1、1v 概述概述v D/A转换器转换器v A/D转换器转换器第八章第八章 数模和模数转换数模和模数转换21.1.模数转换器（简称：模数转换器（简称：A/DA/D转换器或转换器或ADCADC）n定义：能将模拟量转换为数字量的电路。定义：能将模拟量转换为数字量的电路。2.2.数模转换器（简称：数模转换器（简称：A/DA/D转换器或转换器或ADCADC）n定义：能将数字量转换为模拟量的电路。定义：能将数字量转换为模拟量的电路。n一般结构一般结构概述控制对象非电量传感器电模拟量ADC计算机数字量DAC数字量电模拟量执行元件计算机对生产进行实时控制的过程：计算机对生产进行实时控制的过程：模拟量：模拟量：温
2、度、压力、湿度、流量、速度温度、压力、湿度、流量、速度 电模拟量：电模拟量：电压、电流电压、电流3数据锁存器D0D1Dn1模拟电子开关电阻译码网络求和运放参考电压源模拟输出U)2222(00112211oDDDDKunnnnu4权电阻网络模拟开关求和放大器控制受数字0303ddSS点流向时，时，iiiiIdId100RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流：)2222(22001122334oddddViRiRvREFFF5希望用较少类型的电阻，希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流仍然能得到一系列权电流工作原理：电流分流形成加权值工
3、作原理：电流分流形成加权值 6RRRR7)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端时，流入时，DVddddRVRRiVREFREFO40011223342222221)(8DVddddRVRRiVnnREFnnnnnREFO222222100112211)(位输入时，应有对REFnnOnnVVD2120120,范围为为“正”取“负”则得OREFVVDVddddRVRRiVREFREFO40011223342222221)(9三、三、主要性能指标主要性能指标1、分辨率（理论精度）、分辨率（理论精度）n说明：说明：DACDAC输出最小电压输出最小电压的能力。
4、的能力。nn位位DAC可输出可输出0 2n-1个不同的等级电压。个不同的等级电压。n指指最小输出电压最小输出电压（仅最低位的输入数字量为（仅最低位的输入数字量为1）与）与最大最大输出电压输出电压（各输入数字量全为（各输入数字量全为1）之比。）之比。121n分辨率 n：表示输入数字量的位数。：表示输入数字量的位数。n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。越大，分辨最小输出电压的能力也越强。2、转换精度、转换精度n实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。3、建立时间（转换速度）、建立时间（转换速度）n从输入数字信号发生突变开始到输出模拟电压或电流达从输
5、入数字信号发生突变开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。到稳定值时所用的时间。10第三节第三节 A/D转换器转换器v A/DA/D转换器的基本原理转换器的基本原理v A/DA/D转换器的构成转换器的构成v 主要性能指标主要性能指标11dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)模拟电子开关模拟电子开关S在采样脉冲在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，接通时，ui(t)对对C充电，为采样过程；充电，为采样过程；S断开时，断开时，C上的电压保持不上的电
6、压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组电路转换成一组n位的二进制数输出。位的二进制数输出。12t0时刻时刻S闭合闭合，CH被迅速充电，被迅速充电，电路处于采样阶段电路处于采样阶段。uoui。t1时时刻采样阶段结束，刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段断开，电路处于保持阶段。若。若A2的输入阻的输入阻抗为无穷大，抗为无穷大，S为理想开关，则为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压u
7、o维持不维持不变。变。+uiuoCHSA1A2uCuo,uiuoui0(a)电路图(b)波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采样脉冲（fS）开关驱动电路13111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（
8、V）0 =0 （V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4=8/15（V）3=6/15（V）2=4/15（V）1=2/15（V）0 =0 (V）141516输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器n转换开始前先将转换开始前先将所有寄存器清零所有寄存器清零。n将将寄存器最高位置成寄存器最高位置成1，使输出数字为，使输出数字为1000。这个数码被。这个数码被D/A转转换器转换成相应的模拟电压换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与，送到比较器中与ui进行比较。进行比较。u若若uiuo，保留保留1；u若若uiuo，去掉
9、去掉1，最高位改为，最高位改为0。u再将次高位置成再将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。是否应该保留。一直到最低位为止。一直到最低位为止。n比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。171 0 0 0 03位：5个CLKN位:(n+2)个CLK18例：例：一个四位逐次逼近型一个四位逐次逼近型ADC电路，参考电压电路，参考电压VREF为为 5 V,现加入现加入的模拟电压的模拟电压vI=4.58 V。求：。求：ADC输出的数字是多少？输出的数字是多少？VVVvREF58.45.2)2020202
10、1(2012340解：第一步：使寄存器的状态为解：第一步：使寄存器的状态为1000，由，由DAC转换为输出转换为输出模拟电压模拟电压VVVvREF58.475.3)20202121(201234019所以寄存器最低位的所以寄存器最低位的1去掉，只能为去掉，只能为0。VVVvREF58.4375.4)20212121(2012340第四步：寄存器的状态为第四步：寄存器的状态为1111，由，由DAC转换输出的电压转换输出的电压VVVvREF58.469.4)21212121(2012340所以，所以，ADC输出数字量为输出数字量为1110。20三、三、主要性能指标主要性能指标1、分辨率、分辨率n说
11、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。n用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转用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。换精度越高。2、转换误差：、转换误差：n通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数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量之间的差别。字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。3、转换速度、转换速度n完成一次转换所需的时间。完成一次转换所需的时间。21习题习题一、选择题一、选择题1一个无符号一个无符号8位数字量输入的位数字量输入的DAC，其分辨率为，其分辨率为 D 位。位。
12、A.1 B.3 C.4 D.82一个无符号一个无符号10位数字输入的位数字输入的DAC，其输出电平的级数为，其输出电平的级数为 CD 。A.4 B.10 C.1024 D.2103一个无符号一个无符号4位权电阻位权电阻DAC，最低位处的电阻为，最低位处的电阻为40K，则最，则最高位处电阻为高位处电阻为 B 。A.4K B.5K C.10K D.20K44位倒位倒T型电阻网络型电阻网络DAC的电阻网络的电阻取值有的电阻网络的电阻取值有 B 种。种。A.1 B.2 C.4 D.85为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率 和和输入模拟信号
13、的最高频率输入模拟信号的最高频率 的关系是的关系是 C 。A.fsfi(max)B.fs fi(max)C.fs2fi(max)D.fs 2fi(max)6将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续（离散）将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续（离散）的模拟量的过程称为的模拟量的过程称为 A 。A.采样采样 B.量化量化 C.保持保持 D.编码编码227用二进制码表示指定离散电平的过程称为用二进制码表示指定离散电平的过程称为 D 。A.采样采样 B.量化量化 C.保持保持 D.编码编码8将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的指定将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的
14、指定电平的过程称为电平的过程称为 B 。A.采样采样 B.量化量化 C.保持保持 D.编码编码9若某若某ADC取量化单位取量化单位=VREF/8，并规定对于输入电压，并规定对于输入电压uI，在，在0uIVREF/8时，认为输入的模拟电压为时，认为输入的模拟电压为0V，输出的二进制数为，输出的二进制数为000，则则5VREF/8 uI 6VREF/8时，输出的二进制数为时，输出的二进制数为 B 。A.001 B.101 C.110 D.11110以下四种转换器，以下四种转换器，A 是是A/D转换器且转换速度最高。转换器且转换速度最高。A.并联比较型并联比较型 B.逐次逼近型逐次逼近型 C.双积分
15、型双积分型 D.施密特触发器施密特触发器将模拟信号转换为数字信号，需要经过将模拟信号转换为数字信号，需要经过 采样采样 、保持保持 、量量化化 、编码编码 四个过程。四个过程。23二、判断二、判断.权电阻网络权电阻网络D/A转换器的电路简单且便于集成工艺制造，因此被广泛使转换器的电路简单且便于集成工艺制造，因此被广泛使用。（用。（）.D/A转换器的最大输出电压的绝对值可达到基准电压转换器的最大输出电压的绝对值可达到基准电压VREF。（。（）.D/A转换器的位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小。（转换器的位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小。（）.D/A转换器的位数越多，转换精度
16、越高。（转换器的位数越多，转换精度越高。（）.A/D转换器的二进制数的位数越多，量化单位转换器的二进制数的位数越多，量化单位越小。（越小。（）.A/D转换过程中，必然会出现量化误差。（转换过程中，必然会出现量化误差。（）.A/D转换器的二进制数的位数越多，量化级分得越多，量化误差就可以转换器的二进制数的位数越多，量化级分得越多，量化误差就可以减小到减小到0。（。（）.一个一个N位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行转换器完成一次转换要进行N次比较，需要次比较，需要N+2个时钟脉冲。（个时钟脉冲。（）3位：位：5个个CLK，N位位:(n+2)个个CLK.双积分型双积分型A/D转换器的转换精度高、抗干扰能力强，因此常用于数字式转换器的转换精度高、抗干扰能力强，因此常用于数字式仪表中。（仪表中。（）.采样定理的规定，是为了能不失真地恢复原模拟信号，而又不使电路采样定理的规定，是为了能不失真地恢复原模拟信号，而又不使电路过于复过于复杂。（杂。（）
