第10章数模变换器和模数变换器课件.ppt

1、第第10章章 数模变换器（数模变换器（DAC）、模数变换）、模数变换 器（器（ADC）15.1 概述概述15.2 D/A变换器变换器15.3 A/D变换器变换器 一、能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器( 简称简称D/A变换器变换器 ); 能将模拟量转换为数字量的装置称为模/数变换器( 简称简称A/D变换器变换器 )。10.1 概述概述二、分类A/D转换器：直接A/D转换器：输入的模拟信号被直接转换成输出的数字信号。间接A/D转换器：输入的模拟信号首先被转换成某种中间量（例如时间、频率等）然后再将这种中间量转换成所需要的数字信号输出。D/A转换器：直接D/A转换器，间接D/A 转换器。

2、三、模数之间转换的意义1、计算机的应用；2、数字测量仪表；3、数字通信和遥测； 四、A/D转换器、D/A转换器的应用放大器放大器传感器传感器(温度、压温度、压力、流量、力、流量、应力等）应力等）采样采样/保持器保持器A/D计算机计算机显示器显示器D/A示波器示波器打印机打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等10.2 D/A 变换器变换器（Digital Analog Converter）一、概述一、概述 1、D/A转换器可以认为是一种译码电路，它能够将按一定方案编码的数字信号，转换成模拟信号，并以电压或电流的形式输出。2、三种基本形式（

3、1）随意的D/A：每个代码所对应的输出电压可以根据需要任意规定。（2）非线性的D/A：输出的电压和输入的数字量之间成线性关系。（3）线性的D/A：输出电压UO和输入的数字量D之间成线性关系。即 UO=DUR UR位模拟参考电压10.2 D/A 变换器变换器一、概述一、概述3、方框图 寄存器参考电压源电阻译码器n位模拟开关输入输入DUo寄存器：暂时存放输入的数字量D，并控制n个模拟开关的转换。模拟开关：对应于数字量为1的位，开关将参考电源UR按位切换到译码器，对应于数字量为0的位，开关接通到地。电阻译码器：把输入D中各位的1，按权变换成电流。 由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的

4、每一位都有一定的“权重权重”，因此，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基变换器的基本思想。本思想。二、二、 权电阻权电阻D/A变换器变换器1、电路组成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/2UREF：基准电源。A：求和放大器。数字信号转换成电流，在输入端叠加后，以模拟电

5、压形式输出。权电阻网络：每个电阻的阻值与对应的权成反比。模拟电子开关：S0，S1，S2，S3它们受被转换的二进制数字信号所控制。当di=1时，Si接到UREF，反之，Si接地。 二、二、 权电阻权电阻D/A变换器变换器1、电路组成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理当四位二进制数字信号d0，d1，d2，d3到来时，流入A的总电流I= I0d0+I1d1+I2d2+I3d3= 3REF2REF12REF03REFdRUdR2UdR2UdR2U30iii3REF332211003REF2dR2U)2d2d2d2d(R2U二、二、 权

6、电阻权电阻D/A变换器变换器1、电路组成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理I30iii3REF332211003REF2dR2U)2d2d2d2d(R2U对于n位的权电阻网络D/A转换器则有 I= 1n0iii1nREF2dR2U运算放大器输出的模拟电压uo=IRf= 1n0iiinREF2d2U输出的模拟电压正比于输入的数字量，因而实现了从数字量到模拟量的变换。1n0iiinREFo2d2Uu二、二、 权电阻权电阻D/A变换器变换器1、电路组成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d

7、2R/22、工作原理1n0iiinREFo2d2Uu例如：数字量（二进制数）(1011)2=(11)10当1101输入后，输出电压：16U11)21202121 (2UuREF32104REFo二、二、 权电阻权电阻D/A变换器变换器1、电路组成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理1n0iiinREFo2d2Uu3、说明优点：简单、直观 缺点：权电阻网络中各电阻阻值的精度很难实现，且难以集成。 三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理模拟电子开关：S0，S1，S2，S3它们受被转换的二进制数字

8、信号所控制。当di=1时，Si接到UREF，反之，Si接地。 2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 和权电阻网络相比，和权电阻网络相比，T T形解码网络中电阻的类型少，形解码网络中电阻的类型少，只有只有R、2R两种，电路构成比较方便。两种，电路构成比较方便。三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 2R2R2R2R2RAAR R R 2R 虚地A2R 2RAI/2 I/2I=UREF/

9、3RI/16I/16根据叠加原理：其他端点无论是接地还是接电源，都可按上述方法处理。 三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 B2R 2RBI/2 I/2I=UREF/3RI/8I/162R2R2R2R2RBR R R 2R 虚地BI/8I/4 I/2三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型电阻网络的简化 I=UREF/3RI

10、/16I/8I/4 I/2（2）电流分流当某一端点接参考电源，流进该端点的电流为I=UREF/3R（每个端点均一样）但对运算放大器的反相端的电流贡献却不一样 三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（3）流入放大器的总电流 I=UREF/3RI/16I/8I/4 I/2根据叠加原理。当四位二进制数字信号d0，d1，d2，d3到来时，流入A的总电流I总=I0d0+I1d1+I2d2+I3d3 ，即30iii4REF332211004REF321032102dR32U)2d2d2d

11、2d(R32U)2/d4/d8/d16/d( I2/ Id4/ Id8/ Id16/ IdI总30iii4REF2dR32UI总三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（3）流入放大器的总电流 I/16I/8I/4 I/2（4）运算放大器输出的模拟电压 30iii4REF2dR32UI总30iii4REFf02d2URIu总30iii4REF02d2Uu输出的模拟电压正比于输入的数字量。 （5）对于n位的T型网络D/A转换器则有 1n0iiinREF02d2Uu三、三、T型电阻

12、网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRRI/16I/8I/4 I/230iii4REF02d2Uu3、说明（1）所使用的电阻只有两种R和2R，故精度较高，便于集成。（2）传输时间不同，影响工作速度。（3）实用中使用倒T型电阻网络D/A转换器。 三、三、T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1、电路组成 2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRRI/16I/8I/4 I/230iii4REF02d2UuS1S0uO+AUREFS3I/2d3I/8d1I

13、/4d3I/16d02R2R R 2R R 2R R 2R I S2R四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器能够输出正、负数能够输出正、负数 因为在二进制算术运算中，通常把带符号的数值表示为补码形式，所以希望D/A转换器能把输入的正、负数的补码分别转换成正、负极性的模拟电压。 1、输入为三位二进制补码时的输出 补码输入 对应的十进制数要求的输出电压d2d1d00 1 10 1 00 0 10 0 01 1 11 1 01 0 11 0 0+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器能够输

14、出正、负数能够输出正、负数 2、电路形式 IBuORBVBR/2+AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 选择合适的VB和RB使 BREFBBIRURV由图可见： )2d2d2d(R2U)dR1dR1dR41(UI2211002REF210REF)2d2d2d(R2UI2211002REF2、电路形式 IBuORBVBR/2+AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 )2d2d2d(R2UI2211002REFRU)2d2d2d(R2U2R2R)II (2RIuREF2211002REFBf02) 1d(2d2d2U)22d2d2d

15、(2U2211003REF22211003REF当UREF=8v时 22110002) 1d(2d2du四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器能够输出正、负数能够输出正、负数 2、电路形式 IBuORBVBR/2+AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 )2d2d2d(R2UI2211002REFRU)2d2d2d(R2U2R2R)II (2RIuREF2211002REFBf02) 1d(2d2d2U)22d2d2d(2U2211003REF22211003REF当UREF=8v时 22110002) 1d(2d2du补码输入 对应的十进制

16、数要求的输出电压d2d1d00 1 10 1 00 0 10 0 01 1 11 1 01 0 11 0 0+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器能够输出正、负数能够输出正、负数 五、五、D/AD/A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率：分辨率：指最小输出电压和最大输出电压之比。 2、线性度：线性度：通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。 3、输出电压输出电压(

17、 电流电流 )的建立时间：的建立时间：完成一次转换的时间包括两部分：一是运算放大器到达稳定状态输出所需要的时间。二是距运算放大器最远的那一位输入信号的传输时间。 五、五、D/AD/A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标4、转换误差转换误差（1）比例系数误差：由于UREF偏离标准值引起的误差。其大小与输入的数字信号的大小有关。（2）漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的误差。它与输入的数字信号无关。（3）非线性误差：由模拟开关的压降和电阻网络中各电阻阻值的偏差引起。（4）动态误差：在输入的数字量发生变化时，由于各位数传到放大器输入端的时间不一样而产生的误差。 六、六、D/AD/A转换器中的模

18、拟开关转换器中的模拟开关 1、要求、要求（1）开关的状态是由输入的数字信号来控制的。（2）因为它所传送的是模拟信号，所以要求开关的接通和断开不影响被传送的模拟信号数值，即应尽可能地接近理想开关。六、六、D/AD/A转换器中的模拟开关转换器中的模拟开关 2、双极型模拟开关、双极型模拟开关T1+12v+3v-12vuO+Adi2iR+UREFT2T4T32.2k2.2k2.2k4.7k当di=1时：V=3vT1截止IC1=0VB2=-12vT2截止VC2=12vT3饱和，T4截止相当于开关Si接至UREF当di=0时：V=0vT1饱和IC1很大VB2较高T2饱和VC2低电平T3截止，T4饱和相当于

19、开关Si接至地 六、六、D/AD/A转换器中的模拟开关转换器中的模拟开关 3、CMOS开关电路开关电路 当输入端di为高电平时：u1为低u2为高T9导通 u3为低 T8截止当输入端di为低电平时：u1为高u2为低T9截止 u3为高 T8导通I1T8T2diV+T9T7T6T5T4T1T3I2u1接2R电阻u2u3T1，T4，T6，T8，T9为N沟道MOS管，T2，T3，T5，T7为P沟道MOS管。 T1与T2，T4与T5，T6与T7构成CMOS反相器。 T1与T2，T4与T5，T6与T7构成CMOS反相器。 A/D变换器的任务是将模拟量转换成数字量变换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信

20、号它是模拟信号和数字仪器的接口。和数字仪器的接口。10.3 A/D 变换器变换器(ADCAnalog Digital Converter)一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤采样：按一定的时间间隔取模拟信号的量值。保持：将所采样的模拟信号量值保持一段时间，以便转化成对应的数字量。量化：将采样的模拟信号以最小数字单位（量化单位）去衡量，比较，取整。用有限个幅度值来表示断续脉冲的幅度值。编码：量化后的数值用二进制数来表示。 采样采样/保持器保持器量化量化/编码编码uiuo模拟输入模拟输入数字输出数字输出A/D转换命令转换命令一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤1、采样和保持 （1）功能

21、： 在A/D转换期间，使A/D的输入电压u2保持不变。tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号模拟信号信号幅度信号幅度数字信号数字信号A/D转换命转换命令令为了用采样信号表示输入的模拟信号ui，必须满足采样定理 ：fs2fimax fs为采样信号的频率，fimax为ui的最高频率分量的频率 t采样信号采样信号高电平期间高电平期间uo跟随跟随ui低电平期间低电平期间uo保持不变，同时保持不变，同时A/D进行转换进行转换ui输入模拟信号输入模拟信号uo采样采样/保持器输出信号保持器输出信号（2）采样保持原理 一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤1、采样和保持 ui(t)uo(t)C由采样信号控

22、制（3）采样保持电路 一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤1、采样和保持 基本形式 +uouiRfChTRIus当us =1时，T导通，ui经RI和T给Ch充电，充电结束后，uO=ui = uC当us=0时，T截止，由于Ch上的电压可以在一段时间内基本保持不变，所以uO的数值也被保持下来。基本电路形式的缺点：给C充电经过了RI，使较大，而RI又不能小，因RI为越小，输入电阻越小。 选择RI=Rf （3）采样保持电路 一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤1、采样和保持 实际电路 当S闭合时，A1和A2均工作在电压跟随器状态，所以uO=uO=us，同时uO经R2给Ch充电使uCh=ui

23、，当us返回低电平后，S断开，但由于Ch上的电压不变，所以uO维持不变。D1，D2构成保护电路。在S断开期间，如果ui发生变化，uO可能变得非常大。当uO比uO高或低一个二极管的压降时，D1，或D2导通，从而将uO限制在ui+uD以内，而在开关S闭合的情况下，uO和uO相等，故D1，D2均不导通，保护电路不起作用。 us =1时，S闭合；us =0时，S断开 R2R1+ChA2A1LuouSuiD2D1ui S一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤2、量化和编码 在用数字量表示采样电压时，必须把它化成一个最小单位的整数倍。所规定的最小数量单位量化单位（）。这个过程叫做量化。例如：用8位二进

24、制数去表示一个满刻度位255mv的模拟电压，8位二进制的最小数为00000001，表示1mv，而11111111表示255mv。但若模拟电压为1.5mv，那么是用00000001表示，还是用00000010表示？就取决于采用的量化方法。 一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤2、量化和编码 （1）两种量化方法只舍不入：当0mvuO1mv 取uO = 0mv 当1mvuO2mv 取uO = 1mv 有舍有入：当0mvuO0.5mv 取uO = 0mv 当0.5mvuO1.5mv 取uO =1mv （2）编码将量化后的数值用二进制代码表示。（3）量化误差由于模拟电压是连续的，它就不一定能够被整

25、除，因而就不可避免地出现误差。 二、几种常用的二、几种常用的A/D转换器转换器 1、计数式反馈型A/D转换器 （1）电路形式d0uIuL转换控制信号D/A转换器计 数 器GC时钟信号模拟输入uo+-d1dn-2dn-1 （2）工作原理 转换开始前，先将计数器清零，此时uL=0，uC=1。 当uL =1时电路开始转换，时钟信号通过门G时计数器做加法计数。随着加法计数的进行，D/A的输出不断增加，当uO= uI时，比较器的输出uC=0，将门G封锁。于是计数器停止工作。这时计数器中所存的数字就是输入模拟电压所对应的数字信号。优点：电路结构简单。缺点：转换速度太低。 二、几种常用的二、几种常用的A/D

26、转换器转换器 2、逐次渐近型A/D转换器 （1）基本思路 若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步克，可以用下表步骤来秤量：骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论ui1/2Vm0 uI，说

27、明这个数字过大，故将最高位的“1”清除；若u0UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压特点：输入

28、电压UI每增加每增加VR/8 ，输出数字量增加输出数字量增加1二、几种常用的二、几种常用的A/D转换器转换器 3、并行A/D转换器 三位并联比较型三位并联比较型A/D转换器中转换器中的编码器真值表的编码器真值表 一、一、分辨率分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。数越多，量化误差越小，转换精度越高。 二、二、转换速度转换速度：完成一次：完成一次A/D转换所需要的时间，即从转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。要的时间。 三

29、、三、相对精度相对精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。 四、其它：四、其它：功率功率。电源电压电源电压、电压范围电压范围等。等。三、三、 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标 0 5V0000000011111111分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位A/D电路电路模拟模拟输入输入三态门三态门数字数字输出输出寄存器寄存器精密稳精密稳压电源压电源电源电源计算机读计算机读取命令取命令时序控时序控制电路制电路A/D转换命令转换命令（来自计算机）（来自计算机）转换完成信号转换完成信号（由计算机检测或（由计算机

30、检测或申请计算机中断）申请计算机中断）A/D转换器转换器四、四、 计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介A/D转换器转换器转换完成信号转换完成信号采样采样/保持器保持器模拟模拟输入输入读取数据命令读取数据命令计算机计算机接口接口A/D板板A/D转换命令转换命令 模拟输入电压在模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否则转换期间应保持不变，否则A/D的输出的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。保持器。四、四、 计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介结论：结论：因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，若将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采样率。若将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采样率。t1ms1kHz 1 2kHz 2 8kHz 816kHz 16频率为频率为1kHz的正弦波的正弦波4kHz 4采样率采样率 每周期采样点数每周期采样点数四、四、 计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介在计算机屏幕上波形的恢复显示在计算机屏幕上波形的恢复显示第十章结束第十章结束谢谢谢谢