(tài)值相差±?LSB范圍以內(nèi)所需要的時間。

①用最低有效位的倍數(shù)表示。例如：1LSB，指輸出模擬電壓與理想值之間的絕對誤差小于等于當(dāng)輸入為00…1時的輸出電壓）②用輸出電壓滿刻度FSR的百分數(shù)表示。第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三一、

A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念二、典型ADC電路1、逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器

2、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標

9-3A/D轉(zhuǎn)換器第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三

A/D轉(zhuǎn)換器要將時間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號，它一般要包括采樣，保持，量化及編碼4個過程。ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三⒉A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

⑴采樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax 第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三⑵量化與編碼量化：為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須將采樣–保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程我們稱為數(shù)值量化，簡稱量化。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。編碼：量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三①量化及量化誤差量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。在量化過程中由于采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：A：只舍不入量化方式

B：四舍五入的量化方式。第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三兩種量化方式及量化誤差比較圖A量化誤差為1LSB=1△；圖B量化誤差為LSB/2=△/2；第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三⒊A/D轉(zhuǎn)換器分類（一）直接ADC：把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，而不需要經(jīng)過中間變量；（1）并聯(lián)比較型ADC（2）反饋比較型ADC

★逐次漸近型ADC（二）間接ADC：把輸入的模擬電壓先轉(zhuǎn)換為某中間變量，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。★（1）V-T型（雙積分型）（2）V-F型第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三1、逐次漸近（逼近）型A/D轉(zhuǎn)換器所加砝碼重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝碼總重<待測重量Wx

，8克砝碼保留砝碼總重仍<待測重量Wx

，4克砝碼保留砝碼總重>待測重量Wx

，2克砝碼撤除砝碼總重＝待測重量Wx

，1克砝碼保留

結(jié)果8克12克12克13克

（1）轉(zhuǎn)換原理

逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似

。所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx=13克。稱重過程二、典型ADC電路第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三（2）逐次漸近型ADC電路框圖轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。轉(zhuǎn)換開始后，控制邏輯將寄存器的最高位置為1，這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓vo

，送到比較器中與ｖi進行比較。若ｖi

＞ｖo

，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ｖi

＜ｖo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。依次類推將下一位置1進行比較，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三（1）基本原理：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行固定時間T1的積分；然后對基準電壓進行積分，積到比較器輸出為0為止，此段積分時間為T2，則ｖI與T2成正比；在T2里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是正比于ｖI的數(shù)字信號。原理電路2、雙積分型ADC計數(shù)器中所計的數(shù)為：第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三（2）電壓波形圖轉(zhuǎn)換前，VL=0，先將計數(shù)器清零，接通開關(guān)S0，電容C完全放電。VL=1開始轉(zhuǎn)換：⒈S1合到VI一側(cè)，積分器對VI進行固定時間T1的積分，一般取T1=2nTCP

。S1合到–VREF一側(cè)，積分器反向積分，直到vO=0，積分時間為T2，T2所包含的時鐘個數(shù)即位輸出數(shù)字量。最長轉(zhuǎn)換時間T=2×2nTCP=2n+1TCP第二十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三1、轉(zhuǎn)換精度三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標（1）分辨率:說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示。例：輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV例：一ADC的轉(zhuǎn)換誤差小于±?LSB，表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的誤差小于最低有效位的半個字。第二十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期三2、轉(zhuǎn)換時間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，