电工与电子技术基础15-模数转换和数模转换课件.ppt

1、 本章主要讲叙把模拟量转换成数字量和把数字量本章主要讲叙把模拟量转换成数字量和把数字量转换成模拟量的原理、常用的典型电路分析、常用转换成模拟量的原理、常用的典型电路分析、常用芯片的应用及主要性能指标。芯片的应用及主要性能指标。数字信号：具有抗干扰能力强、无噪声积累；便于存数字信号：具有抗干扰能力强、无噪声积累；便于存储、处理和交换；便于加密处理；数字设备便于小型化和储、处理和交换；便于加密处理；数字设备便于小型化和集成化、功耗低等优点。集成化、功耗低等优点。数字信号通信技术近年来得到了大力发展，特别是现数字信号通信技术近年来得到了大力发展，特别是现在光纤技术的发展和应用，数字信号占用频带宽的问

2、题也在光纤技术的发展和应用，数字信号占用频带宽的问题也得到了很好的解决，故而，数字系统的应用越来越广泛，得到了很好的解决，故而，数字系统的应用越来越广泛，在很多测控系统，也都是将模拟量先转化为数字量进行运在很多测控系统，也都是将模拟量先转化为数字量进行运算、处理和传输。算、处理和传输。15.1 15.1 概述概述A/DA/D转换器：将模拟信号转换为数字信号的电路称为模数转转换器：将模拟信号转换为数字信号的电路称为模数转换器，记为换器，记为ADCADC（analog to digital converteranalog to digital converter）。）。D/AD/A转换器：将数字信

3、号转换为模拟信号的电路称为数模转转换器：将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器，记为换器，记为DACDAC（digital to analog converterdigital to analog converter）。）。模拟量模拟量随时间连续变化的量随时间连续变化的量数字量数字量离散不连续的量离散不连续的量 在计算机控制系统中，被控制量如温度、压力、位移、速在计算机控制系统中，被控制量如温度、压力、位移、速度等都是连续变化的模拟量，首先要用传感器将其转换成电度等都是连续变化的模拟量，首先要用传感器将其转换成电量（电压或电流），继而用量（电压或电流），继而用A/DA/D转换器转换成数字

4、量，送到转换器转换成数字量，送到数字计算机中进行处理和计算，计算机输出的数字量还需经数字计算机中进行处理和计算，计算机输出的数字量还需经过过D/AD/A转换成模拟量，加到执行装置以调节其位置或大小，转换成模拟量，加到执行装置以调节其位置或大小，框图如图框图如图15-115-1所示。所示。控制对象非电量传感器模拟量模-数转换器数字量计算机数字量数-模转换器模拟量执行机构图15-1 计算机控制系统框图 另外，另外，A/DA/D转换器被广泛用于制作数字式电压表、温度仪转换器被广泛用于制作数字式电压表、温度仪表以及其它数字式检测仪表。目前在无线电通讯、遥控、遥表以及其它数字式检测仪表。目前在无线电通讯

5、、遥控、遥测等远距离的信息传输中，采用数字信号进行传输，具有保测等远距离的信息传输中，采用数字信号进行传输，具有保密性好、抗干扰力强的特点。密性好、抗干扰力强的特点。本章将对本章将对A/DA/D和和D/AD/A转换器的基本概念和基本原理作一简要转换器的基本概念和基本原理作一简要介绍，由于介绍，由于D/AD/A转换器比较简单，且转换器比较简单，且A/DA/D转换器中往往包含转换器中往往包含D/AD/A转换器，所以在此先介绍转换器，所以在此先介绍D/AD/A转换器。转换器。典型的数字通信系统框图典型的数字通信系统框图15.2 15.2 数模转换数模转换 D/A D/A转换器是用来将一组二进制代码转

6、换成相应模拟电压值转换器是用来将一组二进制代码转换成相应模拟电压值的装置。的装置。D/AD/A转换器种类很多种，如权电阻型、权电流型等，转换器种类很多种，如权电阻型、权电流型等，本节仅介绍应用广泛的本节仅介绍应用广泛的R-2RR-2R倒梯形网络倒梯形网络D/AD/A转换器。转换器。D/A转换框图转换框图15.2.1 R-2R15.2.1 R-2R倒梯形网络倒梯形网络D/AD/A转换器的基本原理转换器的基本原理4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC原理电路原理电路电子电子开关开关倒倒T形电形电阻网络阻网络参考参考电压电压运放接成反运放接成反相比例运算相比例运算00104 4位倒位倒T T型电阻网

7、络型电阻网络D/AD/A转换器输出电压的推导转换器输出电压的推导 340(2)2fiREFOfiiRVvI RDR 30123012340(2222)(2)162iREFREFiiVVIDDDDDRR注意：注意：无论电子无论电子开关接哪边，与开关接哪边，与相连的电阻均相相连的电阻均相当于接当于接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。30123012340(2222)(2)162iREFREFiiVVIDDDDDRR340(2)2fiREFOfiiRVvI RDR 340(2)2fiREFOfiiRVvI RDR 推广：推广：n n位倒位倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器输出电压公式转

8、换器输出电压公式 10(2)2nfiREFOiniRVvDR 一般倒一般倒T T型电阻网络型电阻网络DACDAC集成芯片都选用集成芯片都选用R Rf f=R R，则，则 10(2)2niREFOiniVvD 注意：注意：倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC是目前广泛使用的是目前广泛使用的DACDAC中速度较快的中速度较快的一种，常用的一种，常用的CMOSCMOS开关倒开关倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器的集成电路有转换器的集成电路有DAC0832(8DAC0832(8位位)、AD7520AD7520（1010位）、位）、DAC1210DAC1210（1212位）和位）和AK

9、7546AK7546（1616位高精度）等。位高精度）等。15.2.215.2.2集成集成D/AD/A转换器转换器AD7520AD75201.1.电路结构电路结构AD7520AD7520梯形电阻网络中的电阻为梯形电阻网络中的电阻为R=10kR=10k ，需要外接运算放大器。可以使用内，需要外接运算放大器。可以使用内接的反馈电阻接的反馈电阻R=10kR=10k ，也可以另选反馈电阻接到，也可以另选反馈电阻接到Io1 Io1 与与uo uo 之间。外接的基之间。外接的基准电源准电源 必须保证有足够的稳定度，才能确保应有的转换精度。必须保证有足够的稳定度，才能确保应有的转换精度。输出电压为：输出电压

10、为：)222220011889910REFODDD(DUu2.2.应用应用AD7520AD7520转换器可用作单极转换器可用作单极性电压输出或双极性电压性电压输出或双极性电压输出。输出。（1 1）单极性输出）单极性输出表15-1AD7520单极性输出与输入的关系数 码 输 入模拟电压输出1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 OuREF10241023UREF10241022UREF1024512UREF

11、1024511UREF10241U0123456789DDDDDDDDDD 01 1）调零）调零RW32 2）增加输出满量程电压值）增加输出满量程电压值 RW1（2 2）双极性输出）双极性输出3 3）减少输出满量程电压值）减少输出满量程电压值 RW2因为在二进制算术运算中通常把带符号位的数值表示为补码因为在二进制算术运算中通常把带符号位的数值表示为补码的形式，所以希望的形式，所以希望D/AD/A转换器能够把以补码形式输入的正负转换器能够把以补码形式输入的正负数分别转换成正负极性的模拟电压输出。数分别转换成正负极性的模拟电压输出。构成双极性构成双极性D/AD/A转换器的一转换器的一般方法般方法：

12、1 1）在求和放大器的反相输入端接一个偏移电流，使最高位）在求和放大器的反相输入端接一个偏移电流，使最高位为为1 1 而其它位均为零时的输出为零。而其它位均为零时的输出为零。2 2）将输入的符号位反相后接到一般）将输入的符号位反相后接到一般D/AD/A转换器的最高数码输转换器的最高数码输入。入。3.D/A3.D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标(1)(1)分辩率分辩率能分辩的最小电压值为能分辩的最小电压值为:分辩率是指对输出电压的最小分辨能力。用输入数码只有最低分辩率是指对输出电压的最小分辨能力。用输入数码只有最低有效位为有效位为1 1时的输出电压与输入数码全为时的输出电压与输入数码

13、全为1 1时满量程时的输出电压时满量程时的输出电压之比，表示为之比，表示为如对于如对于1010位的位的D/AD/A，其分辨率为，其分辨率为121nREF21Un000978.012110mV76.9102110如果基准电压为如果基准电压为10V10V，其能分，其能分辨的最小电压为：辨的最小电压为：(2)(2)绝对误差绝对误差(3)(3)转换精度转换精度 绝对误差又称为绝对精度，是指输入数码全为绝对误差又称为绝对精度，是指输入数码全为 时所对应实际时所对应实际输出电压与理论电压之差。设计时，一般要求小于（输出电压与理论电压之差。设计时，一般要求小于（1/21/2）LSB LSB 所所对应输出电压

14、的值。对应输出电压的值。一般是指最大的静态误差，它是一个综合性误差。一般是指最大的静态误差，它是一个综合性误差。包括基准电压的漂移误差、运放漂移误差、比例误差和包括基准电压的漂移误差、运放漂移误差、比例误差和非线性误差。非线性误差。因此，要获得高精度的因此，要获得高精度的DACDAC转移器，单纯选择高分辨率的转移器，单纯选择高分辨率的DACDAC器件是不够的，还要选用高精度的基准电源和你漂移的运放等。器件是不够的，还要选用高精度的基准电源和你漂移的运放等。15.3 15.3 模数转换模数转换 模数转换器是将时间和幅值都连续的模拟信号转换为时间模数转换器是将时间和幅值都连续的模拟信号转换为时间和

15、幅值都是离散的数字信号的电路和幅值都是离散的数字信号的电路 ,一般指将电压量转换为数一般指将电压量转换为数字量的过程。要实现模数转换，一般需要经过四个过程，即采字量的过程。要实现模数转换，一般需要经过四个过程，即采样、保持、量化和编码。样、保持、量化和编码。模数转换的四个过程模数转换的四个过程8.2.1 A/D8.2.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理15.3.115.3.1采样采样/保持（保持（S/HS/H）电路）电路采样是将时间上连续的模拟信号转换为时间上离散的信号。采样是将时间上连续的模拟信号转换为时间上离散的信号。模拟信号的采样模拟信号的采样原始模拟信号原始模拟信号采样脉冲采样脉冲

16、采样信号采样信号 为了保证采样信号为了保证采样信号fs（t）能正确无误的表示模拟信号能正确无误的表示模拟信号f（t），采样信号的频率必须满足，采样信号的频率必须满足采样定理采样定理 max2sff输入的模拟信号的输入的模拟信号的频率的最大值频率的最大值注：注：在满足采样定理的条件下，可以用低通滤波器无失真的从采样信号中在满足采样定理的条件下，可以用低通滤波器无失真的从采样信号中的恢复出原模拟信号。的恢复出原模拟信号。由于对采样信号的数字化处理由于对采样信号的数字化处理需要时间，而采样信号的频率越高，需要时间，而采样信号的频率越高，留给数字化处理的时间越短，故采留给数字化处理的时间越短，故采样信

17、号需要保持一定时间，这个过样信号需要保持一定时间，这个过程称为保持。一般采样和保持都在程称为保持。一般采样和保持都在采样保持器中一起完成采样保持器中一起完成 。采样保持电路采样保持电路 15.3.215.3.2量化及编码量化及编码 量化是将时间上离散，幅值上连续的采样信号进行幅值离量化是将时间上离散，幅值上连续的采样信号进行幅值离散处理（取整）的过程，即将采样脉冲电平转换为与之相近的散处理（取整）的过程，即将采样脉冲电平转换为与之相近的离散数字电平的过程。把量化的数值用二进制代码表示，称为离散数字电平的过程。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。编码。量化的两种方法量化的两种方法 量化单位量

18、化单位只舍不入，只舍不入，量化误差量化误差为为有舍有入，有舍有入，量化误差量化误差为为/2量化利用比较器量化利用比较器完成，编码用触完成，编码用触发器和编码器完成发器和编码器完成8.2.2 8.2.2 不同类型不同类型ADCADC的特点的特点 模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADCADC和直接和直接ADCADC。1.1.间接间接ADC ADC 先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用是双积分型量转换成数字量，常用是双积分型ADCADC。双积分型双积

19、分型ADCADC：先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CLKCLK）计数，计数器输）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。出的计数结果就是对应的数字量。特点：特点：工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作速度低。工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作速度低。常用的集成芯片有常用的集成芯片有CB7106CB7127 2.2.直接直接ADC ADC 直接直接ADCA

20、DC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较型比较型ADCADC和逐次逼近型和逐次逼近型ADC ADC。并联比较型并联比较型ADCADC采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。n n位位输出的输出的ADCADC，需要，需要2 2n n个电阻、（个电阻、（2 2n n1 1）个比较器和）个比较器和D D触发器，以及复杂的编触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的

21、增加，以几何级数上升。所以这种码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADCADC适用于适用于要求高速、低分辩率的场合。要求高速、低分辩率的场合。并联比较型并联比较型ADC ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADCADC的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADCADC每次转换都要逐位比较，需要每次转换都要逐位比较，需要（n+1n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型）个节拍脉冲才能完成，所以它比并

22、联比较型ADC ADC 的转换速度慢，比双分的转换速度慢，比双分积型积型ADCADC要快得多，属于中速要快得多，属于中速ADCADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成较型少得多，所以它是集成ADCADC中，应用较广的一种。中，应用较广的一种。常用的集成芯片有常用的集成芯片有ADC0804ADC0809 15.3.315.3.3逐次渐近型逐次渐近型A/DA/D转换器转换器 n位逐次比较型位逐次比较型A/DA/D转换器包括控制逻辑电路、时序产生器、转换器包括控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、移位寄存器、D/AD/A转换器

23、及电压比较器组成。转换器及电压比较器组成。并行数字输出逐次渐近寄存器控制逻辑脉冲源DACAOuCPLuIu模拟输入转换控制信号-+图15-9 逐次渐近型A/D转换器原理框图 工作原理与用天平称量一个未工作原理与用天平称量一个未知重量的物体时所进行的操作一知重量的物体时所进行的操作一样，而所用的砝码后一个比前一样，而所用的砝码后一个比前一个重量少一半。个重量少一半。ADC ADC的分辩率又称为分解度。其输出二进制位数越多，转换精的分辩率又称为分解度。其输出二进制位数越多，转换精度越高，即分辩率越高，故可用分辩率表示转换精度。常以最低度越高，即分辩率越高，故可用分辩率表示转换精度。常以最低有效位有

24、效位LSBLSB所对应的电压值表示。所对应的电压值表示。15.3.4 A/D15.3.4 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1 1分辩率分辩率 如如1010位位ADCADC，当输入的模拟电压满量程为，当输入的模拟电压满量程为5V5V时，则时，则LSBLSB所对应的所对应的电压为电压为5 5*1/21/21010=4.88mV=4.88mV 如如8 8位位ADCADC，当输入的模拟电压满量程为，当输入的模拟电压满量程为5V5V时，则时，则LSBLSB所对应的所对应的电压为电压为5 5*1/21/28 8=19.53mV=19.53mV 故故1010位位ADCADC的分辩率比的分辩率比

25、8 8位位ADCADC高。因此，分辩率有时也用高。因此，分辩率有时也用ADCADC的输出数据位数表示。的输出数据位数表示。转换速度是转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有转换速度是转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有稳定的数字输出为止的一段时间。如稳定的数字输出为止的一段时间。如ADC0801/02/03/04ADC0801/02/03/04，当时钟，当时钟频率频率f f=640KHz=640KHz时，转换速度为时，转换速度为100us100us。2 2转换速度转换速度3 3相对误差相对误差 用相对误差表示用相对误差表示ADCADC的转换误差。它是指对应于某一输出数字的转换误差。

26、它是指对应于某一输出数字量的情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值量的情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值U UREFREF之比，常以之比，常以LSB LSB 表示。表示。LSB21 ADC0809 ADC0809采样频率为采样频率为8 8位，以位，以CMOSCMOS集成工艺制成。单个集成工艺制成。单个5V5V电电源供电，模拟输入电压范围源供电，模拟输入电压范围0 05V5V，不需零点和满刻度校准，不需零点和满刻度校准，输出电压范围为输出电压范围为0 05V5V，转换时，转换时间为间为100s100s。功耗低，约为。功耗低，约为15mW 15mW。管脚图管脚图 常用的

27、八位集成常用的八位集成A/DA/D转换器有转换器有ADC0801/02/03/04ADC0801/02/03/04，当时钟频率，当时钟频率f=640kHz640kHz时，转换全过程仅为时，转换全过程仅为100us100us，转换速率达一万次，转换速率达一万次/秒。秒。型号为型号为ADC0809ADC0809的集成的集成A/DA/D转换器，有八个模拟输入通道，转换器，有八个模拟输入通道，ADCADC08160816有十六个模拟输入通道。有十六个模拟输入通道。15.4 15.4 模数转换和数模转换的典型应用模数转换和数模转换的典型应用-数字录音机数字录音机数字录音机的原理框图数字录音机的原理框图话筒话筒MIC带通滤波器，带通滤波器，3003400Hz信号变为单信号变为单极性极性05V采用采用0809采用采用8051采用采用0832