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1、九 数模和模数转换,9.1 D/A转换器,9.2 A/D转换器,第九章 数模和模数转换,模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。,将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；,传感器,模拟控制,模拟信号,数字计算机,数字控制,数字信号,ADC,DAC,将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC),9.1 D/A转换器,9.1 D/A转换器,9.3 小结,9.2 A/D转换器,9.1 D/A转换器,D/A转换器的作用是将输入的数字量转换成与之成正比的模拟量,D/A转换器组成,基准电压,数码输入,电子模拟
2、开关,解码电路,求和电路,D/A转换器分类,按输入方式分,并行输入,串行输入,按电路结构分,权电阻网络,T型电阻网络,倒T型电阻网络,理想运算放大器,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,3. 理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(
3、2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,O,9.1 D/A转换器,9.1.1权电阻型D/A转换器,反相比例 运算电路,T型电 阻网络,+VR,模拟量 输出,输出的模拟量应正比于输入的数字量 Vo=VRD,基准电压,S1,S3,S2,S0,R0,d3,d2,d1,d0,0,1,1,0,Vo,+,+,-,A,RF,0,0,1,1,+,R1,R2,R3,I,IF,R,，,9.1 D/A转换器,9.1.1权电阻型D/A转换器,电子模 拟开关,电子模拟开关受数字量控制，Dn若为1，开关接基准电平(“1”)， Dn若为0，接地(“0”)。,根据叠加原理: I=I3+I2+
4、I1+I0 ,若现在开关都接“1”,则：,若各权电阻按以下规律取值：,9.1.1权电阻型D/A转换器,9.1.1权电阻型D/A转换器,9.1.1权电阻型D/A转换器,II3+I1,9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器,倒T型电阻网络,求和运算电路,电子模拟开关,为了克服权电阻电路难以保证精度问题，常采用倒T型电阻网络D/A转换器。,9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器,由于运放的反相输入端虚地，所以，无论模拟电子开关合向哪一边，T型电阻网络与地之间的等效电路都如下图所示。,电路等效电阻为R,所以端口电流I =VR/R,其余各支路电流分别是I/2、I/4、I/8、I/16。,当模拟开关控制端
5、Di为高电平时相应的电子开关Si将该支路的电流引入运放；当控制端为低电平时，对应支路电流直接接地。,9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器,设输入的二进制数为1010，如图：,9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器,9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器,将倒T型电阻网络扩大到N位,9.1.2 倒T型电阻网络D A转换器,D/A转换器转换器中的模拟电子开关S0S4的实际电路如图所示,图中N沟道管T1、 T4、T6、T8、T9的 栅极为高电平时 导通，P沟道管T2、 T3、T5、T7的栅极 为低电平时导通。 当Di=0时，T2通T1 截止，输出高电平 T4通，输出低电平 T7通，输出高电平 T8
6、通，将倒T型电阻 网络的电流引向Io2,当Di=1时，T1通输出低电平T5通，输出高电平，T9通将倒T型电阻网络的电流引向Io1。,9.1.4 集成D A转换器,集成D/A转换器AD7520的管脚及内部电路如图所示，它是10位倒T型电阻网络D/A转换器。,在下式中N =10，RF =R =10K,输入的数字量与输出的模拟量之间的关系如表9.1.1所示。,9.1.4 集成D A转换器,若把倒T型电阻网络作为运放的反馈电阻，如图所示,9.1.4 集成D A转换器,由虚地的概念得：,反相比例放大电路,A/D转换器的作用是将输入的模拟量转换成相应的数字量,A/D转换器组成,采样保持,量化,编码电路,D
7、/A转换器分类,并行式,逐次逼进式,双积分式,9.2 A/D 转换器,计数式,输入的模拟量通常要先经过采样保持电路，再送入A/D转换器。,9.2.1采样保持电路,所谓采样保持电路就是在控制信号的作用下，对输入信号进行间歇性采样，并在两次采样之间的时间内保持前一次采样瞬时值的电路。,为减小采样信号的失真，采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足fs2fimax。(fimax 为输入电压频谱中的最高频率),9.2.2并行A/D转换器,分压器,比较器,寄存器,编码器,1.分压器,分压器由7个电阻串联而成，将基准电压VR分成1/15VR13/15VR和VR8个参考电压，其中前7个电压分别接的7个比
8、较器的反相输入端，输入ui同时接到比较器的同相输入端，与参考电压比较。 VR是转换器能够测量的最大值， 1/15VR是转换器可以分辨的模拟量的最小值。,9.2.2并行A/D转换器,2.比较器,比较器C1C7反相输入端分别接7个参考电压，同相输入端接输入信号ui。若输入信号大于参考电压，比较器输出高电平“1”，分之输出低电平“0”。,9.2.2并行A/D转换器,3.寄存器和编码器,C1C7的输出在寄存器F1F7寄存并送到3位二进制编码器G1G6。编码器输出D0D2与其输入Q0Q7的逻辑表达式为：,9.2.2并行A/D转换器,转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置
9、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；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个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。,原理框图,基本原理,9.2.3逐次逼进A/D转换器,9.2.3逐次逼进A/D转换器,9.2.3逐次逼进A/D转换器,右循环移位寄存器的作用是将产生的节拍脉冲送入数据寄存器，使其产生不同的数字代码给D/A转换器。,启动脉冲,F,QEQDQC
10、QBQA=01111,串行输入端S与QA接，然后在下一个CP到来时把QA的状态移至QE ,形成右循环移位。当QA 0时，将Q5置0，与非门关闭，完成一个转换周期。,9.2.3逐次逼进A/D转换器,数据寄存器的作用是输出相应的数码给D/A转换器，使之产生参考电压与输入模拟量比较；保存比较结果并决定下一次参考电压，再次进行比较，逐次提高精度，直至比较结束。,9.2.3逐次逼进A/D转换器,设ui=11.5V,设VR=16V,8V,uc=1,9.2.3逐次逼进A/D转换器,设ui=11.5V,设VR=16V,uc=1,12V,uc=0,9.2.3逐次逼进A/D转换器,设ui=11.5V,设VR=16
11、V,uc=0,10V,uc=1,9.2.3逐次逼进A/D转换器,设ui=11.5V,设VR=16V,11V,uc=1,9.2.3逐次逼进A/D转换器,设ui=11.5V,设VR=16V,uc=1,1,11V,CP=0, 移位脉冲CP不能进入移位寄存器，转换结束。D3D2D1D0=1011是最后转换结果。,9.2.4 双积分式A/D转换器,双积分式A/D转换器的工作原理是：先将模拟电压ui转变成与它大小成正比的时间T,再在时间间隔T内利用计数器对时钟脉冲计数，所计数值N也正比于模拟电压ui。,9.2.4 双积分式A/D转换器,(1) 积分器A的输入接电子开关S1,S1受触发器输出端Qn控制，Qn
12、=0时，S1与ui接，A对ui积分，Qn=1时，S1与(VR)接，积分器对(VR)积分。所以称为双积分。,(2) 过零比较器C的输入端接积分器输出uo ,uo0时,uc=1,与非门G开启，计数器对CP脉冲计数。显然，计数器所计数值和与非门开启时间T成正比。,(3) 计数器和定时器：它由n+1个触发器构成二进制计数器。G开启时，它对CP计数，将与ui成正比的时间间隔T变成数字信号输出。,9.2.4 双积分式A/D转换器,设ui为正直流电压,CF的初始电压为0,S1ui,0,uc =1,FG =CP,计数开始直至Qn=1,第一阶段积分时间：T1=2nTCP,1,第一阶段 积分电压,uo0,FG =
13、0,第二阶段计数停止,开始第二阶段积分,Qn=1使 S1-VR,第二阶段计数时间T2,所计时钟个数为N,则:T2= tT1=NTCP代入uo式得：,9.2.4 双积分式A/D转换器,若取VR=2nV,则N=ui,由此可见第二阶段计数器输出的二进制数就等于输入电压。电路各部分的工作波形如图9.2.7所示。,若输入电压ui是变化的,可令Vi为ui在T1时间间隔内的平均值，则uo1=(2nTcp/)Vi ，数字量输出为N=2nVi/VR 。,五、A/D 变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分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。,2. 转换速度 取决于电路的类型。并联比较型最快，逐次逼近型次之，双积分式A/D转换器最低。,3. 相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,并联比较型精度较低，逐次逼近型精度较高。,小结,教材上 P224.,